本文對彈簧直接作用式安全閥的密封特性進行了研究，通過對彈簧直接作用式安全閥實現(xiàn)密封的工作原理及各個密封件的密封力的分析，找到了影響彈簧直接作用式安全閥密封性的關鍵因素，提出了改善彈簧直接作用式安全閥密封性的方案。本文由上海五岳泵閥制造有限公司轉載分享，上海五岳為專業(yè)的安全閥廠家，主要生產(chǎn)各類彈簧式安全閥，先導式安全閥，并終身為使用單位提供相關產(chǎn)品技術支持。

　　0 引言?
　　彈簧直接作用式安全閥是安全閥眾多種類中的一種，其是將彈簧的載荷直接加載到閥瓣上以提供閥門關閉或密封所需的力，其密封是依靠密封副接觸面變形來實現(xiàn)的，因此，這種安全閥的前泄（非正常泄漏）成為了影響該閥在壓力系統(tǒng)的應用中最棘手的問題。?
　　1 彈簧直接作用式安全閥密封特性分析?
　　1.1 平衡狀態(tài)下的密封力 由于密封副的兩接合面不可能完全吻合，所以必須對密封副施加外力，使密封副產(chǎn)生彈塑性變形，消除介質得以泄漏的間隙。該外力是壓縮彈簧產(chǎn)生的，因此，從理論上講整個安全閥受力部件都會產(chǎn)生彈塑性變形，但由于關閉件很窄，其受力后的變形量比其它部件大得多，所以我們可以假設除關閉件為彈性體外，閥體、閥瓣、閥座都為剛體。?
　　圖1表示了彈簧直接作用式安全閥關閉狀態(tài)下作用力的示意圖。?
　　1.2 力平衡方程 當介質工作壓力為P，彈簧作用于閥瓣上的力為F時，關閉狀態(tài)下的密封力Qm與P有如下關系：?
　　Qm=FPA（1）?
　　其中：A：關閉狀態(tài)下，閥瓣與工作介質接觸的面積。?
　　1.3 物理方程 在工作過程中，彈簧的變形和關閉件的變形都處在材料的彈性變形范圍內，所以有：?
　　F=F0+KF？啄F（2）?
　　Qm=Qm0Km？啄m（3）?
　　其中：F0為P=0時彈簧加于閥瓣上的力；Qm0為P=0時關閉件的密封力；KF彈簧剛度；Km閥瓣部位關閉件剛度。?
　　P=0時：F0=Qm0。?
　　當P≠0時，彈簧相對于P=0時的變形量為δF；關閉件相對于P=0時的變形量為δm（這里取閥瓣部分為研究對象）。?
　　1.4 變形協(xié)調條件 在關閉狀態(tài)下，由于P的變化引起彈簧產(chǎn)生的變形量δF應該等于關閉件總的變形量，設關閉件閥瓣部分的變形量為δm，閥座部分變形量為δ′m，則有：δF=δm+δ′m（4）?
　　當閥的結構確定之后，在彈性變形范圍里，δm和δ′m應該有確定的比例關系，取比例常數(shù)為C′，則有δ′m=C′*δm，將此關系代入上式得：?
　　δF=（1+C）δm（5）?
　　取C=1+C′得δF=Cδm（6）?
　　由式（1）、（2）、（3）、（4）、（6）可得方程組?
　　Qm=FPAF=F0+KF？啄FQm=Qm0Km？啄mF0=Qm0？啄F=C？啄m（7）?
　　解方程組（7）可得：?
　　Qm=F10■PA（8）?
　　由式（8）可以看出關閉件密封力Qm與介質工作壓力P如圖2所示，呈現(xiàn)線性關系：?
　　■是直線Qm=Q（P）的斜率，A的大小是被安全閥的設計排量決定的，Km、KF和C被關閉件的材料和幾何尺寸所決定，當關閉件都由金屬構成時，一般都有Km>>KFC，于是■=1，就有：?
　　Qm=F0PA（9）?
　　當我們把Qm=0作為安全閥開啟的條件時，彈簧的初始預緊力F0應該滿足：?
　　F0=F0A（10）?
　　2 影響安全閥密封的因素?
　　由式（9）和（10）我們可以知道，“金屬—金屬”密封副的安全閥在關閉狀態(tài)時，密封力滿足：Qm=（P0P）A（11）
　　當P達到P1時，開啟壓力P0和工作壓力P1的差值（P0P1）按有關標準規(guī)定不得大于（0.03～0.1）P1[1]。由此可見，在安全閥中，彈簧的作用力超過介質作用力并不多，由于沒有很大的作用力施加在密封面上，所以金屬密封副的安全閥要保持密封性是十分困難的，因此在安全閥即將開啟前，往往會出現(xiàn)“前泄”現(xiàn)象。?
　　3 改善彈簧直接作用式安全閥密封特性的方案?
　　3.1 “金屬—非金屬”密封機構的安全閥 由于金屬密封面的硬度很高不易產(chǎn)生塑性變形，因此在同樣密封力的情況下，如果密封面采用非金屬的較軟材料就可以獲得較好的密封性。如圖3，是一種具有實際應用價值的“金屬—非金屬”密封機構的安全閥[2]。在這種結構中，利用了金屬可承擔較大負載的優(yōu)點，也利用了軟性材料在較小的密封力下，可以有較大的變形量，從而提高了密封性能。?
　　3.2 具有外置平衡機構的安全閥 如前分析，在安全閥即將開啟前，彈簧的作用力超過介質作用力并不多，所以金屬密封副的安全閥往往會出現(xiàn)“前泄”現(xiàn)象。因此如果能夠在安全閥即將開啟前給安全閥提供一個密封力的補償力，來提高此時的安全閥密封力，就可以解決安全閥的前泄問題了。在這種思想的指導下，文獻[3]提出了具有外置平衡機構的安全閥。所設計的安全閥應能靠本身結構產(chǎn)生平衡力，該力能在工作介質的壓力P<開啟壓力P0時，全部或部分平衡掉介質加在閥瓣上的力，使關閉件的密封力大于保持密封所需的最小密封力；當工作介質的壓力P？叟開啟壓力P0時，該平衡力能自動消失，閥瓣突開，實現(xiàn)安全閥準確排放介質的作用。此平衡機構大大地改善了彈簧安全閥的密封特性，解決了彈簧安全閥的前泄問題。