减压水阀质量问题改进及优化设计

减压水阀质量问题改进及优化设计
作者：李美英
来源：《科技创新与生产力》 2014年第4期
李美英
（太原重工铸锻分公司，山西太原 030024）
摘要：减压水阀是采煤机乳化液泵站系统中的一个液压元件，一般在井下使用。

整个系统在运行过程中故障率很高，维修时会受到维修工具及空间狭小等因素的影响，拆卸非常不方便，所以对该元件的使用寿命和可靠性要求很高。

为了达到这一目的，笔者对减压水阀的各种故障
进行了详细的统计分析，针对这些问题对减压水阀提出了质量改进和优化设计。

关键词：减压水阀；密封；阀杆；阀座；弹簧
中图分类号：TG333 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2014.04.061
减压水阀在采煤机水阀组件中主要用来减小喷雾泵提供的高压水的压力。

高压水经过减压
水阀后变成低压水对采煤机的电机、高压电气箱及液压泵站进行冷却。

目前减压水阀不能有效
地对高压水减压，经常出现失效状况，最终打爆冷却器箱体[1]，尤其是在出口水需要零压状态下，减压水阀的阀杆与阀座不能完全贴合，导致出水口不能实现零压状态[2]，减压水阀结构组成见图1。

1 减压水阀工作原理
当高压水从进水口进入减压水阀时，阀杆受到高压水向下的压力F1和低压水向上的力F2。

高压水通过阀杆与阀芯之后变成低压水，阀芯受到低压水向下的压力F3（低压水的压力大小取
决于阀杆与阀芯之间间隙的大小，间隙越大低压水的压力越高），阀芯同时受到弹簧向上的弹
簧力f。

当减压水阀处于平衡状态时，F1 + F2 = f + F3 。

当调节螺栓调定弹簧的工作位置时弹簧力为一常数，减压水阀处于平衡状态，由于阀杆受
到低压水压力的受力面积小于阀芯受到低压水压力的受力面积，可以得出F2 - F3 = K，K与f
成正比关系。

所以调紧调节螺栓时，弹簧力f越大，低压水压力F2越大，也就是出水口压力越大。

当弹簧完全松开时阀杆与阀芯完全密封使出水口压力为零。

2 零压失效状态优化
减压水阀在零压状态下经常会出现失效状况，这时出水口仍会出现有水流出的情况。

导致
此现象的原因是阀杆与阀座在零压状态下不能有效地密封。

阀杆与阀座均采用的是40Cr材料，阀杆热处理为淬火HRC45-50，阀座热处理调质HB240-280，这样的机械密封需要较高的同轴度，一般加工精度达不到所要求的同轴度。

由于阀座与堵盖为螺纹连接，而用螺纹连接两个元件的
同轴度必然会有一定的误差，因此出现密封不住现象，导致出水口压力不为零。

针对此种情况，对阀杆及堵盖进行了结构修改，即将阀杆的锥密封处改为尼龙密封，尼龙材料塑性较高，它可
以随着阀座的形状做一定的调整，这就降低了阀杆与阀座加工时同轴的要求。

同时将堵盖与阀
座连接部位加一个定位装置，以减小螺纹连接时造成的不同轴误差。

这样改进后就可以很容易
地实现同轴密封。

3 弹簧失效及使用寿命的改进
为了解决弹簧失效、延长弹簧的使用寿命问题，对弹簧的弹性系数进行了重新计算。

弹簧
材料为65MnA。

未修改前弹簧基本参数为：有效圈数
n= 6；总圈数n1 = 4.5；弹簧总长H0 = 95 mm；最小工作载荷时高度H1 = 91 mm；最大
工作载荷时高度H2= 86.1 mm；弹簧中径D = 45 mm；弹簧直径d =
12 mm；最小工作载荷P1 = 2 296 N；最大工作载荷
P2 = 5 568 N；弹簧节距t = 18.5 mm。

计算弹簧的疲劳强度：由于调定好压力之后减压阀的弹簧一般不再进行调整，所以弹簧所
受载荷可视为静载荷，可用下列公式进行计算：安全系数S = τ0 + 0.75τmin /τmax≥Sp （Sp许用安全系数，取1.3～1.7）；曲度系数K = 10 000 d4/D3n = 696.17 N/mm；最大工作
载荷产生的最大切应力Τmax = 8KDP2 /πd3 = 531.7 MPa；最小工作载荷产生的最小切应力
Τmin = 8KDP1/πd3=219.25 MPa；弹簧在脉动循环载荷下的剪切疲劳强度τ0 = 0.3бb = 353.1 MPa；弹簧抗拉强度бb = 1 177 MPa。

经计算得出弹簧安全系数为：S = τ0+0.75τmin /τmax = 1.31。

可以看出此弹簧的安全系数处在安全的临界状态，容易出现失效、损坏情况。

为增大弹簧
的安全系数，从上述公式中看出增大弹簧的抗拉强度便可增加弹簧的安全系数，有助于改善失
效和损坏问题。

65MnA弹簧材料具有强度高，淬透性好等优点，但有过热敏感性，易产生淬火
裂纹并有回火脆性，所以将材料更改为60Si2MnA。

60Si2MnA中含有0.54～0.64%的C，1.5～
2.0%的Si，0.6%～0.9%的Mn，高温回火后具有良好的综合力学性能。

60Si2MnA材料的抗拉强度бb = 1 471 MPa；K =10 000 d4/D3n = 696.17 N/mm；Τmax = 8KDP2/πd3=531.7 MPa；Τmin= 8KDP1/πd3 = 219.25 MPa；τ0 = 0.3бb = 441.3 MPa；弹簧抗拉强度бb = 1 471 MPa。

经计算得出弹簧安全系数为：S = τ0+0.75τmin/ τmax = 1.55。

4 结论
综上所述，通过对减压水阀中的阀杆、阀座及弹簧进行改进后，可提高采煤机的工作效率，减少故障率，增加使用的可靠性。

对提高公司经济效益和信誉将起到积极的作用。

参考文献：
[1] 成大先.机械设计手册[S].北京:化学工业出版社,2007.
[2] 雷秀.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社,2005.
（责任编辑石俊仙）。