一种抗力学冲击浮动阀座的硬密封安全阀的制作方法

1.本发明涉及液体火箭发动机系统，具体涉及一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀。


背景技术：

2.安全阀是启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值的特殊阀门。
3.在液体火箭发动机领域，安全阀是液体火箭发动机系统中常用的一种阀门，其作用是对系统进行超压保护。目前常用的是金属密封安全阀和非金属密封安全阀，传统的正向作用式金属硬密封安全阀具有结构简单、启闭压差小、适用温度范围宽等优点，广泛应用于液体火箭发动机系统中。但随着航天技术的不断发展，液体火箭发动机系统所处的力学环境条件越来越恶劣，其中有种发动机系统对安全阀提出了8000g的冲击要求，导致传统的正向作用式金属硬密封安全阀经历冲击力学环境后，因打开压力降低而出现介质泄漏超标的现象，从而影响其使用的安全性及使用寿命。而非金属密封安全阀耐受力学环境的能力虽然优于金属硬密封结构，但同时也存在高、低温下和长时间贮存后，打开压力和关闭压力偏离，而导致介质泄漏超标的现象，不能满足液体火箭发动机系统使用的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀，主要解决现有安全阀在经历冲击力学环境后密封性差，介质容易泄漏及使用寿命短的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下解决方案：
6.一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀，其特殊之处在于，包括：
7.阀体，其为中空圆柱体，沿轴向从前至后依次设有螺母导向段、阀座导向段和阀芯导向段；所述阀芯导向段的后端内侧设有与之连接的盖板，所述盖板后端与阀芯导向段后端齐平；
8.阀座，为中空柱状结构，其轴向安装于所述阀座导向段内，所述阀座外侧设有多个环形凹槽，所述环形凹槽内置有密封圈；阀座内侧沿轴向设有相连的第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔连接处设有第一锥面，第一通孔后端内侧设有第二锥面；所述阀座轴向的长度小于阀座导向段的长度；
9.阀芯，为带限位凸台的柱状结构，其轴向安装于所述阀芯导向段内，所述阀芯包括大柱段和与大柱段圆角过渡连接的小柱段；所述大柱段外侧沿轴向对称设置有多个方扁，内侧前端设有弹簧槽，并装有弹簧，所述弹簧的后端与盖板的前端接触限位；所述小柱段外侧前端端面设有与第二锥面对应的第三锥面，内侧后端为中空结构；所述小柱段前端伸入阀座导向段，使得第三锥面与所述阀座的第二锥面接触形成密封副；
10.限位螺母，其为圆环结构，螺纹设置于螺母导向段内侧；
11.所述阀座、阀芯与阀体之间均为间隙配合，且阀座与阀体的配合间隙大于阀芯与阀体的配合间隙。
12.进一步地，所述阀体、阀座与阀芯的前端形成第一出口容腔，经过阀座与阀芯的介质在此汇集；
13.所述阀体、盖板与阀芯的后端形成第二出口容腔，从第一出口容腔经过阀芯外侧的介质在此汇集；
14.所述第一出口容腔与第二出口容腔之间通过阀芯大柱段外侧的多个方扁形成通道连通。
15.进一步地，所述阀芯导向段的前端设有连通第一出口容腔的多个第一出口；向系统外排放介质，防止管道或设备内介质压力超过规定数值，后端设有连通第二出口容腔的多个第二出口，保证阀芯开启后，在阀芯前后形成一定的压差，使阀芯维持在稳定的开度，提高安全阀的工作稳定性。
16.进一步地，所述阀座导向段和阀芯导向段之间还设有限位凸台，实现阀座轴向浮动位移的限位。
17.进一步地，所述第一锥面的角度为45
°
，以此减小介质排放时的流阻，从而稳定流场；
18.所述第二锥面的角度为90
°
～90.5
°
，锥面宽度为0.2～0.3mm；所述第三锥面的角度为89.5
°
～90
°
，锥面宽度为2～3mm，第二锥面和第三锥面的角度偏差是为了进一步提高密封性；同时第三锥面宽度大于第二锥面宽度是为了保证第二锥面始终与第三锥面贴合，形成密封副，提高安全阀的密封性。
19.进一步地，所述阀座与阀体的间隙配合为0.1～0.15mm，阀芯的大柱段与阀体的间隙配合为0.02～0.067mm，各间隙的存在是为了给阀座、阀芯在受径向冲击载荷时，提供径向运动的空间，从而保护第二锥面不受损伤，提高抗径向的冲击环境适应性。
20.进一步地，所述方扁的个数为2个或4个或6个，具体结构设计取决于阀芯横截面积的设计。
21.进一步地，所述阀座与阀座导向段的长度差为1.0～1.5mm，以此实现浮动连接，避免阀芯与阀座的密封面受到过大的轴向冲击力而挤压变形。
22.进一步地，所述第一出口的个数为4个；所述第二出口的个数为8个。
23.进一步地，所述密封圈选用橡胶材质，密封效果较佳，且对阀体内部磨损较小。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.(1)本发明中阀座采用浮动设计，通过阀座与限位凸台轴向预留一定的活动位移空间，构成轴向缓冲结构；阀座径向外侧采用橡胶材质的密封圈，形成径向缓冲结构，降低冲击力学环境对安全阀的阀芯和阀座结合处的密封面的损伤，以此来实现本发明的抗力学冲击浮动阀座的硬密封、长寿命的安全阀的性能。
26.(2)本发明中当发动机系统未增压时，安全阀阀芯密封面处于小应力状态；随着安全阀入口压力的逐渐升高，阀座在介质作用下，推动阀芯一起向后运动，阀芯的第三锥面应力逐渐增大，当阀座运动至阀体限位凸台处，则阀座停止运动。当入口压力进一步升高时，作用在阀芯第三锥面上的介质力克服弹簧力，阀芯与阀座脱开，阀芯开启排放压力。随着安全阀入口压力的逐渐降低，阀芯逐渐关闭，当入口压力进一步降低时，在弹簧力的作用下，
阀芯连同阀座一起向前运动至限位螺母后端面，阀座和阀芯的密封面恢复小应力状态，即本发明在非工作状态下，第三锥面所受的作用力小，其始终处于小应力状态，从而有利于延长密封面的使用寿命，实现安全阀长寿命的目的。
27.(3)本发明中弹簧安装槽设置在阀芯内部，阀芯采用薄壁导向，可使阀芯重量由17.7g缩减至2.8g，整个弹簧振子系统的总重量可将至7.2g，极大的减小了力学冲击给阀芯带来的惯性力，避免了阀芯与阀座密封面的损伤，提高了安全阀的使用寿命。
28.(4)本发明中阀座与阀芯采用第二锥面对第三锥面的硬密封结构，且第二锥面与第三锥面的宽度存在宽度差，此设计具有自动找正、密封性能好、启闭压力差小等特点；同时增强阀芯与阀座的材料强度，可进一步改善安全阀复位后的密封性。
附图说明
29.图1为本发明一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀实施例的结构剖视图。
30.图2为本发明一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀实施例的阀体内部结构示意图。
31.图3为本发明一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀实施例的阀座结构剖视图。
32.图4为本发明图3中第二锥面25的放大图。
33.图5为本发明一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀实施例的阀芯结构剖视图。
34.图6为本发明图5的右视图。
35.图7为本发明一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀实施例开启状态的结构示意图。
36.图中：
37.1-阀体，2-阀座，3-阀芯，4-弹簧，5-盖板，6-密封圈，7-限位螺母，11-阀芯导向段，12-阀座导向段，13-螺母导向段，14-限位凸台，21-环形凹槽，22-第一通孔，23-第二通孔，24-第一锥面，25-第二锥面，31-大柱段，32-小柱段，33-方扁，34-弹簧槽，35-第三锥面，41-第一出口容腔，111-第一出口，42-第二出口容腔，112-第二出口。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀作进一步详细说明，根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，需要说明的是，本发明中所用的术语“前端”“前”等指靠近螺母导向段13一端，即流体入口一端，“后端”“后”等指远离螺母导向段13一端，即流体出口一端，术语“第一”“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.结合图1和图2，本发明提供一种抗力学冲击浮动阀座硬密封安全阀的阀体1，其为中空圆柱体，沿轴向从前至后依次设有螺母导向段13、阀座导向段12和阀芯导向段11；阀芯导向段11的后端内侧设有与之连接的盖板5，盖板5后端与阀芯导向段11后端齐平。阀座导向段12和阀芯导向段11之间还设有限位凸台14,实现阀座的轴向浮动。
40.结合图1，图3和图4，本安全阀的阀座2为中空柱状结构，其轴向安装于阀座导向段
12内，阀座2外侧设有多个环形凹槽21，环形凹槽21内置有密封圈6，与阀体1通过密封圈6径向密封，密封圈6选用橡胶材质，其密封效果佳，且当阀座2轴向活动时，可以形成径向缓冲结构，从而降低了冲击力学环境对安全阀的阀座2和阀芯3密封面的损伤。阀座2内侧沿轴向设有相连的第一通孔22和第二通孔23，第一通孔22和第二通孔23连接处设有第一锥面24，第一锥面24的角度为45
°
，以此减小介质排放时的流阻，从而稳定流场；第一通孔22后端内侧设有第二锥面25，第二锥面25的角度为90
°
～90.5
°
，宽度为0.2～0.3mm；第二锥面25和第三锥面35的角度差保证了阀芯3和阀座2的密封性；第三锥面35的锥面宽度大于第二锥面25的锥面宽度保证了阀座2与阀芯3的接触面贴合，形成密封副，提高了安全阀的密封性；阀座2轴向的长度小于阀座导向段12的长度，二者的长度差为1.0～1.5mm，形成了轴向缓冲结构，进而实现阀座2的浮动设计，避免阀芯3与阀座2的密封面受到过大的轴向冲击力而挤压变形。
41.结合图1，图5和图6，本安全阀的阀芯3为中空台阶柱状结构，其轴向安装于阀芯导向段11内，阀芯3包括大柱段31和与大柱段31圆角过渡连接的小柱段32，圆角过渡设计有利于稳定流场；大柱段31外侧沿轴向对称铣有多个方扁33，内侧前端设有弹簧槽34，并装有弹簧4，弹簧4的后端与盖板5的前端接触限位；小柱段32外侧前端端面设有与第二锥面25对应的第三锥面35，小柱段32内侧后端为中空结构，中空结构进一步减轻了阀芯的重量，阀芯重量越小，在相同弹簧力的作用下，有利于抵抗力学冲击。小柱段32前端伸入阀座导向段12，使得第三锥面35与阀座2的第二锥面25接触形成密封副，进一步提高安全阀的密封性。第二锥面25和第三锥面35的设计，实现了阀座2与阀芯3的硬密封，将安全阀入口和出口隔离，此结构具有启闭压差小的特点。第三锥面35的角度为89.5
°
～90
°
，锥面宽度为2～3mm，一般地，第三锥面35材料的硬度越高，阀芯3的使用寿命越长。
42.如图6所示，阀芯3的大柱段31外圆对称设置有四个方扁33，方扁的大小取决于大柱段31的横截面积s，横截面积s的大小又与第一出口容腔41的压力ph有关，即假设弹簧4的安装力为ft，则阀芯3的回座压力ph＝ft/s；阀芯3圆周也可以铣成两扁结构或四方扁或六方扁，其结构设计取决于阀芯3的横截面积s的具体设计。
43.如图1所示，本安全阀的限位螺母7其为圆环结构，螺纹设置于螺母导向段13内侧，作为介质通道的入口。阀座2、阀芯3与阀体1之间均为间隙配合，且阀座2与阀体1的配合间隙大于阀芯3与阀体1的配合间隙。本实施例中，阀座2与阀体1的间隙配合为0.1～0.15mm，阀芯3与阀体1的间隙配合为0.02～0.067mm。间隙存在的意义是为了给阀座2、阀芯3在受径向力冲击载荷时，提供足够的径向运动空间，若出现径向冲击载荷，则阀芯3径向运动先与阀体1限位，阀芯3的第三锥面35推动阀座2的第二锥面25也沿径向移动，而阀座2外侧设有密封圈6，本身即可起到径向缓冲作用，从而保护阀座2的第二锥面25不受损伤，提高抗径向的冲击环境适应性。
44.阀体1、阀座2与阀芯3的前端形成第一出口容腔41；阀体1、盖板5与阀芯3的后端形成第二出口容腔42；第一出口容腔41与第二出口容腔42之间通过阀芯3大柱段31外侧的多个方扁33形成通道连通。阀芯导向段11的前端设有连通第一出口容腔41的多个第一出口111；后端设有连通第二出口容腔42的多个第二出口112，作为一种优选方案，第一出口111的个数为4个；第二出口112的个数为8个，可保证本发明的安全阀在工作时既可及时排出介质，同时也可保证安全阀内部压力的稳定，进而提供装置的工作稳定性。
45.结合图1和图7，本发明的工作原理是：
46.当发动机系统未增压时，安全阀阀芯3的第三锥面35处于小应力状态；随着安全阀入口压力的逐渐升高，阀座2在介质的作用下，推动阀芯3一起向后运动，阀芯3第三锥面35应力逐渐增大，当阀座2运动至阀体1的限位凸台14处时，则阀座2停止运动。
47.当入口压力进一步升高时，作用在阀芯3第三锥面35上的介质力克服了弹簧4的弹簧力，将弹簧4压缩，则第三锥面35和第二锥面25分开，即阀芯3与阀座2脱离开，阀芯3开启并排放压力。
48.随着安全阀入口压力的逐渐降低，阀芯3逐渐关闭，则第三锥面35和第二锥面25贴合，即阀芯3和阀座2接触，当入口压力进一步降低时，弹簧4逐渐回复至初始状态，同时，在弹簧力的作用下，阀芯3推动阀座2向前运动至限位螺母7的后端面，阀芯3的第三锥面35恢复小应力状态。本发明在非工作状态下，第三锥面35所受的作用力小，第三锥面35始终处于小应力状态，从而有利于延长第三锥面35和第二锥面25贴合时密封面的使用寿命，实现安全阀长寿命的目的。
49.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。