一种多功能组合密封夹具的制作方法

本发明涉及一种多功能组合密封夹具，属于重型运载火箭阀门液压气密试验领域。

背景技术：

重型运载火箭某阀门为非常规状态生产产品，属于增材制造3d打印产品。该产品结构复杂，对液压气密试验工装设计具有较大难度，阀门示意图如图1的(a)、(b)所示。

与传统制造阀门方式相比，3d打印产品由于一体成型各处结构采用了一体化设计，密封结构比常规结构复杂，密封垫单一密封效果不佳。在结构复杂处密封垫不能较好的压紧产品表面，严重影响密封效果。另外，结合图1主视图和左视图可看出阀门大端连接孔较多，分布密集，小端却没有连接孔，只能通过大端连接紧固，因此对小端密封结构有着较高要求。此外，除了阀门整体液压气密试验外，还需对内部腔体做单独密封试验，由于阀门内部结构复杂，定位夹紧形式选择不当对密封效果有着极大影响。而且产品需进行多次不同条件下的液压气密试验，传统液压气密试验夹具应用复杂，需多次拆卸更换，耗费人力物力。

针对上述重型阀门液压气密试验存在的技术难点，现有技术对产品密度不均和表面粗糙度低等困难无法进行高可靠性的密封，且密封需多次拆卸装置，耗费成本和人力。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提出一种新型多功能组合密封夹具，解决结构复杂的重型运载火箭阀门液压气密试验效果不佳问题，并为重型运载火箭阀门密封试验提供技术方案，该装置既能满足整体气密试验，也能满足单独腔体内部试验，本发明的夹具采用多重密封方式，克服了产品密度不均和表面粗糙度低等困难，提高密封的可靠性。并且无需多次拆卸，节省成本和人力。

本发明解决的技术方案为：一种新型多功能组合密封夹具，包括：端面密封组件、腔体密封组件和阀门侧面密封组件；

端面密封组件安装在阀门的大端面与小端面上，并通过夹紧阀门的大端面与小端面固定阀门的机体位置，在端面密封组件与阀门的大端面与小端面之间设置密封垫，通过将阀门的大端面与小端面上上的端面密封组件压紧后实现阀门的大端面和小端面密封；

阀门侧面密封组件，能够对阀门的壳体上的凸台进行密封，从而实现对凸台中间设有的通向阀门内部的连接孔的密封，即实现对阀门壳体侧面密封；阀门侧面密封组件，还能够对阀门的连接体上的通气孔进行密封，从而实现对阀门连接体的侧面密封；

腔体密封组件，能够对阀门的强制腔进行密封，还能够对阀门的大端面上的通气孔进行密封。

端面密封组件，包括：大端密封盖、小端组合密封盖以及双头螺柱；

大端密封盖与阀门大端面螺接相连，阀门小端面无连接孔，小端组合密封盖位于阀门小端面，采用双头螺柱将端面密封组件中的大端密封盖与小端组合密封盖固连。

大端密封盖上设有安装通孔，阀门大端面上设有内螺纹孔，螺钉依次通过大端密封盖上的安装通孔旋入阀门大端面上设有的内螺纹孔，实现将大端密封盖压紧在阀门大端面上。

小端组合密封盖贴合在阀门小端面上，小端组合密封盖的边缘上设有能够穿过双头螺柱的通孔，大端密封盖的边缘也设有能够穿过双头螺柱的内螺纹孔，双头螺柱依次穿过大端密封盖上的用于穿过双头螺柱的内螺纹孔与小端组合密封盖上的能够穿过双头螺柱的通孔后，通过螺母压紧小端组合密封盖，从而实现小端组合密封盖对阀门小端的密封。

小端组合密封盖的边缘上设有的能够穿过双头螺柱的通孔数量为4～6个。

大端密封盖的边缘上设有的能够穿过双头螺柱的通孔数量与小端组合密封盖的边缘上设有的能够穿过双头螺柱的通孔数量相同。

端面密封组件，还包括：环形密封垫；阀门大端面上设有环形密封槽，将环形密封垫置于环形密封槽内，环形密封垫置入环形密封槽内后，环形密封垫外露的端面突出于阀门大端面，大端密封盖压在环形密封垫的突起部分，环形密封垫受挤压变形，实现大端密封盖与阀门大端面无缝贴合，实现阀门大端面密封。其中，设凸起的高度为h1,环形密封垫外露端面的圆环宽度为l1,环形密封垫的密度为y1，大端密封盖对环形密封垫的突起部分的压力为p1，环形密封垫受挤压变形的高度变化为l1，则优选满足0.1<100h1*(1.33l1/π)²/y1*p1<0.3,能够提高了密封效果。

阀门的大端面为组合密封端面，阀门的大端面为八字形，八字形由两个直径不同且相割的圆形成；八字形大端面边缘上设有两圈螺纹孔；

大端密封盖，包括：连接板1和组合八字形盖；

连接板1上设有与阀门的大端面形状匹配的八字形凹槽，连接板1上八字形凹槽边缘设有两圈连接通孔，连接板1的四角还设有连接双头螺柱的螺纹孔；

组合八字形盖，形状为两个直径不同的圆相割形成的八字形；组合八字形盖的边缘设有两圈连接通孔；

连接螺钉依次穿过组合八字形盖上的两圈连接通孔和连接板1上的两圈连接通孔，旋进阀门大端面上的两圈螺纹孔，实现组合八字形盖将连接板1压紧在阀门大端面上。

端面密封组件，还包括内密封垫和外密封垫；小端组合密封盖，包括连接板2和圆形盖板；圆形盖板的一侧上设有与阀门的强制腔形状匹配的突台，凸台的外壁上设有两圈环形的径向凹槽，用于安装两层内密封垫，在小端组合密封盖上靠近凸台位置设有轴向凹槽，用于安装外密封垫；圆形盖板中央设有中心通孔，用于与接管嘴焊接；圆形盖板的外边缘上设有通孔，用于安装连接板2；

连接板2上外边缘设有四个通孔，用于穿过双头螺柱，内边缘设有连接螺纹孔，用于与圆形盖板相连；

连接螺钉依次穿过圆形盖板外边缘的通孔、连接板2上的内边缘的连接螺纹孔实现连接板2和圆形盖板的组合；圆形盖板的突台插入阀门的强制腔内，双头螺柱穿过小端组合密封盖上连接板2外边缘的通孔，并用螺母固定，实现阀门小端面的密封连接。

其中，设径向凹槽两层内密封垫之间的距离设为d1，每层密封垫的宽度为d2、厚度为h1，密封垫的密度为y2，。则优选满足能够提高了20％密封效果。

10、根据权利要求1所述的一种新型多功能组合密封夹具，其特征在于：阀门侧面密封组件，包括侧端密封盖和双层密封圈；

阀门的壳体侧面靠近阀门大端设有一个端口，端口周围设有双层环形密封室，用于安装双层密封圈；双层环形密封室，包括两层深浅不同、宽度不同的密封槽；其中，设外侧的密封槽的深度为d3，宽度为l3，内侧的密封槽的深度为d4，宽度为l4，密封垫的密度为y2，则满足进一步实现密封效果的提高。

侧端密封盖上设有与阀门的壳体侧面端口形状相匹配的凸台形状的接口堵盖；与双层环形密封室相对的位置设置有两层密封凸台，两层密封凸台的形状与阀门壳体上的双层环形密封室匹配；

侧端密封盖的边缘设有通孔，阀门壳体外表面相对位置设有内螺纹孔，连接螺钉穿过侧端密封盖边缘的通孔旋入阀门壳体外表面相对位置的内螺纹孔，实现阀门侧端面的密封。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在保证试验要求的前提下，设计了一种新型多功能组合密封夹具。该装置既能满足整体气密试验，也能满足单独腔体内部试验。该装置采用多重密封方式，较好的克服了产品密度不均和表面粗糙度低等困难，解决结构复杂的重型运载火箭阀门液压气密试验效果不佳问题，提高密封的可靠性。并且无需多次拆卸，节省成本和人力。

(2)本发明阀门大、小端连接孔多且两个分度圆所在位置紧凑，分析可得采用分体式结构容易造成干涉，因此在设计时选用一体式密封盖，在与下方连接盖板相连保证机构合理性。

(3)由于产品结构和表面不平整，单一密封方式容易造成泄露，试验状态不稳定，安全可靠性低，容易造成产品损坏和人员伤亡。因此本发明采用径向两道o型圈密封，使o型圈充分与产品径向面压紧，提高径向密封的可靠性，而端面密封垫又作为另一道密封保障。

(4)强制腔是重型运载火箭阀门内部狭窄部分，不便于密封操作。针对此问题，本发明采用螺栓密封和转接嘴密封。为方便使用者操作，设计一配套长臂套筒扳手，进入狭窄空间旋紧螺栓进行密封。

(5)由于该孔位于产品外形端面，孔径尺寸小，并且没有可连接和紧固位置，只能通过柱塞上两道o型圈径向密封，用o型圈的压缩量保证密封的可靠性。本发明使用时将螺栓旋入柱塞中，将柱塞顶入盲孔，取出螺栓再将端面组合密封盖压紧。

附图说明

图1的(a)本发明密封的阀门结构大端面示意图；(b)为本发明密封的阀门侧面结构示意图；

图2为本发明新型多功能组合密封夹具(即液压气密试验夹具)示意图；

图3为本发明组合端盖结构剖视图；

图4为本发明组合端盖结构主视图；

图5为本发明小端盖剖视图；

图6为本发明阀门强制腔密封示意图；

图7的(a)为试验状态下盲孔柱塞密封示意图，(b)为装配状态下盲孔柱塞密封示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种新型多功能组合密封夹具，包括：端面密封组件、腔体密封组件和阀门侧面密封组件；端面密封组件安装在阀门的大端面与小端面上，并通过夹紧阀门的大端面与小端面固定阀门的机体位置，在端面密封组件与阀门的大端面与小端面之间设置密封垫，通过将阀门的大端面与小端面上上的端面密封组件压紧后实现阀门的大端面和小端面密封；阀门侧面密封组件，能够对阀门的壳体上的凸台进行密封，从而实现对凸台中间设有的通向阀门内部的连接孔的密封，即实现对阀门壳体侧面密封；阀门侧面密封组件，能够对阀门的连接体上的通气孔进行密封，从而实现对阀门连接体的侧面密封；腔体密封组件，能够对阀门的强制腔进行密封，还能够对阀门的大端面上的通气孔进行密封，本发明优化了重型运载火箭阀门液压气密试验的所需装置的复杂性问题，提高了密封试验可靠性，使不同条件的试验装置集成一体化，并利用多重密封方式克服3d打印产品的密度不均和表面粗糙度低等问题。

如图2所示，本发明密封夹具的密封对象为阀门，该阀门，包括：壳体、连接体和强制腔，壳体、连接体和密封盖一体成型；强制腔位于阀门的小端，壳体位于阀门的大端；连接体位于壳体与强制腔中间；强制腔为中空腔体，与阀门内部连通；壳体的一侧为大端面，大端面上设有阀门的排气孔；

壳体截面直径的大于连接体直径，连接体直径大于密封盖直径；壳体外表面设有凸台，凸台中间设有通向阀门内部的连接孔；连接体外表面上设有通气孔，用于阀门进气；

在阀门的大端面上设有向内凹陷的通气孔，通气孔能实现阀门壳体内与壳体外的气体连通；

阀门连接体外表面上设有用于阀门进气的通气孔，该通气孔设有内螺纹；

阀门壳体与强制腔的一侧能够形成一个密封腔体2，该密封腔体2能够通过连接体外表面凸台通气孔与外界连通。阀门连接体凹陷内腔为密封腔体3。

根据阀门产品结构特点，使得试验夹具密封方式为整体密封。需要对密封腔体2和密封腔体3整体密封。需要测试密封腔体2和密封腔体3的密封效果时，优选方案为：通过凸台通气孔内螺纹与螺纹接管嘴连接封堵,再通过双头螺柱将大端密封组件和小端密封组件连接成整体。最后通过阀门外表面凸台螺纹孔将侧面密封组件连接封堵。进行特定压力试验时，经过特定时间，观察试验结果并记录相关试验数据，将记录得到的数据与设定的阈值相比，若大于安全系数临界值，则密封失效。

螺栓堵头与接管嘴密封塞配合，对阀门的强制腔进行高压密封。

需要测试强制腔的密封效果时，先通过螺栓堵头与强制腔内螺纹连接封堵，优选方案为：通过凸台通气孔内螺纹与螺纹接管嘴连接封堵。进行高压试验时，经过特定时间，观察试验结果并记录相关试验数据，将记录得到的数据与设定的阈值相比，若大于安全系数临界值，则密封失效。

本发明的一种新型多功能组合密封夹具，包括：端面密封组件、腔体密封组件和阀门侧面密封组件；

端面密封组件安装在阀门的大端面与小端面上，并通过夹紧阀门的大端面与小端面固定阀门的机体位置，在端面密封组件与阀门的大端面与小端面之间设置密封垫，通过将阀门的大端面与小端面上上的端面密封组件压紧后实现阀门的大端面和小端面密封；

阀门侧面密封组件，能够对阀门的壳体上的凸台进行密封，从而实现对凸台中间设有的通向阀门内部的连接孔的密封，即实现对阀门壳体侧面密封；阀门侧面密封组件，还能够对阀门的连接体上的通气孔进行密封，从而实现对阀门连接体的侧面密封；

腔体密封组件，能够对阀门的强制腔进行密封，还能够对阀门的大端面上的通气孔进行密封。

本发明的重型运载火箭阀体为非常规状态生产产品，属于增材制造3d打印产品。该产品结构复杂，对液压气密试验工装设计具有较大难度。与传统制造阀体方式相比，3d打印产品由于一体成型各处结构会有密度不均匀和表面粗糙度低于常规精加工产品等问题，密封垫单一密封效果不佳。在密度不均处密封垫不能较好的压紧产品表面，严重影响密封效果。

另外，阀体大端连接孔较多，分布密集，小端却没有连接孔，只能通过大端连接紧固，因此对小端密封结构有着较高要求。此外，除了阀体整体液压气密试验外，还需对内部腔体做单独密封试验，由于阀体内部结构复杂，定位夹紧形式选择不当对密封效果有着极大影响。而且产品需进行多次不同条件下的液压气密试验，传统液压气密试验夹具应用复杂，需多次拆卸更换，耗费人力物力。

针对上述问题本发明设计了一种新型多功能组合密封夹具。本发明既能满足整体气密试验，也能满足单独腔体内部试验。同时优化了重型运载火箭阀门液压气密试验的所需装置的复杂性问题，提高了密封试验可靠性。使不同条件的试验装置集成一体化，并利用多重密封方式克服3d打印产品的密度不均和表面粗糙度低等问题。该装置的使用无需多次拆卸，提高效率和节省人力，也为后续各型号阀门液压气密试验装置的研发提供可靠经验和技术支持。

阀门大端面上设有环形密封槽，将环形密封垫置于环形密封槽内，环形密封垫置入环形密封槽内后，环形密封垫外露的端面突出于阀门大端面，大端密封盖压在环形密封垫的突起部分，环形密封垫受挤压变形，实现大端密封盖与阀门大端面无缝贴合，实现阀门大端面密封。环形密封垫材料为软聚氯乙烯，该材料具有较好的弹性变形，密封性能优良。

其中，设凸起的高度为h1,环形密封垫外露端面的圆环宽度为l1,环形密封密封垫的密度为y1，大端密封盖对环形密封垫的突起部分的压力为p1，环形密封垫受挤压变形的高度变化为l1，则有0.8<h1*(l1/π)2/(y1-h1)p1<1,提高了密封效果。

由于该装置结构由大端密封盖、侧端密封盖、内密封垫、外密封垫、小端密封盖、小端连接盖、以及双头螺柱组成。由于阀门小端无连接孔，造成密封压紧困难，针对此类问题本设计采用一体式连接方式，将大小端面用螺栓连成一体并用螺母旋紧，使夹具与产品固定为一体。

由于产品结构接口形式多种多样，需采用不同的密封方式，其中有堵盖双重密封、堵头密封、堵塞密封、转接嘴密封、螺栓密封和组合端盖密封。

组合端盖密封优选方案如下：(附图3，附图4所示)

阀门大、小端连接孔多且两个分度圆所在位置紧凑，分析可得采用分体式结构容易造成干涉，因此在设计时选用一体式密封盖，在与下方连接盖板相连保证机构合理性。工作时，使用连接螺钉将密封盖和连接盖板装配成一体，通过密封盖内沿与阀门内腔定位，通过产品上的螺钉孔连接紧固好大断堵盖。小端密封也是将密封盖和链接盖板组成一体，由于小端没有产品连接孔，因此在密封式采用密封垫和密封圈双重密封，再通过双头螺柱压和螺母与大端堵盖连接紧固，组成试验夹具整体。

双重密封优选方案如下(附图5所示)：

双重密封包括径向两道o型圈密封和端面密封垫。由于产品结构和表面不平整，单一密封方式容易造成泄露，试验状态不稳定，安全可靠性低，容易造成产品损坏和人员伤亡。因此采用径向两道o型圈密封，使o型圈充分与产品径向面压紧，提高径向密封的可靠性，而端面密封垫又作为另一道密封保障。

强制腔密封优选方案如下(附图6所示)

强制腔是重型运载火箭阀门内部狭窄部分，不便于密封操作。针对此问题，本设计采用螺栓密封和转接嘴密封。为方便使用者操作，设计一配套长臂套筒扳手，进入狭窄空间旋紧螺栓进行密封。

进一步盲孔柱塞密封方案为：(如图7的(a)、(b)所示)

由于该孔位于产品外形端面，孔径尺寸小，并且没有可连接和紧固位置，只能通过柱塞上两道o型圈径向密封，用o型圈的压缩量保证密封的可靠性。使用时将螺栓旋入柱塞中，将柱塞顶入盲孔，取出螺栓再将端面组合密封盖压紧。

本发明实现了一体式结构设计，并实现了堵头密封、螺栓密封、转接嘴密封、堵盖组合密封、堵塞密封、强制腔密封、

并进行了长臂套筒扳手设计；采用组合端盖连接、柱塞密封。

本发明优化了重型运载火箭阀门液压气密试验的所需装置的复杂性问题，提高了密封试验可靠性。使不同条件的试验装置集成一体化，并利用多重密封方式克服3d打印产品的密度不均和表面粗糙度低等问题。该装置的使用无需多次拆卸，提高效率和节省人力，也为后续各型号阀门液压气密试验装置的研发提供可靠经验和技术支持。

本发明已有实物生产制造，使用本发明的多功能密封组合夹具对重型阀体进行了液压和气密两种状态的密封试验。经检验，液压试验在给定压力下，阀体各密封处无泄露情况。气压试验，在给定压力下水面无水泡产生，说明无气体泄露。