一种平面密封单向阀低温环境下开启性能优化.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.05.016一种平面密封单向阀低温环境下开启性能优化王梦丽，侯云,束红林,王永军,邓（河南航天液压气动技术有限公司河南郑州4 51 1 91）摘要：某平面密封单向阀在常温环境下的开启压力不大于0.2 5MPa时，密封性和流量均满足要求，但在低温-55，保温2 h后，在低温状态下通人0.5MPa压力的氮气，活门不能瞬间打开，延迟1 2 min才缓慢开启。低温环境下单向阀的开启性能不稳定，开启时间延迟等问题函须解决,若开启时间较长，会影响整个系统的各项性能，造成严重的质量事故。因此，必须从产品的结构设计、工作原理和环境条件等方面进行分析，找到低温环境下引起产品开启时间延迟的主要原因，并采取有效措施，提高单向阀低温环境下的开启性能。关键词：单向阀；低温环境；开启时间延迟；开启性能中图分类号：TH138;TB42A Flat Sealed Check Valve with Optimized Opening Performance inWANG Meng-li,HOU Yun,SHU Hong-lin,WANG Yong-jun,DENG Kai,ZHANG Jia-li(Henan Aerospace Hydraulic Pneumatic Technology Co.,Ltd.,Zhengzhou 451191,China)Abstract:The opening pressure of a plane seal check valve is not more than 0.25 MPa,and the opening pressure,sealing and flow rate meetthe requirements at normal temperature.However,after the low temperature of-55 C and the heat preservation for 2 h,the valve can not beopened instantaneously,and the delay is 1 2 min,before it is slowly opened.In low temperature environment,the opening performance of thecheck valve is unstable,and the opening time delay and other problems need to be solved urgently.If the opening time is long,theperformance of the whole system will be affected,resulting in serious quality accidents.Therefore,it is necessary to analyze the structuraldesign,working principle and environmental conditions of the product to find the main reasons that affect the opening time delay of the productin the low temperature environment,and take effective measures to improve the opening performance of the check valve in low temperatureenvironment.Key words:check valve;low temperature environment;opening time delay;opening performance0引言单向阀是一种系统中控制方向的阀门,在给定一定压力时自动开启,反向在一定的压力下自动密封，防止介质倒流 1-3 单向阀常用的密封形式有锥面密封和平面密封，密封部位常选用金属与橡胶接触密封，平面密封采用R面与橡胶接触,锥面密封采用6 0 锥面与橡胶接触。在锥面密封结构中,橡胶会受到弹簧径向压力F,和轴向压力F2的双重作用，见图1；在平面密封中，橡胶不受径向压力作用,因此,同等条件下，平面密封的开启压力相对较低,更适用于压力较低要求的阀门。收稿日期：2 0 2 3-0 8-2 8作者简介：王梦丽（1 991-）,女，河南郑州人，工程师,硕士，主要从事液压气动元件工艺研究。凯，张嘉丽文献标志码：B文章编号：1 0 0 8-0 8 1 3(2 0 2 4)0 5-0 0 97-0 5Low Temperature Environment本研究中单向阀的阀芯采用氟醚橡胶，氟醚橡胶具有优异的耐介质性能、耐高低温能力、耐老化性能，可应用于航空、航天、武器装备等高精尖领域 4-6 。氟醚橡胶在空气中的使用温度范围为-50 2 2 5,作为密封件的寿命被评估为2 0 年,密封性能稳定。图1 锥面密封结构Fig.1 Taper surface sealing structure97液压气动与密封/2 0 2 4 年第5期虽然氟醚橡胶具有良好的耐低温性能,但是在低温-55环境下，保温2 h后，进行开启性能测试时，发现单向阀不能立即打开,1 2 min后缓慢打开。因此,该单向阀在低温环境下的开启性能较差，必须对其进行深人分析，采取有效措施，提高在低温环境下的开启性能,保证系统的稳定性。1?工作原理及结构特点单向阀的开启压力不大于0.5MPa,反向通人0.5MPa的压力时,5min内不允许反向漏气。该单向阀采用金属与橡胶接触的平面密封形式，如图2 所示。因此,单向阀在开启压力0.5MPa下,阀芯所承受的压力FF弹，能够保证正常开启。2故障现象及原因分析2.1故障现象单向阀装配完成后进行常温下的开启压力测试，要求不大于0.5MPa,实测开启压力不大于0.2 5MPa。低温下单向阀的试验原理如图3 所示，试验介质为氮气，试验时先将单向阀进口和出口均戴上保护帽，再装人气泡袋封口后放置在试验箱中，当试验箱温度降低到-55时开始保温，保温2 h后立即进行低温下的开启性能测试。试验时从单向阀入口通人压力不大于0.5 MPa的氮气,单向阀不能立即打开,延迟1 2 min后缓慢开启，见表1。M气瓶减压器 截止阀过滤器电磁阀压力表单向阀图2 密封结构图3 单向阀低温开启试验原理图Fig.2Sealing structureFig.3 Schematic siagram of sow temperature opening阀芯和主壳体为单向阀的关键零件，阀芯材料为铝合金，由于容易氧化生锈，采用表面阳极化处理以提高防腐性 7 。阀芯是通过将橡胶硫化到阀芯毛坏的圆形槽内,再进行机加工成型。主壳体材料为不锈钢，由于材料本身的属性，它们在非腐蚀性介质中不会发生腐蚀等现象。阀芯与主壳体的金属密封面点直径为4,最大压力为2 MPa，阀芯所能承受的最大压力Fmax：Fmx=(D/2)TF最高压力=(4/2)3.14 2=25.12 N因此,虽然工作最高压力为2 MPa,压力较低,但作用于阀芯表面的压力较大。在开启压力0.5MPa下,阀芯表面承受的压力F：F=(D/2)T F显高压力=(4/2)3.14 0.5=6.28 N弹簧装配后作用于阀芯上的弹簧力F弹：Fm=-KX=-0.18 8.5=-1.53 N式中：K为弹簧系数,X为形变量。98test of check valve表1 试验数据Tab.1Test data序号常温开启压力/MPa样本10.352样本20.361样本30.356样本40.331样本50.345(1)样本6样本7样本8样本9样本1 0(2)2.2原因分析1）产品内部进水汽若产品装箱前未装在密封良好的自封袋中，在试(3)验箱中会有水汽进入，造成密封部位结冰，导致开启时间延长。低温下开启时间/s60120100881800.352700.367650.361600.371900.36480仍存在延迟现象。因此，弹簧垂直度不是影响产品开Hydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024将产品分2 组，每组5个，第1 组为装入气泡袋封0.5MPa,并要求试验过程中电磁阀持续通电，若入口口的产品，第2 组为装人气泡袋封口后再装人自封袋压力大于0.5MPa,可将电磁阀断电，防止持续涨压,造真空封存的产品。将2 种状态的共1 0 件产品放人低成试验结果不准确。按照该试验方法进行低温下开启温箱中，保温2 h后进行开启性能测试,试验结果见表性能测试后,发现仍存在开启时间延迟问题。因此,试2,开启时间仍为1 2 min。并将1 0 件产品烘干后复验方法不合理问题可以排除。测常温下的开启压力，均不大于0.4 MPa。再次装袋进3）产品结构问题行低温试验，试验前先将单向阀动作3 5次，将进口根据产品工作原理，当开启压力弹簧力+摩擦端气体置换为氮气后再进行低温下的开启性能测试，力+软硬密封之间的粘连力时，单向阀打开。若弹簧开启时间仍延迟1 2 min，试验结果见表2。不垂直，会增大阀芯运动时的摩擦力，导致单向阀不能产品在装箱前已装人密封良好的自封袋，并将进打开。口端气体置换为氮气，出入口连接在系统中，不与空气为此,复测了弹簧两端面与外圆的垂直度，见表3，接触,在-55下不存在结冰情况。因此低温下的开弹簧力值在合格范围内，但弹簧的垂直度较差。为了启时间延迟与产品内部进水汽无关。验证弹簧垂直度对低温下开启时间的影响，重新领取了新的1 0 件弹簧，并复测弹簧垂直度在0.1 5范围内，表2 5件产品弹簧力复测结果见表4，装配后进行低温下的开启性能测试，开启时间Tab.2Retest results of spring force of 5 products常温开启序号压力/MPa样本10.342样本20.371样本30.386样本40.351样本50.365样本60.352样本70.357样本80.301样本90.361样本1 00.3642）试验方法不合理若试验方法不合理，实际产品人口的压力未达到0.5MPa，会造成产品低温时开启时间延迟。试验时需先把减压器出口调到静压0.5MPa,再打开电磁阀，观察单向阀是否打开，见图3。在实际试验中发现，试验系统中的减压器存在涨压现象，试验员在调0.5MPa静压时,为了防止涨压过高,先把调好的减压器退几圈，相当于把静压调低，涨压后静压达到0.5 MPa。在试验时,打开电磁阀,管路的压力下降到约0.4 5MPa,说明系统流量达不到要求,压力再慢慢升到0.5 MPa,试验方法存在问题。为了排除试验时产品人口压力达不到0.5MPa,先将系统压力调试好，保证产品人口的压力接近低温下开启气体置换后低温时间/s开启时间/s50537065858082781006780606563526060517158启时间延迟的主要原因。表3 弹簧垂直度和弹簧力值Tab.3Values of spring verticality and spring force序号垂直度Pi(0.8 0.92)/N 10.1820.2030.2040.2550.2560.2070.2580.2090.20100.204）低温下密封面发生粘连单向阀采用金属与橡胶接触密封,橡胶较软，当阀芯受到弹簧力作用时，会与金属面贴紧，橡胶发生变形产生压痕，若在低温环境下橡胶面与金属发生粘连，橡胶恢复形变能力变差，会导致开启时间延迟。为了验证低温下密封面粘连对产品的影响，随机在5件阀芯的橡胶面上粘贴透明胶带，提高橡胶面的粗糙度，使橡胶与金属通过透明胶带接触,防止发生粘连。先将单向阀进行常温下的开启压力和密封性测99P2(1.3 1.4)/N0.8521.3380.8431.3420.8461.3450.8561.3640.8341.3550.8251.3560.8611.3630.8491.3480.8451.3630.8391.348液压气动与密封/2 0 2 4 年第5期试,均满足要求,再进行低温下的开启性能测试,试验结果见表5,单向阀瞬间打开,开启时间不大于3 s,能够满足要求。因此，低温下密封面发生粘连导致了开启时间延迟。表4 更换新弹簧后1 0 件产品低温下的开启时间Tab.4 Opening time of 10 products at low temperatureafter replacement of new spring序号垂直度样本10.05样本20.02样本30.10样本40.03样本50.05样本60.06样本70.15样本80.15样本90.08样本1 00.10表5阀芯橡胶面贴透明胶带测试结果Tab.5Test results of rubber tape on valve core序号常温开启压力/MPa样本10.351样本20.347样本30.351样本40.344样本50.3433低温下开启性能优化单向阀在低温下开启时间延迟，会引起整个系统性能的不稳定。因此，必须从产品的结构和工作原理进行研究,找出问题的根本原因，提高低温下单向阀的开启性能，保证系统的稳定性。3.1阀芯结构改进单向阀阀芯在加工时，四方与外圆的棱边未进行圆滑过渡，见图4。阀芯外圆有棱边或凸起，会增加导向面的摩擦力，增大产品的开启压力，影响产品的开启性能。因此,将产品的棱边倒圆角RO.2,见图5,以降低导向面的摩擦力，提高产品的开启性能。100图4 阀芯外圆棱边Fig.4Spool outer round edge低温下开启时间/s45655561504250536260低温下开启时间/s22332RO.2图5阀芯外圆棱边圆滑Fig.5 Outer edge of valve core is smoothed3.2橡胶面涂润滑脂7014润滑脂是以有机稠化剂稠化合成油，并加有抗氧等添加剂精制而成，使用温度范围为6 02 0 0,同时兼顾高低温使用能力,广泛应用于航空领域。单向阀在装配时，可在阀芯橡胶面涂一薄层经无尘布渗透过的7 0 1 4 航空润滑脂，提高橡胶面与金属间的润滑作用,降低低温下密封面的粘连作用。3.3橡胶面贴膜聚四氟乙烯稳定性好,摩擦系数低,具有良好的化学惰性和热稳定性,耐高低温、耐老化,是一种较好的密封材料 8-9。聚四氟乙烯与橡胶配合使用，能够提高橡胶的物理机械性能、耐化学腐蚀性能,降低摩擦系数 1 0)。因此,在阀芯橡胶面贴聚四氟乙烯薄膜，以提高橡胶面的粗糙度，防止低温下金属与橡胶发生粘连。4措施验证将1 0 件产品按照阀芯修挫并抛光至RO.2,进行涂7014润滑脂和贴膜试验验证,试验结果见表6。在阀芯橡胶面涂7 0 1 4 润滑脂后，低温下开启时间不大于5s,满足要求。采用橡胶面贴聚四氟乙烯薄膜后,在低温下单向阀瞬间打开。因此，证明了以上两种措施均能提高单向阀在低温下的开启性能，且在橡胶面贴膜的方法更有效。5结论平面密封形式的单向阀在低温-55、保温2 hHydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024表6 5件产品开启压力数据YU Wujiang,WANG Haizhou,CHEN Erfeng,et al.SimulationTab.6Opening pressure data of 5 products涂7 0 1 4 润滑脂序号常温开启低温下开常温开启低温下开压力/MPa启时间/s压力/MPa启时间/s样本10.316样本20.320样本30.354样本40.326样本50.325样本60.320样本70.325样本80.306样本90.307样本1 00.329后进行低温下的开启性能测试，不能立即打开，延迟12min后缓慢开启。通过对产品结构和工作原理进行深人分析，影响产品低温开启延迟的主要原因是金属与橡胶面低温下发生粘连。并采取了将阀芯棱边倒圆角R0.2,橡胶面涂7 0 1 4 润滑脂，橡胶面贴聚四氟乙烯薄膜等措施，提高了产品低温下的开启性能，并对比分析出阀芯橡胶面贴聚四氟乙烯薄膜效果显著，低温下产品能瞬间开启。参考文献1邢志胜，叶鹏，李金禄，等.高压气体单向阀优化设计 J液压气动与密封,2 0 2 0,4 0(3）：1 4-1 6.XING Zhisheng,YE Peng,LI Jinlu,et al.Optimal Design ofHigh-pressure Gas Check Valve J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2020,40(3):14-16.2张丹威.强噪声干扰下的单向阀故障诊断方法研究 D.昆明：昆明理工大学，2 0 1 9.ZHANG Danwei.Research on Fault Diagnosis Method ofCheck Valve under Strong Noise Interference D.Kunming:Kunming University of Science and Technology,2019.3 余武江，王海洲，陈二锋，等.单向阀三维动态流场稳定性仿真研究 J.火箭推进,2 0 1 5,4 1(1）：8 2-8 9.引用本文：王梦丽，侯云，束红林，等.一种平面密封单向阀低温环境下开启性能优化 J.液压气动与密封,2 0 2 4,4 4（5）：97-1 0 1.WANG Mengli,HOU Yun,SHU Honglin,et al.A Flat Sealed Check Valve with Optimized Opening Performance in Low TemperatureEnvironment J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(5):97-101.101of Three-dimensional Dynamic Flow Field Stability of Check贴聚四氟乙烯薄膜Valve J.Rocket Propulsion,2015,41(1):82-89.4 刘刚,张昱,唐蒙，等.氟醚橡胶耐介质和热氧老化性能研究 J.液压气动与密封,2 0 1 7,3 7（5）：3 4-3 6,4 2.LIU Gang,ZHANG Yumin,TANG Meng,et al.Study 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