一种橡胶垫阀芯气动单向阀

引言

呼吸器是应急救援行业中利用空气或氧气对应急救援人员进行生命安全防护的人工保生器械系统，呼吸器的可靠性直接关系到救护人员的生命安全。呼吸器检测仪是保障呼吸器可靠性的重要检测设备，其主要利用气动系统原理实现对呼吸器的功能检测。呼吸器检测仪在检测过程中利用气体介质进行检测，由于气体介质具有的可压缩性，严重影响到设备的检测结果。为了尽可能地避免或减少气体介质在气体系统中的压缩环节，本文介绍了一种橡胶垫阀芯气动单向阀，代替传统的弹簧形或膜片形单向阀，能够有效降低气体介质在工作时因体积压缩对检测结果的影响。呼吸器检测仪检测原理如图1，气动单向阀为序号3。

图1 检测原理图

1 结构特点

低开启压力气动单向阀主要由进气管、出气管、橡胶垫阀芯等零件组成，气动单向阀结构如图2 所示。为了匹配气动系统管路安装，气动单向阀的进气端设计为插管结构，出气端设计为宝塔结构。当进气管端的压力高于出气管端时，橡胶垫阀芯打开，气体介质可从进气管端流向出气管端；当出气管端的压力高于进气管端时，橡胶垫阀芯关闭，气体介质被橡胶垫阀芯阻断流通。此气动单向阀结构简单，安装方便，阀芯应用橡胶材质，经过特殊的结构设计，使气体介质工作时，能够较轻易地克服橡胶的弹性，将橡胶垫阀芯打开，很好地降低了气体的受力压缩状态，对检测设备的检测结果产生较小的影响。同时，此气动单向阀的橡胶垫阀芯对气动系统的反向阻断，也能起到很好的密封作用。

图2 低开启压力气动单向阀结构图

2 结构设计

2.1 阀的管道设计

气动单向阀的管道通径与系统管路中的通径相匹配，系统管路设计[1]时：管道通径：

式中：Q 为气体在管道内的体积流量，m3/s；v 为气体在管道内的流速，m/s。

根据系统设计参数Q≥80 L/min，v≤25 m/s，取管道通径为8 mm。

气动单向阀的管道壁厚：

式中：P 为管道中最高工作压力，Pa；d 为管道内径，m；[σ] 为管道材料的需用应力，Pa，[σ]=σb/n；σb 为管道材料的抗拉强度，Pa；n 为安全系数。对钢管来说，P＜7 MPa 时，取n=8。

管道材料选用重量较轻、材料易见的6061 铝合金材料，根据系统设计参数P≤700 Pa，6061 的抗拉强度在100 MPa 以上，考虑气动单向阀的加工及安装情况，取气动单向阀壁厚为2 mm。

2.2 橡胶垫阀芯的设计

橡胶垫阀芯设计时按照橡胶技术性能数据表[2]（见表1），确定橡胶垫阀芯为天然橡胶材料，厚度设计为1 mm，结构形式为圆形结构（如图3）。橡胶垫阀芯设置了橡胶垫阀芯外圈和橡胶垫阀芯内圈结构，内、外圈之间还设置有间隙区。橡胶垫阀芯外圈被气动单向阀的进气端和出气端压紧固定，橡胶垫阀芯内圈受气体介质压差的作用可开启或关闭。橡胶垫阀芯开启时，内圈结构将向出气端打开；橡胶垫阀芯关闭时，内圈被气体介质挤压在进气端的管壁上。

表1 常用橡胶技术性能数据

图3 橡胶垫阀芯结构图

1—橡胶垫阀芯外圈；2—橡胶垫阀芯内圈

3 试验对比

选取最低开启压力为0.01 MPa 的传统气动单向阀3 套和橡胶垫阀芯气动单向阀3 套，分别将它们安装于3 套检测设备的系统中，测量流量为0.3 L/min、0.5 L/min、0.8 L/min、1 L/min、1.2 L/min、1.4 L/min、1.5 L/min、1.6 L/min、1.8 L/min、2 L/min、2.2 L/min、2.4 L/min、2.5 L/min、2.6 L/min 的压力数值，并形成拟合曲线进行试验数据对比分析。

图4 试验数据分析

通过3 组试验数据分析（图4）可看出，检测设备在安装不同单向阀后，相同流量的情况下，传统单向阀系统中的压力明显高于橡胶垫阀芯单向阀，根据理想气体方程PV=RT 可看出：传统单向阀系统中的气体受压缩情况明显；同样的，相同压力情况下，安装橡胶垫阀芯单向阀的系统流量明显大于安装传统单向阀的系统流量，检测设备检测呼吸器的准确性将更高，从而使呼吸器提供的气体流量也更经济合理，在使用相同呼吸器气瓶的情况下，更经济合理的气体流量，有助于提供更长效的个体防护时间。

4 结语

本文中介绍的气动单向阀结构简单，安装方便，并且经试验验证开启压力明显小于传统弹簧形单向阀或膜片形单向阀，对检测结果产生的影响较小，有利于呼吸器设备提供更长效的个体防护时间。并且，此种橡胶垫阀芯单向阀对传统气动系统中单向阀的应用也有很好的借鉴意义，并将应用于多种气动系统中。