箭体阀门密封性能量化分析方法

　　参照垫片密封及阀座密封比压原理，从力学角度建立阀门漏率计算公式，并以有限元方法建立阀门漏率计算模型，从而实现了阀门漏率的初步量化分析和计算。以充气阀为例分析阀座结构尺寸对阀门密封性能的影响，结果表明在保证阀门非金属面没有破坏的前提下，阀座半径越小越有利于阀门密封。

　　阀门是火箭增压输送系统重要元件，其工作环境恶劣( 较高的随机振动量级，以及较宽的范围) ，使用要求较高( 高压、低压均要求较高的密封性能) 。由于这些严酷的环境条件，阀门一直是运载火箭增压输送系统的一个薄弱环节，历史上增压输送的多次故障与阀门漏率超标直接相关，而阀门密封性能的优劣则取决于阀座、阀芯密封配合副的设计。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为研究阀座结构尺寸对阀门密封性能的影响对提高阀门密封性能及增压输送系统可靠性具有重要的实践意义。以往阀门阀座密封配合副设计( 不仅仅是结构设计) ，主要使用经验公式计算主要技术参数，再通过试验进行验证和修改完善，这种方法研制周期长、效率较低。新研型号阀门介质压力大为提高( 由23MPa 提高到35 MPa) ，且涉及常、低温，这就更加增大了阀门密封的设计难度。

　　本文作者基于理论分析建立阀门漏率计算模型，并基于有限元分析软件，分析阀门阀座结构尺寸对密封性能的影响，为型号阀门的研制提供技术参数。

1、活阀密封性能的研究方法

　　目前对于密封性能的研究还处于定性分析阶段，设计手册普遍将密封比压作为密封优劣的判断标准。但是对于R 形阀座、变形较大的非金属密封面而言，其密封压力具有高度的非线性，且沿活阀径向密封压力分布梯度较大，无法用现行的理论公式统一化处理。而对于密封漏率计算，垫片的漏率计算已经取得了一定的进展，本文作者拟参考垫片漏率的计算公式，建立阀座漏率计算的量化模型。对于垫片密封，其漏率计算公式为

　　式中: AL、nL为常数; b 为垫片宽度; L 为垫片单位外周长的泄漏率; σr为接触压力; p1为介质压力;p2为环境压力; η 为系数。

　　将阀座密封实际情况与垫片的漏率计算公式进行对比，可以发现阀座的漏率计算更贴近垫片的漏率计算公式，与最大接触压力成反比，与密封面两侧压力的平方差成正比。由此得到阀座密封漏率的近似关系为

　　式中: AL、nL为系数，需通过试验测定; σr为接触压力; p1为介质压力; p2为环境压力。

　　从式(2) 计算得到的漏率与阀门漏率的变化趋势是一致的，但公式的准确性还需大量的试验数据进行验证，由于试验工作量大，周期长，相关工作还在进行中。基于垫片的漏率计算公式(2) 和传统的密封比压设计理论，则可以将对阀门密封性能的研究转化为对阀座密封结构最大接触压力的研究，而密封结构的最大接触压力及密封比压是可以通过有限元软件对其进行量化分析的。本文作者通过有限元分析软件，以最大接触压力为基础并结合密封比压建立阀门漏率计算模型，分析阀门结构形式及尺寸对阀门密封性能的影响，探索阀门密封的量化研究。

2、活阀密封结构的有限元力学模型

　　在目前常用的密封结构中，阀座基本为金属材料，活阀密封面为非金属材料，密封槽为金属材料。金属材料的刚度要远大于非金属材料，所以在建模时，可以将金属材料结构看作刚体，减少计算量。另外活阀为回转体结构，其载荷、边界条件也是轴对称的，因此可以将活阀简化成轴对称模型。活阀简化后的力学模型如图1 所示。

图1 活阀轴对称力学模型

3、结论

　　(1) 参照垫片密封及阀座密封比压原理，从力学角度建立了阀门漏率计算公式，并以有限元方法建立阀门漏率计算模型，从而实现了阀门漏率的初步量化分析和计算。

　　(2) 从分析结果看，非金属密封面与阀座的接触宽度b 并不是常量，它随着加载时间是不断变化的，并且接触压力沿径向梯度较大; 最大接触压力随加载时间的变化与非金属密封的实际工作情况接近;综合以上因素，本文作者提供的阀门漏率的计算方法更接近实际，误差更小。

　　(3) 在保证阀门非金属面没有破坏的前提下，阀座半径越小越有利于阀门密封。