呂育壯

（汕頭市閥門廠，廣東汕頭 515041）

0 引言

本文設(shè)計(jì)的圓頂閥采用氣包密封圈充氣后與球體表面緊密接觸的形式，以保證密封，進(jìn)一步提高了閥門的使用壽命。此閥門在冶金系統(tǒng)高爐煤粉噴吹、卸灰裝置的管道上使用，使用時(shí)必須全開或全關(guān)，禁止作節(jié)流使用。

1 結(jié)構(gòu)型式及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)型式

（1）球體的支撐方式

采用固定球（軸支式）結(jié)構(gòu)[1-2]，如圖1所示。

（2）密封形式

采用壓縮空氣氣封式密封圈結(jié)構(gòu)，不易被介質(zhì)沖刷，并且有效降低了閥門開閉的力矩，從而提高了閥門的密封性能和使用壽命。

（3）驅(qū)動(dòng)形式

單氣缸雙作用氣動(dòng)裝置，可保證閥門快速啟閉和準(zhǔn)確到位的要求，在氣源壓力滿足0.4～0.6 MPa的前提下，利用電動(dòng)控制及氣動(dòng)控制原理相結(jié)合，閥門可在2～3 s內(nèi)啟閉，實(shí)現(xiàn)開關(guān)靈活、迅速的功能。

圖1 圓頂閥示意圖

1.2 工作原理

密封裝置在閥門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，都先放氣收縮，開關(guān)過程中球體與氣包密封圈之間保持有約3 mm的間隙，使得球體與密封圈可以以無接觸的方式運(yùn)動(dòng)，目的是為了使得球體與密封圈之間不產(chǎn)生摩擦，減少磨損，運(yùn)行阻力小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、可靠，閥門的氣動(dòng)執(zhí)行元件為全密直線氣缸，回轉(zhuǎn)輸出，性能可靠，輸出扭矩大，直接驅(qū)動(dòng)球體轉(zhuǎn)動(dòng)，有效防止了灰塵進(jìn)入其中造成磨損、泄漏等現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，氣包密封圈充氣膨脹，緊緊壓在球體表面上，其結(jié)合面呈帶狀，從而形成一個(gè)牢固的壓力密封環(huán)帶，密封嚴(yán)密，阻止了管道內(nèi)物料的流動(dòng)。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 閥體壁厚的確定

式中：P為計(jì)算壓力，設(shè)計(jì)給定為1.6 MPa；Dn為閥體內(nèi)徑，設(shè)計(jì)選定480 mm；[σL]為許用拉應(yīng)力，查表[1]得80 MPa；C為腐蝕余量，設(shè)計(jì)給定為4 mm。

2.2 閥桿所受總扭矩計(jì)算

式中：Mt為填料與閥桿間的摩擦力矩；MC為軸承的摩擦力矩。

閥桿與填料間的摩擦力矩：

式中：df為閥桿與填料接觸部分直徑，設(shè)計(jì)給定70 mm；Z為填料圈數(shù)，設(shè)計(jì)給定6圈；h為單圈填料高度，設(shè)計(jì)給定10 mm。

將已知條件代入式（3）中，得Mt=88 665.696 N·mm。

閥桿軸承摩擦轉(zhuǎn)矩：

式中：dZJ為軸頸直徑，設(shè)計(jì)給定90 mm； μC為滑動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，查表[3]得0.16。將已知條件代入式（4）中，得MC=44 332.848 N·mm。

將已知條件代入式（2）中，得閥桿所受總扭矩Mr=132 998.544 N·mm。

圖2 閥桿

2.3 閥桿強(qiáng)度校核

式中：Mr為閥桿所受總扭矩，見2.2節(jié)，Mr=132 998.544 N·mm；WI為Ⅰ-Ⅰ斷面處的抗扭系數(shù)。

式中：dt為閥桿直徑，如圖2所示，設(shè)計(jì)給定70 mm；d0為銷的平均直徑，設(shè)計(jì)給定16 mm。將已知條件代入式（6）中，得WI=51 927.75 mm3。

將已知條件代入式(5)中，得τI-I=2.56 MPa。

根據(jù)閥桿材質(zhì)，[τ]為材料許用扭應(yīng)力，查表[4]得145 MPa，τI-I＜[τ]，故合格。

2.4 銷聯(lián)接的剪切強(qiáng)度校核

式中：T為轉(zhuǎn)矩，閥桿所受總扭矩(T=Mr)，Mr=132 998.544 N·mm；d為銷的平均直徑，設(shè)計(jì)給定16 mm；τp為銷的許用剪切應(yīng)力，對于銷的常用材料，查表可[5]得τp=80 MPa。

將已知條件代入式（7）中，得τ=9.454 5 MPa≤τp。滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 氣動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

要使氣動(dòng)裝置能驅(qū)動(dòng)球閥開閉，氣缸輸出轉(zhuǎn)矩必須滿足條件：

圖3 氣動(dòng)裝置

式中，D為活塞直徑，如圖3所示，設(shè)計(jì)給定135 mm；PS為氣源壓力，設(shè)計(jì)給定0.4 MPa；η為考慮摩擦阻力影響引入的系數(shù)[5]，取0.8。

將已知條件代入式（8）中，得FT=4 578.12 N。

活塞拉力：

活塞推力：

式（9）中，d2為活塞桿直徑，設(shè)計(jì)給定40.5 mm。將已知條件代入式中，可得FL=5 207.612 N。

氣缸輸出轉(zhuǎn)矩[6]：

式中，F(xiàn)T為活塞的推力，見式（8）；L為曲柄力臂長度，設(shè)計(jì)給定245 mm；β為氣缸的擺角，設(shè)計(jì)給定45°。

將已知條件代入式（10）中，得M氣=793118.83 N·mm。

結(jié)論：M氣＞Mr，設(shè)計(jì)符合要求。

3 控制系統(tǒng)

本閥門由球閥本體、氣動(dòng)裝置、電動(dòng)控制及氣動(dòng)控制原理相結(jié)合，啟閉動(dòng)作是由氣動(dòng)裝置驅(qū)使球體正反回轉(zhuǎn)90°來實(shí)現(xiàn)的[7]。氣控系統(tǒng)線路如圖4所示。

圓頂閥關(guān)閉時(shí)，接近開關(guān)發(fā)出關(guān)閉信號后，延時(shí)一定時(shí)間，密封圈再充氣。密封圈排氣后，延時(shí)一定時(shí)間，圓頂閥再打開，起到保護(hù)密封圈的作用[8]。電控線路圖如圖5所示。

圖4 氣控線路圖

圖5 電控線路圖

當(dāng)圓頂閥處于開啟狀態(tài)需要關(guān)閉時(shí)，電磁閥得電，氣源從氣動(dòng)頭進(jìn)氣口進(jìn)入，氣缸桿推動(dòng)半球體轉(zhuǎn)動(dòng)至閥門全關(guān)位置，閥桿上的撥叉壓住機(jī)械閥，機(jī)械閥通氣控制三通球閥轉(zhuǎn)動(dòng)，氣源通過三通球閥向氣包密封圈內(nèi)輸入壓縮空氣(壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)壓力要比管道介質(zhì)的實(shí)際壓力大1.3倍)，使氣包密封圈在充入的壓縮空氣作用下鼓脹并與球體嚴(yán)密貼緊，從而實(shí)現(xiàn)密封的目的，產(chǎn)生良好的密封效果，實(shí)現(xiàn)閥門的關(guān)閉。當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)需要開啟時(shí)，電磁閥失電，三通球閥轉(zhuǎn)動(dòng)，氣包密封圈內(nèi)的壓縮空氣快速卸壓，氣包密封圈在自身具有的彈力作用下收縮并與半球體分離，使氣包密封圈與半球體完全脫離接觸，然后再由氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)半球體轉(zhuǎn)動(dòng)90°至閥門通徑全開的開啟位置。

4 結(jié)束語

圓頂閥常用于冶金系統(tǒng)高爐煤粉噴吹、卸灰裝置的管道上，客戶使用反饋表明該結(jié)構(gòu)閥門密封效果以及使用壽命優(yōu)于普通球閥，有效地解決了氣力輸送系統(tǒng)因物料熱膨脹發(fā)生閥門卡滯現(xiàn)象、物料對密封圈的磨損及其閥門密封不可靠和使用壽命短等一系列問題。具有開閉靈活、不易卡澀、設(shè)計(jì)簡單、維護(hù)量低、球體無沖刷等特點(diǎn)，有很好的市場前景。