周建輝 李典

中車西安車輛有限公司 陜西 西安 710086

引言

各類鐵路罐車、汽車罐車、各型罐箱幾乎均裝用了呼吸式安全閥這種安全附件。在研制罐箱用呼吸式安全閥過程中，筆者發(fā)現(xiàn)閥門型式試驗(yàn)時回座壓力偏低的現(xiàn)象，針對這一問題進(jìn)行了原因分析，找出了影響回座壓力的主要因素，并提出了解決措施。改進(jìn)后的安全閥經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，回座壓力達(dá)到了規(guī)定值，其他參數(shù)也很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1 安全閥回座壓力的定義和要求

1.1 回座壓力的定義

回座壓力：安全閥排放后其閥瓣重新與閥體接觸，即開啟高度變?yōu)榱銜r的閥門進(jìn)口靜壓力。

安全閥回座壓力太高，會頻頻開、關(guān)而造成頻跳現(xiàn)象，不利于關(guān)閉后重新建立密封，回座壓力太低，造成不必要的介質(zhì)損失甚至環(huán)境污染。

安全閥的回座壓力通常與閥門的整定壓力相關(guān)聯(lián)。整定壓力，即安全閥在運(yùn)行條件下開始開啟的預(yù)定壓力，在該壓力下，在規(guī)定的運(yùn)行條件下由介質(zhì)壓力產(chǎn)生的使閥門開啟的力同使閥瓣保持在閥座上的力相互平衡[1]。

1.2 回座壓力的要求

GB/T 12243規(guī)定當(dāng)安全閥整定壓力大于0.3MPa時，回座壓力不低于整定壓力的80%，NB/T 47064規(guī)定安全閥的回座壓力不低于整定壓力的90%，所以罐箱安全閥的回座壓力要求高于國標(biāo)要求。

2 罐箱安全閥型式試驗(yàn)問題

2.1 安全閥基本參數(shù)

所研制的安全閥為彈簧直接載荷式安全閥，為全啟式，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 安全閥技術(shù)參數(shù)

2.2 型式試驗(yàn)情況

第一次型式試驗(yàn)除回座壓力指標(biāo)偏低，其他指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。第二次試驗(yàn)，將彈簧的剛度由35N/m提高到60N/m，發(fā)現(xiàn)回座壓力指標(biāo)滿足了，但安全閥的排量大幅降低[2]。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 安全閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 原因分析

3.1 彈簧剛度不足

彈簧直接載荷式安全閥的動作性能主要是通過彈簧來控制的，彈簧剛度大小影響安全閥的性能。在設(shè)計(jì)安全閥時，如何確定彈簧的剛度很重要，剛度過大，閥瓣所受向下的作用力大，閥瓣回座快，回座壓力大，但閥瓣向上抬升困難，影響安全閥的排量。反之，彈簧剛度過小，閥瓣所受向下的作用力較小，閥瓣抬升容易，閥門排量大，但閥瓣回座緩慢，易導(dǎo)致回座壓力低。

3.2 閥瓣與閥體導(dǎo)向面配合間隙過小

閥瓣與導(dǎo)向面之間的配合間隙小時，閥瓣在抬升和回座過程中，會產(chǎn)生較大的摩擦力。

在閥瓣抬升階段，受摩擦力影響，閥瓣抬升困難，很難達(dá)到設(shè)定高度，難以滿足呼出排量要求。在閥瓣回座階段，摩擦力在一定程度上阻止閥瓣回座，較大的摩擦力會削弱彈簧對閥瓣的下壓作用，導(dǎo)致回座壓力偏小。

3.3 閥瓣與密封面間環(huán)向和垂向間隙過小

由于全啟式安全閥設(shè)有反沖機(jī)構(gòu)，閥瓣開啟速度很快，但是這種反沖機(jī)構(gòu)在閥瓣回座過程中，受到與閥體密封面之間環(huán)向間隙和垂向間隙影響，氣體很容易在此處凝聚。因此，當(dāng)閥瓣與閥體密封面進(jìn)行接觸時，凝聚在此處的氣體阻止了閥瓣與閥體密封面接觸，導(dǎo)致回座壓力偏小。

4 提高回座壓力的改進(jìn)措施

常壓罐箱安全閥不設(shè)調(diào)節(jié)圈，無法通過升高或降低調(diào)節(jié)圈的高度來調(diào)整閥門的回座壓力。提高回座壓力只能通過調(diào)整安全閥的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

4.1 提高彈簧剛度值

安全閥設(shè)計(jì)時，呼出彈簧一般按如下方式進(jìn)行剛度計(jì)算。

其中，K：彈簧剛度，N/m；

F1：呼出整定時彈簧彈力，N；

P：呼出整定壓力，MPa；

A：O形密封圈內(nèi)部面積，mm2；

D：O形密封圈中徑，mm。

排放壓力條件下彈簧彈力為：

式中，F(xiàn)2：排放壓力條件下彈簧彈力，N；

Pd：排放整定壓力，MPa；

A1：O形密封圈外部至閥瓣邊緣部分面積，mm2；

λ：排放壓力減小系數(shù)。

λ為排放壓力減小系數(shù)，該系數(shù)與閥門的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，是一個不確定值。當(dāng)λ取值為0.1時，彈簧剛度計(jì)算為36N/mm，但試驗(yàn)回座壓力僅為0.32MPa，與要求的回座壓力不小于0.396MPa相差較大。

減小系數(shù)λ具有不確定性，只能通過試驗(yàn)驗(yàn)證合適的取值范圍。因此，減小系數(shù)分別按0.15、0.2和0.25三個值計(jì)算，對應(yīng)計(jì)算出3種不同剛度的彈簧，通過試驗(yàn)來驗(yàn)證來選擇剛度最合適的彈簧。當(dāng)λ=0.15時，對應(yīng)彈簧剛度40N/mm；當(dāng)λ=0.20時，對應(yīng)彈簧剛度43N/mm；當(dāng)λ=0.25時，對應(yīng)彈簧剛度46N/mm。

4.2 增大閥瓣與閥體導(dǎo)向面配合間隙

為減小閥瓣與導(dǎo)向面間的摩擦力，防止閥瓣發(fā)生卡滯，確保閥瓣在運(yùn)動過程中順利抬升和回座，調(diào)整了閥瓣與導(dǎo)向面間的徑向間隙。根據(jù)閥瓣與導(dǎo)向面接觸部分高度值，閥體導(dǎo)向面內(nèi)徑，確定增大的間隙值。通過加工閥瓣外圓的方式來增大閥瓣與導(dǎo)向面間的徑向間隙，將配合間隙單側(cè)增大0.5mm。

4.3 增加閥瓣與閥體密封面間環(huán)向和垂向間隙

增大閥瓣與閥體密封面間的環(huán)向間隙和垂向間隙，使排放的氣體不在此處凝聚而快速的泄放，從而達(dá)到提高回座壓力的目的。由于提高回座壓力的同時還要滿足排量要求，因此，不能將閥瓣反沖凸邊全部去掉，將閥瓣與閥體密封面間環(huán)向和垂向間隙各增大1mm，示意圖見圖1。

圖1 閥瓣與閥體間隙示意圖

5 解決措施的驗(yàn)證

5.1 模擬試驗(yàn)

對采取措施后的安全閥行了多次模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。模擬試驗(yàn)按彈簧剛度、整定壓力為原安全閥的0.5倍，情況如下[3]：

5.1.1 彈簧剛度為20N/mm和21.5N/mm時，閥瓣抬升明顯，能夠達(dá)到規(guī)定的抬升高度，回座壓力也有明顯提升，為整定壓力的84.3%。但彈簧剛度為23N/mm時閥瓣抬升高度有限，不符合規(guī)定高度要求，說明彈簧剛度取23N/mm時過大，選擇20/mm至21.5N/mm為宜。

5.1.2 閥瓣與閥體導(dǎo)向面配合間隙增大0.5mm后，模擬整定壓力為0.22MPa時，回座壓力可達(dá)0.17～0.18MPa，為整定壓力的77.3%～81.8%。

5.1.3 增加閥瓣與閥體密封面間環(huán)向和垂向間隙1mm后，模擬整定壓力為0.22MPa時，回座壓力可達(dá)0.18～0.20MPa，為整定壓力的81.8%～90.9%。

5.1.4 模擬試驗(yàn)同時增大彈簧剛度至20N/mm，增加閥瓣與導(dǎo)向面徑向配合間隙0.5mm，增加閥瓣與閥體密封面間環(huán)向和垂向間隙1mm后，模擬整定壓力為0.22MPa時，回座壓力可達(dá)0.20MPa以上，為整定壓力的90%以上。

在試驗(yàn)過程中，閥瓣抬升和回座流暢，無卡滯現(xiàn)象。

5.2 采取措施后的效果

改進(jìn)后的罐箱安全閥再次進(jìn)行了型式試驗(yàn)，回座壓力達(dá)0.41MPa，為整定壓力的93.2%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其他檢驗(yàn)項(xiàng)目均符合要求，具體檢測結(jié)果見表3。

表3 改進(jìn)后安全閥型式試驗(yàn)檢測結(jié)果

6 結(jié)束語

彈簧剛度是影響安全閥回座壓力的重要因素，增大彈簧剛度可有效提高回座壓力，但受閥門排量要求限制，彈簧剛度不宜過大。

增大閥瓣與閥體導(dǎo)向面配合間隙，降低摩擦；增加閥瓣與閥體密封面間環(huán)向和垂向間隙，閥瓣回座時減少聚氣，能有效提高安全閥回座壓力。