快开蝶阀的设计.pdf

文章编号 100225855 2008 0420009204 作者简介胡俊超1966 - ,男,工程师,主要从事阀门产品的开发设计工作。 快开蝶阀的设计 胡俊超 江南阀门有限公司,浙江 温州325013 摘要 介绍了快开蝶阀的性能、结构特点和工作原理,论述了阀门主要零部件的设计方法。 关键词 蝶式快开阀;密封;设计计算 中图分类号 TH134 文献标识码 A The design of quick2opening butterfly valve HU Jun2chao Jiangnan Valve CO. , L TD , Wenzhou 325013 , China Abstract This paper introduces the structure characteristic and using of the valve , and discusses the design and calculation of the valve. Key words quick2opening butterfly valve ; seal ; design and calculation 1 概述 在冶金行业高炉鼓风系统中,由于所需风量变 小时常常导致供风管路中的气体压力突然升高,造 成鼓风机工作点超出正常的工作范围,引起喘振而 损坏鼓风机。因此要求在系统中设置一个旁通管 路,在出现系统压力升高时打开旁通系统中的阀 门,排除一部分空气,维持系统的正常工作。由于 系统的压力变化较快,所以要求系统的旁通阀门能 够在3s内打开。根据需要,研制了快开蝶阀。 2 基本参数 公称通径 DN200～1 200mm 公称压力 PN0125～016MPa 工况压力 0113～0145MPa 工况介质 空气 工况温度 ≤120℃ 操作方式 电动、液动 开启时间 ≤3s 关闭时间 10～30s 安装位置 悬空安装 3 结构及工作原理 由于阀门用于高炉的供风系统中图1 ,使 用介质为空气,安装在高处,因此阀门的阀体和蝶 板采用Q235A的钢板焊接制成,尽可能减小阀门 的自重。阀门使用于温度 ≤120℃ 的空气介质,采 用橡胶密封的结构。阀门要求在接到开阀信号时 3s内打开,用电动驱动将很难实现。结合用户现 场条件,选择了液动操作方式,压力源为用户的 210MPa的液压油源。考虑到供油流量的限制,采 用液压-弹簧式驱动装置,用液压关闭阀门,同时 压缩弹簧,使其积蓄一定的能量。当接到打开指令 后,切断供油系统并使回油管路接通,弹簧的能量 释放,使阀门迅速打开。 图1 供风系统管路 快开蝶阀图 2 主要由传动装置图 3 、阀 体、蝶板、阀杆、蝶板密封圈及压板等组成。当电 磁阀失电时,压力油经过电磁阀进入油缸,推动活 塞向左移动,带动曲柄顺时针转动,同时压缩弹 簧。曲柄转动时通过阀杆使蝶板关闭。接到系统开 92008年第4期 阀 门 阀指令时,电磁阀带电,切断油源供油,并将油缸 排油通路接通,压力油通过排油管回到油箱。弹簧 积蓄的能量释放使曲柄逆时针转动,阀门打开。 11 弹簧缸 21 驱动装置箱体 31 油缸 41 支座 51 蝶板密封圈 61 阀杆 71 蝶板 81 阀体 图2 快开蝶阀 图3 液压系统 4 阀门设计 411 阀体 阀体采用钢板焊接,其重量比采用铸造结构减 轻约1/ 3 ,既满足使用性能的要求又适合现场安装 条件。阀体壁厚SB为 SB PD 213[σ]-P C 式中 SB 阀体壁厚 P 设计压力, MPa D 阀体内径, mm [σ] 材料的许用应力, MPa C 腐蚀余量, mm 除了强度方面计算外,还要考虑到阀体刚度的 要求。一般采用增添加强筋以增大零件整体的刚 性,防止其发生变形。 阀座是阀体的一部分,直接影响阀门的密封性 能,采用不锈钢圈焊在阀体内。 412 蝶板 因为阀门要求在短时间内打开,所以蝶板采用 双平板的桁架结构,其刚性好,质量轻,阀门通流 面积大。这样可以使阀门在保证密封的同时适应快 开的要求。蝶板强度σMAX的校核公式为 σMAX MMAXLMAX J ≤[σ] 式中 MMAX 蝶板的最大弯矩, Nmm LMAX 最大形心矩, Nmm J 蝶板截面惯性矩, m4 413 密封结构 根据阀门的工作条件,采用了橡胶-不锈钢的 软密封结构图4 ,橡胶密封圈采用氟橡胶材料 制成。氟橡胶可以长期使用在温度 180℃ 的条件 下,对于空气等介质具有良好的适应能力。橡胶密 封圈的断面为T形,通过金属压板固定在蝶板上, 可以有效的防止高速流动的介质将其从蝶板上吹 出。通过压板的压紧程度还可以调节橡胶密封圈和 不锈钢阀座的密封比压,从而获得最佳的密封效 果。阀座用1Cr18Ni9Ti不锈钢圈制成,焊接在阀 体内。1Cr18Ni9Ti具有良好的耐蚀性,焊接和机 加工性能良好,在空气介质中使用不会锈蚀,能够 适应工况的要求。 11 阀座 21 蝶板密封圈 31 蝶板 41 蝶板密封圈压板 图4 密封副结构 414 阀杆 阀杆主要用来传递驱动装置的扭矩,带动蝶板 转动,实现阀门的开启和关闭。在阀门关闭时,阀 杆还要承受一定的介质推力,保证蝶板与阀体的相 对位置。所以阀杆除了传递扭矩外还受到弯矩的作 用。阀杆材料一般根据管路中介质的腐蚀性和温度 等条件选择,由于阀门通过的介质为空气,采用 2Cr13作为阀杆的材料。为了使阀门具有足够的通 流面积,采用两根短阀杆的结构,杆的一端插入蝶 板中,用圆锥销固定在蝶板上。杆的另一端靠安装 在阀体中的轴承支承。阀杆的直径d为 01 阀 门 2008年第4期 d≥2117 3 M [σ] 式中 M 总力矩, Nmm MMW2Mn2 MW 阀杆所受的弯矩按悬臂梁计算 , Nmm MWL 0 139D′ 2 P-FM L 力臂, mm D′ 蝶板密封圈外径, mm P 最高压力, MPa FM 阀门所需的密封力, MPa Mn 阀杆所受的扭矩, Nmm MnMCMTMfMa MC 阀 杆 与 轴 套 之 间 的 摩 擦 扭 矩, Nmm MC 0139D2Pf d MT 阀 杆 与 填 料 之 间 的 摩 擦 扭 矩, Nmm MT 01157q′d2b′f Mf 阀门在关闭时蝶板密封圈与阀体阀 座之间的摩擦扭矩, Nmm Mf 0105qbf Re2R2 Ma 阀门开启时蝶板受到的介质流动时 的动气力矩, Nmm f 阀杆与轴套之间的摩擦系数 d 阀杆直径可以先估算 , mm q′ 阀杆与填料之间的密封比压, MPa b′ 填料高度, mm q 阀座与密封圈之间的密封比压, MPa R 蝶板半径, mm E 蝶板的偏心距离, mm 阀门开启时蝶板受到的介质流动时的动气力矩 Ma与蝶板的形状、介质的流速和介质的密度有 关。由于系统中介质为空气,流速大约为30m/ s , 蝶板为桁架式过流结构,在此条件下,动气力矩的 数值与其他几项相比小很多,故忽略不计。 所以阀杆所受的扭矩Mn在处于全关的位置时 为最大,全开的位置时为最小,即 Mn maxMCMTMf Mn minMCMT 计算阀杆直径时,按Mn max情况考虑。 415 锥销强度 蝶板和阀杆之间采用锥销连接,锥销孔在装配 时配制。这样可以降低加工难度,保证装配的位置 准确。锥销的直径一般取阀杆直径的1/ 4～1/ 3。 锥销的强度τ为 τ 2Mn max dA n ≤[τ] 式中 τ 锥销所承受的剪切应力, MPa A 锥销受剪切的截面积, mm2 n 锥销的数量 [τ] 材料的许用剪切应力, MPa 416 传动装置 由于阀门要求在3s内从全关到全开,所以采 用压力油作为阀门的操作动力。阀门在开启时的动 作快,油的瞬间流量比较大。为了防止对油源产生 压力波动等影响,故采用液压-弹簧联动的设计方 案,用液压油源使阀门关闭,同时使弹簧受压蓄 能。在接到阀门开启信号时,电磁阀换向切断油 源,同时使油缸中的压力油排出,弹簧的能量释 放,使阀门打开。驱动装置的传动部分采用传统的 曲柄滑块结构,具有简单可靠的特点。 1弹簧 弹簧提供阀门开启的动力。在蝶板处于全关状 态时,阀门所需要的开阀力矩最大。在蝶板转动一 个角度后,蝶板密封圈与阀座脱离,所需要的开阀 力矩逐渐变小。而弹簧产生的力与弹簧的变形量成 正比,所以当蝶板处于全关时,弹簧处于最大变形 位置,此时驱动装置产生的力矩最大,弹簧的能量 逐渐释放,驱动装置产生的力矩逐渐减小。当阀门 开启的全过程内驱动装置产生的力矩都大于阀门在 各开启位置的扭矩,阀门就能顺利打开。依据这一 原则,在设计中选用压缩弹簧,当阀门处于全关 时,弹簧压缩量最大。当阀门处于全开时,弹簧压 缩量最小。弹簧产生的最大力FT max与弹簧产生的 最小力FT min为 FT max Mn max L FQ η FT min Mn min L FQ η 式中 FQ 附加力包括油缸的摩擦力等 , N η 效率 根据阀门的使用条件,弹簧按II类弹簧设计, 112008年第4期 阀 门 选用60Si2MnA钢丝制成。根据强度条件,弹簧钢 丝直径dT为 dT≥116 FT maxKC′ [τ] 式中 K 曲度系数 K 4C′- 1 4C′- 4 01165 C′ C′ 弹簧指数 弹簧的中径D2及外径D″ 为 D2C′dT D″D2dT 根据弹簧所提供的最大力与最小力及其工作行 程计算其刚度k为 k FT max-FT min λ 式中 k 弹簧刚度, kg/ m λ 弹簧行程, mm 弹簧的有效圈数n为 n GdT4 8kD23 弹簧在工作时的最大变形λmax和最小变形λmin 为 λmax FT max k λmin FT min k 为了保证弹簧工作变形在其允许的范围内,弹 簧的设计最大变形λ ′ 为 λ ′ λ max 017 弹簧的自由高度H0为 H0n 11 5 dT λ ′ 弹簧节距P为 P H0- 115dT n 根据弹簧计算的各项参数,可画出弹簧的工作 图。 2液压油缸 快开蝶阀依靠液压装置使阀门关闭,所以其液 压油缸的力除了能使蝶板关闭,还应能提供足够大 的力使弹簧压缩到工作状态。则油缸力FL为 FL 01785DL2PL≥ FT max Mn max L FQ η 式中 FL 油缸力, N DL 油缸内径, mm PL 油源压力, MPa 根据油缸力可以得到油缸的直径按标准圆整 到规定值 , 并根据使用压力确定油缸壁厚、活塞 和活塞杆的相应尺寸。 3排油管径 由于阀门对开启时间有要求,所以除了进行力 矩计算还要进行速度计算。对阀门开启速度影响最 关键的是油缸的排油速度,要求油缸的排油口能够 在规定的时间内将油排出。系统的排油管直径dh 为 dh≥ 1127Q v 式中 dh 油管直径, mm Q 液压油的流量, mm3/ s v 排油管中液压油的流速, m/ s 5 结语 快开蝶阀用于高炉供风系统中,在系统超压时 开启迅速、灵活,有效地防止了风机损坏,满足了 工况需要。 参考文献 〔1〕 陆培文.实用阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002. 〔2〕 徐灏.机械设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002. 收稿日期 20081031 06 上接第8页 7 结语 新型带过流阀的紧急切断阀适用于液氯贮运装 置的工况条件,结构紧凑,操作方便,其增设的辅 助驱动机构有利于排除阀门启闭中出现的阻滞等故 障,为安全生产提供了保障。 参考文献 〔1〕 上海化工学院,成都科技大学,大连工学院.化学工程 〔M〕.上海上海科学技术出版社, 1986. 〔2〕 石智豪.压力容器介质手册 〔M〕.北京北京科学技术出 版社, 1992. 〔3〕 沈鸿.机械工程手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 1982. 〔4〕 JB/ T 7248 - 1994 ,阀门用低温钢铸件技术条件 〔S〕. 〔5〕 GB/ T 699 - 1999 ,优质碳素结构钢 〔S〕. 收稿日期 20081011 29 21 阀 门 2008年第4期