箭體閥門(mén)密封性能量化分析方法

　　參照墊片密封及閥座密封比壓原理，從力學(xué)角度建立閥門(mén)漏率計算公式，并以有限元方法建立閥門(mén)漏率計算模型，從而實(shí)現了閥門(mén)漏率的初步量化分析和計算。以充氣閥為例分析閥座結構尺寸對閥門(mén)密封性能的影響，結果表明在保證閥門(mén)非金屬面沒(méi)有破壞的前提下，閥座半徑越小越有利于閥門(mén)密封。

　　閥門(mén)是火箭增壓輸送系統重要元件，其工作環(huán)境惡劣( 較高的隨機振動(dòng)量級，以及較寬的范圍) ，使用要求較高( 高壓、低壓均要求較高的密封性能) 。由于這些嚴酷的環(huán)境條件，閥門(mén)一直是運載火箭增壓輸送系統的一個(gè)薄弱環(huán)節，歷史上增壓輸送的多次故障與閥門(mén)漏率超標直接相關(guān)，而閥門(mén)密封性能的優(yōu)劣則取決于閥座、閥芯密封配合副的設計。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為研究閥座結構尺寸對閥門(mén)密封性能的影響對提高閥門(mén)密封性能及增壓輸送系統可靠性具有重要的實(shí)踐意義。以往閥門(mén)閥座密封配合副設計( 不僅僅是結構設計) ，主要使用經(jīng)驗公式計算主要技術(shù)參數，再通過(guò)試驗進(jìn)行驗證和修改完善，這種方法研制周期長(cháng)、效率較低。新研型號閥門(mén)介質(zhì)壓力大為提高( 由23MPa 提高到35 MPa) ，且涉及常、低溫，這就更加增大了閥門(mén)密封的設計難度。

　　本文作者基于理論分析建立閥門(mén)漏率計算模型，并基于有限元分析軟件，分析閥門(mén)閥座結構尺寸對密封性能的影響，為型號閥門(mén)的研制提供技術(shù)參數。

1、活閥密封性能的研究方法

　　目前對于密封性能的研究還處于定性分析階段，設計手冊普遍將密封比壓作為密封優(yōu)劣的判斷標準。但是對于R 形閥座、變形較大的非金屬密封面而言，其密封壓力具有高度的非線(xiàn)性，且沿活閥徑向密封壓力分布梯度較大，無(wú)法用現行的理論公式統一化處理。而對于密封漏率計算，墊片的漏率計算已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，本文作者擬參考墊片漏率的計算公式，建立閥座漏率計算的量化模型。對于墊片密封，其漏率計算公式為

　　式中: AL、nL為常數; b 為墊片寬度; L 為墊片單位外周長(cháng)的泄漏率; σr為接觸壓力; p1為介質(zhì)壓力;p2為環(huán)境壓力; η 為系數。

　　將閥座密封實(shí)際情況與墊片的漏率計算公式進(jìn)行對比，可以發(fā)現閥座的漏率計算更貼近墊片的漏率計算公式，與最大接觸壓力成反比，與密封面兩側壓力的平方差成正比。由此得到閥座密封漏率的近似關(guān)系為

　　式中: AL、nL為系數，需通過(guò)試驗測定; σr為接觸壓力; p1為介質(zhì)壓力; p2為環(huán)境壓力。

　　從式(2) 計算得到的漏率與閥門(mén)漏率的變化趨勢是一致的，但公式的準確性還需大量的試驗數據進(jìn)行驗證，由于試驗工作量大，周期長(cháng)，相關(guān)工作還在進(jìn)行中�；�于墊片的漏率計算公式(2) 和傳統的密封比壓設計理論，則可以將對閥門(mén)密封性能的研究轉化為對閥座密封結構最大接觸壓力的研究，而密封結構的最大接觸壓力及密封比壓是可以通過(guò)有限元軟件對其進(jìn)行量化分析的。本文作者通過(guò)有限元分析軟件，以最大接觸壓力為基礎并結合密封比壓建立閥門(mén)漏率計算模型，分析閥門(mén)結構形式及尺寸對閥門(mén)密封性能的影響，探索閥門(mén)密封的量化研究。

2、活閥密封結構的有限元力學(xué)模型

　　在目前常用的密封結構中，閥座基本為金屬材料，活閥密封面為非金屬材料，密封槽為金屬材料。金屬材料的剛度要遠大于非金屬材料，所以在建模時(shí)，可以將金屬材料結構看作剛體，減少計算量。另外活閥為回轉體結構，其載荷、邊界條件也是軸對稱(chēng)的，因此可以將活閥簡(jiǎn)化成軸對稱(chēng)模型�；铋y簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 活閥軸對稱(chēng)力學(xué)模型

3、結論

　　(1) 參照墊片密封及閥座密封比壓原理，從力學(xué)角度建立了閥門(mén)漏率計算公式，并以有限元方法建立閥門(mén)漏率計算模型，從而實(shí)現了閥門(mén)漏率的初步量化分析和計算。

　　(2) 從分析結果看，非金屬密封面與閥座的接觸寬度b 并不是常量，它隨著(zhù)加載時(shí)間是不斷變化的，并且接觸壓力沿徑向梯度較大; 最大接觸壓力隨加載時(shí)間的變化與非金屬密封的實(shí)際工作情況接近;綜合以上因素，本文作者提供的閥門(mén)漏率的計算方法更接近實(shí)際，誤差更小。

　　(3) 在保證閥門(mén)非金屬面沒(méi)有破壞的前提下，閥座半徑越小越有利于閥門(mén)密封。