球面密封气动截止阀用气缸力的技术研究(1)

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
球面密封气动截止阀用气缸力的技术研究(1)
1、概述
近年来随着加工工艺技术的发展,球面密封结构截止阀在航天试验系统中
得到了广泛应用。

航天氢氧火箭发动机试验系统(以下简称试验系统)有些部分处于低温或高压工作环境中,操作介质主要有液氧、液氮和液氢等低温介质及其他一些易燃有毒介质。

因此试验系统中阀门的阀座通常采用不锈钢或铝合金等耐
低温材料,而阀瓣通常采用F4、F46、聚酰亚胺或铜合金等材料。

由于非金属密封材料在高压下工作时泄漏严重,因此试验系统中广泛应用了金属密封结构。

本文以阀瓣为铜合金球形结构,阀座为不锈钢锥形结构的气动截止阀为例,介绍截止阀气缸力计算方法。

2、密封机理
在截止阀中为保证流体的密封性,必须在密封表面间有一个相互作用的力(在气源压力一定时截止阀的气缸力主要与气缸内径有关,气缸内径主要与阀杆的受力有关。

截止阀阀杆轴向受力有介质静压力QMJ、密封力QMF、摩擦力QT 和阀杆自重G 等。

对阀杆进行初期受力分析时,可以忽略摩擦力和自重的影响,待气缸内径确定后再复验气缸力是否能够克服摩擦力。

介质静压力在阀门口径、
压力和密封结构确定的条件下为已知力,密封力需要计算。

在已有资料中,球面密封的线接触比压ql 只有在工作压力P ≤2.5M Pa 的情况下才有准确的数据可以借鉴, 高于该压力的情况目前没有可以参考的数据。

3.1、传统设计方法
由于球体与平面接触时,在接触应力的作用下发生弹塑性变形,球体上会出现一个小的锥形带状密封面。

假定密封宽度为b, 可以确定必须密封比压qM F。