【摘 要】
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伴随航空航天、能源动力、汽车船舶等国家重大工程的飞速发展,功能各异的弹簧式阀门关重件在各类高端装备中得以广泛应用。此类零件关键配合副尺寸较小且服役于强负载的低温极端工况,极大地增加了其服役性能提升与可靠密封的难度,因此异型面设计与表面功能结构得以应用于此类零件。然而,上述方法仍从理想密封接触状态出发,即阀芯与阀座处于严格对中状态,忽略了导向间隙引起的压痕不重叠致使的密封泄漏问题,导致低温工况下阀门
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伴随航空航天、能源动力、汽车船舶等国家重大工程的飞速发展,功能各异的弹簧式阀门关重件在各类高端装备中得以广泛应用。此类零件关键配合副尺寸较小且服役于强负载的低温极端工况,极大地增加了其服役性能提升与可靠密封的难度,因此异型面设计与表面功能结构得以应用于此类零件。然而,上述方法仍从理想密封接触状态出发,即阀芯与阀座处于严格对中状态,忽略了导向间隙引起的压痕不重叠致使的密封泄漏问题,导致低温工况下阀门密封失效。鉴于此,本文开展了典型低温弹簧式单向阀回座仿真分析与功能结构优化设计研究,并提出了基于半静密封失效分析的阀芯功能结构优化设计方法与虑及阀门服役性能的回座仿真分析方法,具体研究内容如下:（1）虑及低温阀门服役性能的回座仿真分析方法。开展低温单向阀CFD稳态仿真分析,探究不同开度下阀门流场特性与流体输送能力;基于CFD瞬态仿真分析阀门回座过程并求解得到阀芯所受载荷-时间曲线;基于阀芯回座过程显式动力学仿真探究阀门回座过程中应力、位移及温度等参数的变化规律,分析阀门密封副回座特性。（2）基于阀门半静密封失效分析的阀芯功能结构优化设计方法。结合阀门工作特性与密封副表面形貌判定阀门失效原因为导向间隙引发的阀芯偏转;求解不同导向间隙下阀芯轴线最大偏转角度,构建阀芯偏转模型;基于阀芯偏转角度与功能结构参数的几何关系,以阀芯与阀座不产生干涉为约束,得到阀芯功能结构几何参数可行域。（3）再设计单向阀回座仿真分析与密封结构优选方法。探究多工况下功能结构对阀门流体域流动规律的影响,判断对阀门流体输送过程影响显著的临界开度;分析回座过程中不同功能结构参数对阀门流场特性的影响,并提取阀芯回座运动曲线;对比是否引入功能结构的阀芯回座过程动力学仿真结果,探索功能结构对阀芯回座及对中过程的影响机制;综合阀门通路流量、阀芯表面压痕及配合副径向位移等因素,得到阀芯功能结构参数优选区间为倾斜角度(30°,60°]、深度[0.1mm,0.2mm]。（4）开展综合实验验证功能结构诱导阀芯回座方法的可行性。搭建面向低温弹簧式阀门的实验平台,开展综合实验验证本文功能结构诱导阀芯回座以提升阀门半静密封性能方法的可行性;综合实验结果表明,与原单向阀相比,再设计阀门分别降低了37%以上的阀芯表面压痕深度及34%以上的压痕分布范围。本文提出的弹簧式阀门回座仿真分析与功能结构优化设计方法可以显著提升阀门密封副配合状态的一致性,抑制由压痕不重叠及密封副接触不连续引起的半静密封失效问题,有效提高低温弹簧式阀门的密封性能,具有显著的科研与工程应用价值。
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