单向阀用橡胶弹簧的设计

侯曙光

（江门职业技术学院，江门 529000）

为了提高市场竞争力，满足客户需求，企业迫切需要提高生产效率。本文结合生产实际需要，针对特定产品的使用性能和加工过程，提出了橡胶弹簧的开发设计方案。从生产实践看，该方案满足了客户的使用要求，提高了生产效率，降低了生产成本，为企业创造了更多的利润空间。

1 问题描述

通过动力源带动执行机构往复运行，实现单向阀的开启和闭合，进而完成吸取和压出工作介质的目的，结构原理如图1所示。通过结构图可以看出，阀体的安装面需要和其他部件配合，阀座和支架在轴向上的尺寸要满足和阀体孔的配合需要。在实际的加工过程中，由于三个零件尺寸公差的累积，通过尺寸链（图1）的计算，公差累积在0.15mm，而且阀体孔的轴向尺寸、阀座的厚度及支架的高度尺寸公差要求非常严格，加工效率低下，成本高。人们可以通过选配法、分组法、修配法等来提高装配精度，但是产品的互换性难易保障，尤其是给后期的售后维护带来更高的成本投入，进一步降低产品利润。

各个阀孔的累积值是不同的，如果累积的是负值，那么在实际运行过程中，就会出现阀座和支架沿轴向窜动，使密封圈快速磨损，让窜动加剧，产生噪音、泄露和组件的损坏，影响设备的使用寿命；如果累积的是正值，就会引起泄露。

2 设计思路

针对产品特点，要提高产品的性能，首先要解决公差累积给产品带来的负面影响。由于一台设备由多个吸取和压出的单向阀，尺寸很难控制一致，因此产品的使用寿命很容易受到该部件的影响，尤其是高频运行时，产品的性能将会受到更大的考验。

为了延长产品的使用寿命，提高产品的性能和生产效率，有必要针对该问题进行优化设计。由于设备涉及多个装配体的配合，常规的锁紧或紧定很难满足尺寸链累计的公差，需要借助某种方式来消除或者自动补偿尺寸来满足要求。考虑实际的运行工况，笔者决定利用橡胶弹簧的优点来解决公差累积的问题。

橡胶弹簧是一种高弹性体，弹性模量小，受载后有较大的弹性变形，具有较高的内阻，对冲击和高频振动的吸收以及隔音具有良好的效果。同时，其减振效果好、共振领域小、使用寿命长、成本低，具有优良的气密性、防水性，是减振的最佳选择。

具体的改进结构如图2所示，通过添加橡胶弹簧来补偿公差累积，同时降低产品运行时的噪音，使产品满频运行时的噪音由原来的80Hz降低到55Hz；阀体孔的磨损也大大减弱，延长了产品的使用寿命。生产实践表明效果良好。

图1 结构原理及尺寸链

图2 改进后的结构

3 橡胶弹簧的设计与计算

通过橡胶弹簧对轴向间隙进行补偿，结合具体产品，采用圆环型橡胶弹簧，材料为丁腈橡胶，肖氏硬度60HS，预紧力20N，预压0.15～0.25mm，确保预压面足够大。结构如图3所示，根据实际产品（阀体孔的内径、阀座内孔的孔径、阀弹簧的自由高、并圈量以及对应压缩量的压力值）设计外径D1、内径D2、厚度H、弹簧的强度等约束条件进行优化设计。

图3 橡胶弹簧结构图

橡胶材料的弹性模量E和切变模量G的关系为：

在该结构中，环槽起到关键作用，环槽的深度H1设置为0.4mm，考虑到阀体孔、阀座、支架的公差累计，安装时确保橡胶弹簧的预压缩量保持在0.15～0.25mm。在设备开始运行时，橡胶弹簧的厚度尺寸补偿了装配体的轴向公差累积，运行过程中工作介质会进入环槽增加橡胶弹簧的刚度，满足强度要求。

4 结语

通过样机调试，将试制的产品进行验证，通过协调改善橡胶弹簧的质量，已经可以满足使用要求。由于结构设计的改进，阀体孔的轴向尺寸公差可以放宽到0.1mm，让孔的加工很容易达到，同时阀座厚度尺寸公差和支架高度尺寸公差也适当放宽，以提高加工效率、降低成本。目前，已经批量生产，实践表明，设备振动噪音降低超过30%，同时产品的性能和生产效率提升，生产成本得到降低。

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