阀门设计基本理论研究与探讨

姚一杰

（日丰企业集团有限公司，广东佛山528137）

阀门设计基本理论研究与探讨

姚一杰

（日丰企业集团有限公司，广东佛山528137）

针对阀门设计的“设计输入及验证输出”“设计思维5大因素”“设计的失效模式分析”等基本理论进行研究，探索了阀门设计的关键思路、关键理念，提高了阀门设计水平，促进了产品设计社会效益、经济效益的提升。

设计思维；失效模式；泄漏；原材料

阀门是流体管路的控制装置，其基本功能是接通或切断管路介质的流通，改变介质的流动方向，调节介质的压力和流量，保护管路设备的正常运行。

随着现代工业的不断发展，阀门需求量不断增长。由于阀门的用量庞大，由各种原因造成的阀门泄漏，不仅对环境造成了严重影响，也造成严重的原材料和产品的浪费，有时还会引起严重的安全事故。

设计不良是造成阀门泄漏最为重要的因素。由于碰伤、划伤引起的泄漏一般是个别现象，如果设计考虑不周而形成的泄漏，往往是不易发现的批量问题。从某种意义上讲，一个好的设计方案可以避免很多质量问题。因此，研究阀门设计理论、提高阀门设计水平非常必要，具体如图1所示。

图1 阀门设计基本理论图

1 设计输入及验证输出

“设计输入及验证输出”是阀门设计的重要基本理论，设计输入是否充分、完善、明确，直接影响着设计方案的验证输出效果。在进行产品设计之前，必先明确设计输入内容，而设计输入又要通过产品测试逐一验证，确保在设计方案中充分体现。在实际设计中，往往出现了在没有完全弄清设计输入的情况下，匆忙展开设计活动，导致结果差强人意，造成大量资源的浪费。

设计输入，即明确产品设计的各种要求，主要包括以下几个方面的内容：①明确产品的使用环境，比如工作介质、工作压力、工作温度等。②功能要求。即开发什么功能和用途的产品，确定开发设计的阀门类型、型号、规格、连接方式、驱动方式等基本信息。③性能要求。确认产品需要符合的标准条款、法律法规、认证要求、性能指标等。④参照信息。收集新品开发所参照类似品的经验信息。⑤产品定位。确定产品档次、顾客群体。⑥附加要求。即销售或顾客提出的其他要求，比如成本要求、打印LOGO信息等。

2 设计思维因素

阀门设计是一个综合考虑工艺、装配、功能、性能、成本等因素的综合思维活动，工艺、装配是保障，功能是目的，性能、成本是优化指标。只有综合考虑各种因素，才能设计出比较令人满意的设计方案。

设计的工艺因素即阀门设计应充分考虑工艺的实现性，可以实现质量稳定的批量生产。为了方便工艺实现，对产品类似结构特征，可以进行标准化设计，便于刀量夹具的借用。

设计的装配因素即设计方案的多个零件能顺利实现组装，互相组装的零件要有装配面（内六角或外六角），尽量选用便于装配的零件结构（比如装配不需区分安装方向的对称结构等）。对于尺寸相近的零件，尽量做成共用件，方便管理；对于无法共用的零件，做出区别，避免混料。

设计的功能因素即开发产品所实现的基本功能，比如截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。此外，阀门产品应尽量操作简单，同时，便于安装拆卸、维护更换，对于调节类阀门，还应设计防误操作功能。

设计的性能因素即产品的使用安全性、可靠性，不会对使用者、使用环境造成损伤，具备一定的强度要求，比如机械性能（扭矩、弯矩）、耐压性能（低压、高压）、耐温性能（高温、低温、冰冻）、疲劳强度（冷热水循环、抗脉冲性、寿命）、环境模拟适用性等。设计的成本因素，即实现技术功能、满足预定技术性能要求的同时，尽量优化结构，用尽量少的零件个数实现产品结构特征，用尽量简单的加工工艺实现零件加工生产，降低工程造价和产品价格，对社会产生积极作用（避免环境污染，维护生态平衡，促进生产力发展）。

3 失效模式分析

风险点评估或称设计的失效模式分析，主要是研究产品失效可能带来的后果，由此而形成的损失，通过分析，采取防范措施，以尽可能地减少或降低失效后果。在风险评估时，需重点确认设计输入是否完善，设计方案是否存在薄弱环节，密封结构是否可靠，找出可能存在的风险点予以优化。

泄漏是最常见的阀门失效形式，导致阀门泄漏的主要原因有连接失效、壳体泄漏、密封失效等。连接失效通常表现为连接螺纹过短、螺牙过细或连接部位壁厚过薄形成的强度不够，使用一段时间后出现连接失效泄漏，需加强连接部位的强度设计。壳体泄漏多为工艺缺陷（比如砂眼）或加工内应力所致，需要改善加工工艺，增加去应力退火等；对于水阀结冰爆裂失效，还要从使用和系统运用角度上进行改良（增加防冻阀）。

密封失效主要和密封面损伤、密封结构有关，需要加强密封面的防护，改善密封结构设计。阀门常用密封结构有O形圈密封，垫片密封、硬密封等。O形圈密封作为一种低廉成本，适用于装在各类阀门中，在规定的温度、压力以及不同的液体和气体介质中，于静止或运动状态下起密封保护作用，是最常用的密封方式。O形圈密封是典型的挤压型密封，在O形圈密封结构设计时，应根据工作介质、密封环境确定适合的O形圈材质和硬度，并合理设计密封压缩率、拉伸量、槽宽（一般如表1所示，表中d为O形圈线径）、最大允许挤出间隙、安装倒向角等。垫片多用于2个零件连接端面的密封，通常需设计防丢结构（图2中的a）、防止垫片过度压缩的限位结构（图2中的b）。

密封副的两侧均采用金属材料或较硬的其他材料的密封方式，称为硬密封。硬密封多用于调节流体阻力或高温密封场合，具有耐高温、抗磨损、机械性能好等优点，但密封效果相比软密封较差，对密封副的加工同轴度要求高，密封面一般需要退火处理。

4 结束语

阀门设计时，应充分明确设计输入要求，确定产品型号，在产品设计时综合考虑各种因素，通过风险分析，优化产品结构，尽可能地减少或降低失效风险，提高阀门产品质量。

表1 O形圈设计主要参数

图2 垫片密封结构

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〔编辑：张思楠〕

TU984.113

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.148

2095－6835（2017）14－0148－02