一种高可靠性高压气路安全阀

技术领域

本发明属于安全阀技术领域，特别涉及一种高可靠性高压气路安全阀。

背景技术

一般气路系统若工作正常，安全阀是无需启动工作的，但是无论气路系统具有多高的可靠性，在高压气路系统中，安全阀作为一项冗余设计都是必不可少的。高压气路系统安全阀(开启压力8MPa以上)相对低压气路系统安全阀具有密封可靠性差、体积大等缺点，一般高压气路系统安全阀常用一次性开关阀或破裂膜片阀来实现安全性控制，但是在导弹用气路系统及其他场合，我们会接触一些需要往复使用的高可靠性高压气路系统安全阀，该种安全阀的特点是密封可靠性高、可以往复使用、体积要小且开启后具有足够流量泄压等特点。

目前常见的安全阀一般有三种。第一种，先导式安全阀，其结构是导阀与主阀的并联形式，同样可实现高压密封，但是先导式安全阀由导阀控制主安全阀的开关，结构繁琐，体积及重量相对较大；第二种，平板式塑料密封副安全阀，该安全阀的密封方式为非金属塑料密封副，比较常规，常见于各种非金属高压密封副，但是，该密封方式依靠的不是橡胶圈的弹性变形，而是依靠塑料与金属密封副之间的密封比压，只有当所受力值大于材料的密封比压时，才有可能密封，因此，该形式的安全阀弹簧预紧力要大于其密封压力与气压的合力才可密封，这样一来，安全阀的启闭压差会很大，同时，密封可靠性较差，对密封副的质量要求过高，工艺性很差。第三种，普通胶圈的轴向密封式安全阀，普通胶圈无法承受高压压力，可能产生缩头或者胶圈被高压气挤出的问题。

所以需要设计一种安全阀，这种安全阀占用体积与质量尽可能的小，且安全阀作为气路的一个分支，在非工作状态需要可靠密封，开启后具有足够的泄压能力，同时压力恢复正常后，安全阀可以可靠关闭。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种高可靠性高压气路安全阀，采用一种新型活门组件，解决了上述三种安全阀结构繁琐，体积及重量相对较大、安全阀的启闭压差大，同时，密封可靠性较差以及普通胶圈无法承受高压压力，可能产生缩头或者胶圈被高压气挤出的问题。

本发明采用的技术方案是：一种高可靠性高压气路安全阀，壳体一端设有入口管嘴，另一端连接调整螺套并通过锁紧螺母锁紧，壳体内从入口管嘴至调整螺套方向依次安装活门组件和弹簧组件，所述壳体侧壁靠近入口管嘴处设有排气孔，所述活门组件包括导向活门、胶圈和紧固螺钉，所述导向活门上加工有胶圈槽和螺纹孔，胶圈装入胶圈槽通过紧固螺钉与导向活门的螺纹孔螺纹连接将胶圈定位。

优选的，所述胶圈为内嵌一个金属环外部由橡胶材质包裹的环状结构，胶圈采用模压一体成型，内嵌金属环的优点主要是使相同外廓尺寸的胶圈的整体压缩变形量变小，防止胶圈在受到高压气体作用产生“缩头”过多的现象，同时内嵌金属环可保护胶圈受高压气体时不被从胶圈槽中吹出。

优选的，所述胶圈的顶面带有凸出的圆弧，圆弧面高于导向活门顶面，所述胶圈的底面带有凸出的圆弧结构，所述胶圈与紧固螺钉接触面为斜面，顶面侧的圆弧用于保证安全阀正向密封性，底面侧的圆弧被压在胶圈槽底，防止胶圈槽底受到非正常进入的高压气体冲击。胶圈的密封原理是压缩达到变形，压缩量达到一定程度才能实现密封，例如正常O型圈的密封压缩变形量在10％-30％，将胶圈底面设置圆弧结构，该圆弧与非金属配合位置的非金属压缩变形量增大，有利于实现密封，阻止高压气体流通。

优选的，所述紧固螺钉一侧为钉头另一侧为螺纹段，所述紧固螺钉的螺纹段与导向活门螺纹连接，所述紧固螺钉的钉头为圆台形结构，钉头的圆台形侧面设有两段圆弧结构，两段圆弧结构与胶圈的斜面紧密配合，当受到高压气体正面冲击时，其具有自密封的特点，即正面冲击力越大，自密封性越好。

优选的，所述壳体侧面开设4-6个排气孔，排气孔的大小满足流通2L/s—2.5L/s的体积流量的气体，经设计计算即可通过控制安全阀出口流通面积来控制流量，进而控制活门在关闭状态及开启后状态的受力变化，活门的受力面积在开启后增大，具有补偿面积。

优选的，胶圈的内嵌金属环的材质为铜、不锈钢或铝合金，加工工艺性好。

优选的，所述胶圈的外部橡胶包裹的厚度最小处不小于0.04倍胶圈直径，既满足胶圈压缩变形量的范围，又增加了胶圈自重提高胶圈性能。

本发明的有益效果是：本发明结构紧凑，体积小巧，相较于同等体积的其他安全阀流量超过其3倍以上，采用新型活门组件，密封圈密封可靠，能够实现高压启闭压差小，在非工作状态密封可靠，开启后具有足够的泄压能力，同时压力恢复正常后，安全阀可以可靠关闭，安全阀开启高度达到1mm。

本发明采用嵌入式金属环的橡胶结构代替传统阀门中的硬塑料或金属密封，与导向活门和紧固螺钉形成了紧密而稳固的活门组件，金属环的设计使产品具有密封的可靠性并安全阀开启后，可受高压气源的冲击；同时，异型橡胶与异型紧固螺钉的配合，使胶圈具有自密封性能，槽底无法进入高压气体，橡胶圈可以稳定的被固定于紧固螺钉与活门之间。

另外，本发明安全阀的卸荷式结构，安全阀在开启后，若不设置出口节流孔即排气孔，密封面的压力会有所下降，因此设计排气孔的面积为定体积流量，在该流量下，活门受到气体冲击的面积将受到排气阀节流的影响而憋压，在该压力的作用下，安全阀一旦打开后，受力面积将增大，推动活门组件达到全开，达到定流量泄压的效果。

附图说明

图1为一种高可靠性高压气路安全阀结构示意图；

图2为活门组件结构示意图；

图3为胶圈结构示意图；

图4为导向活门结构示意图；

图5为紧固螺钉结构示意图；

图6为图4的A处局部放大图。

附图标记：1-入口管嘴，2-排气孔，3-活门组件，4-壳体，5-弹簧组件，6-调整螺套，31-胶圈，32-导向活门，33-紧固螺钉，311-金属环，312-橡胶，321-胶圈槽，322-螺纹孔，331-两段圆弧。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，一种高可靠性高压气路安全阀，壳体4一端设有入口管嘴1，入口管嘴1与壳体4连接一体，另一端连接调整螺套6并通过锁紧螺母锁紧，壳体4内从入口管嘴1至调整螺套6方向依次安装活门组件3和弹簧组件5，壳体4侧壁靠近入口管嘴1处设有排气孔2，排气孔2的数量为4～6个，沿侧壁等夹角均布，排气孔2的大小满足流通2L/s—2.5L/s的体积流量的气体，排气孔2的一侧内壁与入口管嘴1的内底面相平，使通过入口管嘴1入口进入的压力达到设定值后转移节流位置至排气孔2处。活门组件包括导向活门32、胶圈31和紧固螺钉33，导向活门32上加工有胶圈槽321和螺纹孔322，胶圈31装入胶圈槽321通过紧固螺钉33与导向活门32的螺纹孔322螺纹连接将胶圈31定位。

如图3所示，胶圈31为内嵌一个金属环311外部由橡胶312包裹的环状结构，胶圈31的外部橡胶312包裹的厚度最小处不小于0.04倍胶圈31直径。胶圈31的内嵌金属环311的材质为铜、不锈钢或铝合金，胶圈采用模压一体成型，内嵌金属环311的优点主要是使相同外廓尺寸的胶圈的整体压缩变形量变小，防止胶圈31在受到高压气体作用产生“缩头”过多的现象，同时内嵌金属环311可保护胶圈31受高压气体时不被从胶圈槽中吹出。胶圈31的顶面带有凸出的圆弧，圆弧面高于导向活门32顶面，胶圈31的底面带有凸出的圆弧结构，胶圈31与紧固螺钉32接触面为斜面，胶圈31顶面侧的圆弧用于保证安全阀正向密封性，底面侧的圆弧被压在胶圈槽321底，防止胶圈槽321底受到非正常进入的高压气体冲击。胶圈31的密封原理是压缩达到变形，压缩量达到一定程度才能实现密封，例如正常O型圈的密封压缩变形量在10％-30％，将胶圈31底面设置圆弧结构，该圆弧与非金属配合位置的非金属压缩变形量增大，有利于实现密封，阻止高压气体流通。

如图4和图6所示，导向活门32的胶圈槽321在槽的侧壁靠近底面处加工有向槽内凸出的圆弧段，该处圆弧段与胶圈31的外侧壁紧密贴合。胶圈槽321的槽底与螺纹孔322连通，且两者之间设有直角阶梯过渡段与紧固螺钉的对应位置相配合。

如图5所示，紧固螺钉33一侧为钉头另一侧为螺纹段，钉头处加工有内六角孔，紧固螺钉33的螺纹段与导向活门32螺纹连接，紧固螺钉33的钉头为圆台形结构，钉头的圆台形侧面设有两段圆弧331的结构，两段圆弧331与胶圈31的斜面紧密配合，当受到高压气体正面冲击时，其具有自密封的特点，即正面冲击力越大，自密封性越好。

以下结合具体实施例，详细描述本发明。

影响安全阀工作的指标主要有：入口压力、胶圈31的密封直径、排气孔2总面积，本实施中设计安全阀的开启压力：15MPa(2-20MPa可调)；密封压力：13MPa(随调整压力改变)；流量2L/s-3L/s(额定压力下)，密封副的密封处直径为7mm，弹簧预紧力为500N，弹簧刚度80N/mm，安全阀在未工作状态或气体压力未超过13MPa时，胶圈31与壳体4之间紧密贴合，形成密封，随着气体压力持续增高，当气体压力克服弹簧预紧力时，活门打开，气体流过胶圈31从排气孔2排出，此时入口的流量持续增大，气体压力持续增高至15MPa，排气孔2开始产生节流，活门受气动力增大，活门达到全开泄压，流量达2L/s以上，当气体压力降至12MPa以下时，活门关闭。

在安全阀的设计上，为了使安全阀在开启后具有足够的泄压能力(卸荷式)，将安全阀的侧面开设4-6个排气孔2，排气孔2的大小在设计上刚好可供流通2L/s—2.5L/s的体积流量的气体，经设计计算即可，通过控制安全阀出口流通面积来控制流量，进而控制活门在关闭状态及开启后状态的受力变化，活门的受力面积在开启后增大，具有补偿面积，入口管嘴1对应的中心区域为高压入口区，高压入口区的外圈为中压补偿区，再向外至排气孔2处则为超临界流动出口，为大气压区域，一般平板式安全阀均为微启式安全阀，开启高度不大于流通直径的0.05倍，气体经过节流缝时为超临界流动，经过节流缝后的压力接近大气压；为打破微启式状态，使阀门达到全启式，本发明通过控制排气孔2的大小来控制安全阀开启后的受力面积，转移超临界流动位置，将超临界流通位置设计在安全阀出口喷嘴处，从而达到安全阀开启高度可以达到1mm以上的全开效果。当力恢复至正常压力以下后，活门关闭，重新进入密封状态。经排气孔2节流后，气体经安全阀排出的整个过程中，气体的排气最受阻的位置便是排气孔2位置，这样一来，胶圈31的位置流速不至于过大(超过340m/s)；反之，若安全阀侧面开设的排气孔2随意开设，或开设排气孔2过大，安全阀的整个气体排放过程，最受阻的位置(喉部)将变为胶圈31与壳体4之间的间隙。按照安全阀的设计理论，一般安全阀可开启的高度在0.1mm-0.3mm左右，而本发明的安全阀开启高度达到1mm，为实现该功能，需要通过转移节流位置的办法，当安全阀的开启高度达到0.1mm以上后，节流位置由活门组件3与壳体4之间变为排气孔2处，安全阀芯的受力面积随之变大，以此达到1mm以上的开启高度。

活门组件3为一回转体，由内嵌异型铜环的胶圈31、紧固螺钉33和导向活门32组成，其中内嵌铜环的胶圈为一体结构，铜环被橡胶312包裹模压成型，为新型成型工艺技术，橡胶312为丁腈橡胶或其他材料胶料，橡胶312的特点是质地柔软，受力产生弹性形变后具有良好的密封性，相对其余非金属例如氟塑料密封形式，该橡胶具有密封可靠的优点，但是橡胶软糯的特性使其在使用时具有弊端，其缺点1是若用在高压场合，当安全阀开启后，橡胶在受侧向高压气动力的作用，高压气动力将橡胶挤变形后，橡胶槽底进入高压力，此时橡胶容易从胶圈槽中挤出失效，缺点2是橡胶的柔软性导致在高压气动力的作用下，橡胶被完全压入胶圈槽，发生“缩头”的现象，此时，安全阀在未开启状态密封失效，因此，需要在橡胶312内部嵌入一个大小合适的金属环311来弥补上述缺点，达到最佳的密封效果。

以上所述是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，任何基于本发明技术方案基础上的任何修改、等效变换，均应包含在本发明的保护范围之内。