一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法技术

本发明专利技术涉及机械密封安全技术领域，尤其涉及一种接触式圆柱形

【技术实现步骤摘要】
一种接触式圆柱形
‑
锥面密封结构密封比压求解方法


[0001]本专利技术涉及机械密封安全
，尤其涉及一种接触式圆柱形
‑
锥面密封结构密封比压求解方法。

技术介绍

[0002]伴随航空航天、能源动力、汽车船舶等重大工程领域的快速发展，功能各异的弹簧式阀门零件在各类高端装备中得以广泛应用。该类零件的启闭过程仅取决于系统压力，且结构简单、动作可靠，广泛服役于高压、强负载以及频繁动作等苛刻服役工况。阀门服役过程多为R形止口与锥面或平面相配合的半静密封结构，其中截面为R形
‑
平面配合可以认为R形
‑
锥面配合结构的一种特殊形式，其闭合时处于静止状态，通过密封副挤压非金属材料产生弹性变形堵塞泄漏通道实现密封，从而保证系统安全。
[0003]目前，此类圆柱形
‑
锥面密封结构大多通过仿真分析或实验探究等方法进行结构优化设计，可以有效解决弹簧式阀门的密封失效问题。但是上述方法需要开展大量数值模拟或实验研究，且对于不同结构参数及接触状态下的密封副不具有通用性，难以快速准确地求解圆柱形
‑
锥面配合副的密封比压。
[0004]因此，需要总结接触式圆柱形
‑
锥面密封结构并提出配合副密封比压求解方法，实现密封结构密封比压的快速求解与预测，以提高弹簧式阀门零件的密封及服役性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术的局限性和缺陷，提出了一种接触式圆柱形
‑
锥面密封结构密封比压求解方法，该方法基于接触式圆柱形
‑
锥面密封结构及其接触特点，归纳总结了R形止口与阀芯密封副配合的一般规律，并设计了圆柱形
‑
锥面密封结构几何参数；虑及弹簧载荷、密封压差与密封副总长度求解得到接触区域单位长度载荷，结合其与R形止口结构参数之间的关联关系，得到垂直于R形止口面接触区域的单位载荷，进一步考虑密封结构材料特性求解圆柱形
‑
锥面密封副接触宽度；结合接触式圆柱形
‑
锥面密封结构单位载荷及接触宽度，求解圆柱形
‑
锥面密封结构接触区域等效密封比压，并判断是否满足阀门密封要求。包括：
[0006]步骤S1：设计所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构的几何参数和所述几何参数的约束范围；
[0007]步骤S2：依据所述几何参数，求解所述圆柱形
‑
锥面密封结构的接触区域的接触宽度；
[0008]步骤S3：依据所述接触宽度，计算所述圆柱形
‑
锥面密封结构接触区域的密封比压。
[0009]进一步地，所述步骤S1中设计所述几何参数包括：
[0010]设计通径大小为d的所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构，所述密封结构截面中阀芯密封副锥面倾斜角度为θ，所述阀芯密封副的锥面底部长度为D，锥面高度为H，阀座密封副
中R形止口轮廓线与所述阀芯密封副底面的夹角为ξ；
[0011]设计阀座密封副上R形止口圆的圆心为O
i
，半径为r
i
，i＝1，2，3
……
其中，所述R形止口圆为所述R形止口轮廓线所在圆；
[0012]设计点O为所述R形止口圆圆心所包络圆的圆心，设所述包络圆半径为R
i
，i＝1，2，3
……
[0013]进一步地，在所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构中，密封工况下需满足所述止口R形圆与阀芯密封副的锥面相切配合；
[0014]即所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构中的所述几何参数需满足以下约束条件：
[0015][0016]即所述几何参数的约束范围应如下：
[0017][0018]进一步地，所述步骤S2包括：
[0019]步骤S21：计算所述R形止口面与所述锥面的接触区域总长度L和所述的接触式圆柱形
‑
锥面密封结构的总载荷F；
[0020]步骤S22：利用计算得到的所述接触区域总长度L和所述总载荷F求解单位长度载荷f；
[0021]步骤S23:结合对所述R形止口的受力分析与所述单位长度载荷f计算垂直于所述R形止口接触区域的单位长度载荷f
N
；
[0022]步骤S24:结合所述单位长度载荷f
N
和密封结构材料等效杨氏模量E
*
求解所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构接触区域的赫兹接触半宽b。
[0023]进一步地，所述步骤S21包括：基于所述几何参数，在所述R形止口面与所述锥面相切的基础上，所述接触区域总长度L为：
[0024][0025]所述总载荷F可由下式求得：
[0026]F＝F
T
‑
F
L
＝F0+kl
‑
ΔPS
ꢀꢀ
(4)
[0027]式中，F
T
＝F
O
+kl为阀芯密封副所受弹簧力，F
O
为R形止口面与阀芯密封副锥面底面配合时所受弹簧力，k为弹簧刚度系数，配合时所受弹簧力，k为弹簧刚度系数，为弹簧相对位移，F
L
＝ΔPS为流体作用于阀芯密封副表面合力，ΔP为密封压差，为流体作用于阀芯密封副表面面积。
[0028]进一步地，所述步骤S22中所述单位长度载荷f为：
[0029][0030]进一步地，所述步骤S23包括：对所述R形止口进行受力分析可得：
[0031]F
N
×
coSθ+F
f
×
sinθ＝F
ꢀꢀ
(6)
[0032]式中，F
N
为垂直于R形止口面接触区域的法向载荷，F
f
＝μF
N
为R形止口面所受摩擦力，μ为摩擦系数。
[0033]则垂直于所述R形止口面接触区域的所述单位长度载荷f
N
为：
[0034][0035]式中，f为单位长度载荷，μ为摩擦系数。
[0036]进一步地，所述步骤S24包括：
[0037]已知所述密封结构材料等效杨氏模量E
*
可由下式求得：
[0038][0039]其中，E1、E2分别为两种所述密封结构材料的杨氏模量，V1、V2分别为两种材料的泊松比。
[0040]则由赫兹接触理论求得所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构接触区域的所述赫兹接触半宽b为：
[0041][0042]其中，f
N
为垂直于R形止口面接触区域的所述单位长度载荷，E
*
为密封结构材料等效杨氏模量。
[0043]进一步地，所述步骤S3包括：
[0044]对于所述接触式圆柱形<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种接触式圆柱形
‑
锥面密封结构密封比压求解方法，其特征在于，包括：步骤S1：设计所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构的几何参数和所述几何参数的约束范围；步骤S2：依据所述几何参数，求解所述圆柱形
‑
锥面密封结构的接触区域的接触宽度；步骤S3：依据所述接触宽度，计算所述圆柱形
‑
锥面密封结构接触区域的密封比压。2.根据权利要求1所述的接触式圆柱形
‑
锥面密封结构密封比压求解方法，其特征在于：所述步骤S1中设计所述几何参数包括：设计通径大小为d的所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构，所述密封结构截面中阀芯密封副锥面倾斜角度为θ，所述阀芯密封副的锥面底部长度为D，锥面高度为H，阀座密封副中R形止口轮廓线与所述阀芯密封副的底面的夹角为ξ；设计阀座密封副上R形止口圆的圆心为O
i
，半径为r
i
，i＝1，2，3
……
其中，所述R形止口圆为所述R形止口轮廓线所在圆；设计点O为所述R形止口圆圆心所包络圆的圆心，设所述包络圆半径为R
i
，i＝1，2，3
……
。3.根据权利要求2所述的接触式圆柱形
‑
锥面密封结构密封比压求解方法，其特征在于：在所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构中，需满足密封工况下所述R形止口圆与阀芯密封副的锥面相切配合；即所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构中的所述几何参数需满足以下约束条件：即所述几何参数的约束范围应如下：其中θ为锥面倾斜角度，ξ为阀座密封副的R形止口轮廓线与锥面的夹角，r为R形止口圆的半径，D为锥面底部长度，d为接触式圆柱形
‑
锥面密封结构的通径，H为锥面高度。4.根据权利要求1所述的接触式圆柱形
‑
锥面密封结构密封比压求解方法，其特征在于：所述步骤S2包括：步骤S21：计算所述R形止口面与所述锥面的接触区域总长度L和所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构的总载荷F；步骤S22：利用求解得到的所述接触区域总长度L和所述总载荷F计算单位长度载荷f；步骤S23:结合所述R形止口的受力分析与所述单位长度载荷f求解垂直于所述R形止口接触区域的单位长度载荷f
N
；步骤S24:结合所述单位长度载荷f
N
和密封结构材料等效杨氏模量E
*
计算所述接触式圆柱形
‑
锥面密封结构接触区域的赫兹接触半宽b。5.根据权利要求4所述的接触式圆柱形
‑
锥面密封结构密封比压求解方法，其特征在
于：所述步骤S21包括：基于所述密封结构几何参数，在所述R形止口面与所述锥面相切的基础上，所述接触区域总长度L为：式中，d为接触式圆柱形
‑
锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹兴坤，刘红宝，李钦，万竞择，魏东，车明阳，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：