高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)

高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)李保升，吳尖斌，邵程達（浙江石化閥門有限公司，溫州325024）高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)2015-2-152高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)李保升，吳尖斌，邵程達（浙江石化閥門有限公司，溫州325024）

摘要：介紹了一種高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)的原理、結構及在啟閉狀態(tài)下的力的計算，詳細分析了減振儲能系統(tǒng)的特殊功能。

關鍵詞：超高溫；快速換向閥；“三高”介質；三層兩體式閥芯；保護層；隔熱層；四層三體式閥桿；溫差梯度；應變梯度；等效應力；減振儲能彈簧；阻尼油缸。1.概述高壓超高溫快速換向閥是空氣動力裝置（風洞）上用的特殊閥門，閥門的最高工作溫度900℃，最高工作壓力12MPa，公稱通徑DN200，換向時間≤2秒。國、內外首創(chuàng)（圖1）.技術要求如下：閥芯換向平穩(wěn)，對閥座無明顯撞擊現(xiàn)象，換向時間≤2秒； 高溫氣流流經換向閥的熱量損失要小，進出口氣流溫差≤1℃；閥門殼體的外表溫度≤110℃；2015-2-153高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)閥門的使用壽命，在高溫下開關5000次以上；在最高工作壓力12MPa和最低工作壓力0.3MPa時，閥門均能密封；（6）對閥體、閥芯、閥座、閥桿等主要零件，用有限元進行應力和溫度的分析計算；本閥門經過一年半的設計和試制，并請清華大學和天津大學應用有限元對主要零件進行分析計算。產品于2004年底進行驗收。2015-2-154高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)1—閥底座2015-2-155高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)2—下閥座3—閥芯總成4—閥體5—隔熱襯里6—上閥座7—隔熱套管8—閥桿總成9—閥蓋10—支架11—氣動傳動總成12—手動傳動總成圖1

總裝圖2.傳動系統(tǒng)的結構2015-2-156高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)本閥門的傳動鏈是：氣動執(zhí)行機構→閥桿→閥芯。氣缸內活塞的上下運動，通過閥桿，帶動閥芯上下運動，分別和上下閥座密封，實現(xiàn)流道的換向。2.1

閥芯的結構閥芯是處于三高（高溫、高壓、高速）介質的流體中，工作環(huán)境惡劣，設計成三層兩體式結構（見圖2）。最外層和上、下護板為保護層，采用鈷基硬質合金；第二層為隔熱層，選用硅酸鋁纖維布；最里面為閥芯主體，選用高溫合金鋼GH3128。閥芯外面有兩個球形密封面，堆焊Co119，分別和上、下閥座密封面形成密封。閥芯內部上、下各有一個凹球面，分別和閥桿頭部的兩個凸球面接觸，以提高其浮動性。2015-2-157高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)圖2

三層兩體式閥芯結構2015-2-158高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)1—下護板2—下隔熱層3—閥芯下部4—外圓防護套5—閥桿頭部6—閥芯上部7—上閥芯密封球面8—上護板9—冷卻氣管10—上隔熱層11—上閥芯內球面12—圓周隔熱層13—下閥芯內球面14—下閥芯密封球面2.2

閥桿的結構閥桿既承受“三高”介質的沖刷，又要承受傳動系統(tǒng)的拉力和壓力，是本閥門關鍵的受力件。為了提高閥桿的強度，必須降低閥桿主體的工作溫度。本閥桿設計成四層三體式結構（見圖

3），三體是指上閥桿、下閥桿和閥桿頭部。所謂四層，是指下閥桿的內外由四層組成，最外層是保護套，一端與閥桿頭部焊接，另一端浮2動015-，2-15不會產生熱變高壓超形高溫應快速力換向閥，的傳保動系護統(tǒng)

套的外表面堆

9焊鈷基硬質合金。第二層為隔熱層，可減少保護套對閥桿主體的熱傳導和熱輻射。第三層為閥桿主體，選用4Cr14Ni14W2Mo高強耐熱鋼。第四層為冷卻管，冷卻空氣從管內進入，流經閥桿頭部，再從閥桿主體的內孔，即冷卻管的外壁排出。該結構通過有限元分析，閥桿主體的外壁溫度538℃，等效應力287MPa，內壁

溫度375℃，等效應力166MPa，溫差梯度和應變梯度都在材料的許用范圍內。2015-2-1510高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)1-閥桿頭部2-閥桿保護套3-閥桿隔熱層

4-閥桿主體5-冷卻管7-下螺母6-下閥桿頂蓋8-鎖緊螺母9-對開圓環(huán)10-上螺母11-上閥桿13-出氣口12-進氣口14-上接觸球面15-閥芯上部16-下接觸球面17-閥芯下部圖3四層三體式閥桿結構2015-2-1511高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)2.3氣動控制系統(tǒng)的結構閥門的氣動控制系統(tǒng)包括氣缸、活塞、減振儲能機構氣控元件等（詳見圖4）。氣缸設計成單缸雙作用氣缸，氣源壓力1.0MPa。氣缸的上、下座分別固定58根減振儲能彈簧，彈簧分長、中、短三組，分級減振阻尼。氣缸內徑630mm，用兩只德國FESTO公司的3/4“大電磁閥向氣缸供氣。在氣控管路上，還安裝兩只韓國宇策公司的快速排氣

閥，可降低活塞背壓，使活塞移動速度達到設計要求。在氣缸座的上、下端分別安裝8只液動阻尼油缸，阻尼效果可由操作者控制調節(jié)閥。2015-2-1512高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)9—上閥桿10—緩閉油缸11—緩閉油缸活塞12—節(jié)流閥13—下氣缸座14—活塞15—氣缸16—短彈簧17—長彈簧18—上氣缸座19—手動機構圖4氣動控制系統(tǒng)2015-2-1513高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)的分析與計算閥桿組件的運動分析在傳動系統(tǒng)中，活塞、閥桿及閥芯為一個運動整體，該整體可看作是運動組件，該組件在氣缸推力、彈簧力的作用下，克服介質及填料函摩擦阻力向前運動，完成換向閥的換向動作。傳動系統(tǒng)的計算閥桿組件運動速度的計算閥桿組件的運動是由氣缸內壓縮空氣推動活塞運動而引起，活塞移動的速度即為閥桿組件的運動速度。活塞移動速度主要由電磁閥供氣量來決定，計算如下：2015-2-1514高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)電磁閥額定流量6000升/分，以4000升/分計算（考慮背壓），兩只電磁閥8000升/分，即

133升/秒。氣缸內徑630mm，行程150mm，容積為：0.785×6.32×1.5=46.7（升）充滿氣缸所用時間為：46.7÷133=0.35（秒）活塞接觸彈簧前的移動速度：150mm÷0.35秒=429

mm/秒2015-2-1515高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)3.2.2

彈簧壓縮力的計算彈簧有長、中、短三種，分別以1、2、3三個號碼表示，材料均為60Si2CrVA。上、下氣缸座分別安裝58根彈簧，上氣缸座安裝長彈簧8根，中彈簧20根，短彈簧30根。下氣缸座安裝長彈簧12根，中彈簧20根，短彈簧26根。D—彈簧中徑：

D1=D2=D3=40mm

(設計給定)d—彈簧鋼絲直徑：d1=8mm

d2=9mm

d3=10mm

(設計給定)

n—彈簧有效圈數(shù)：n1=7.5

n2=6.5

n3=6

(設計給定)2015-2-1516高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)Ho—彈簧自由高度：

Ho1=109.5mm,Ho2=105mm,Ho3=100mm(設計給定)h—彈簧壓縮高度：h1=29.5mm,h2=25mm,h3=20mm (設計給定)式中:G—彈簧材料剪切彈性模量，設計取78.5GPa。查《機械設計手冊》表11-1-2

（化學工業(yè)出版社）計算得到：dP′42015-2-1517高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)8

D

3Gd′d—彈簧單圈剛度：P

d1P′

628N

/

mmd

2P′

1006N

/

mmd

3P

′

1533

N

/

mm(1)

單根長彈簧壓縮力(抗力)Pk1計算2015-2-1518高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)(2)

單根中彈簧抗力P

k2計算Pk2=

=154.76×25=3869(N)=395(kgf)(3)

單根短彈簧抗力Pk3計算Pk3==255.5×20=5110(N)=521(kgf)(4)下氣缸座彈簧總抗力P下K總計P下K總=Pk1×12+Pk2×20+Pk3×26=239806(N)=24.47(t)P—′彈簧剛度：′d′P

P

/

n1′P

83.7N/

mm′P

2

154.76N

/

mm′P

3

255.5N

/

mm，Pk1=

1

=83.7×29.5=2469(N)=252(kgf)′1P

h22′P

h33′P

h(5)上氣缸座彈簧總抗力P上K總計算P上K總=Pk1×8+Pk2×20+Pk3×30=25035(N)=25.546(t)3.2.3

氣缸推力的計算式中：PT1—活塞向下推力；

PT2—活塞向上推力；

D—氣缸內徑630mm；d1—活塞上部閥桿直徑80mm

；D2—活塞下部閥桿直徑100mm

；P—氣體壓力1MPa。42015-2-1519高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)T

1

1P

(D2

d

2

)

P4

d

2

)

P2T

2P

(D

2代入計算：2015-2-1520高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)3.2.4

介質作用力的計算介質最高壓力介質最低壓力DZ1——上閥座密封面內徑為233mmDZ2——下閥座密封面內徑為215mmdF——下閥桿直徑為108mm(設計給定)(設計給定)(設計給定)(設計給定)(設計給定)4T

1P

(630

2

80

2

)

1

306543 (

N)

31

.28

(t

)4T

2P

(6302

1002

)

1

303717

(

N

)

30.99(t)

12

MPaP

maxPmin

0.3MPa（1）上閥座關閉時，介質作用力：2015-2-1521高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)（2）下閥座關閉時，介質作用力：4

0.785

2352

12

520220(N）

53.08(t）maxz1J上maxP

D

2

P4z1

minJ上minP

D

2

P

0.785

2352

0.3

13005(N）

1.33(t）z2

F

maxJ下maxP

(D

2

d

2

)

P

0.785

(2152

1082

)

12

325565(N)

32.22(t)P2z

2J下min

d

2

)

P

0.785

(215

2

108

2

)

0.3

8139

(

N）

0.83(t)F

min4

(

D43.2.5

填料函處摩擦力的計算Q

T

d

T

bT

P（閥門設計計2015-2-1522高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)(設計給定)(設計給定)(設計給定)式中：

——填料系數(shù)，查表得

1.19算手冊P162）；dF

——下閥桿直經，108mmbT

——填料寬度，20mmh

T

——填料高度150mm

dT

bT

Pmax

1.19

108

20

12

30845(N)

3.15(t)代入：QT

maxQT

min

dT

bT

Pmin

1.19

108

20

0.3

771(N)

0.79(t)3.2.6

上閥座開啟時總作用力（P上開）分析

(1)上閥座開啟時，閥桿組件受力情況見附圖5。(2)最大工作壓下，上閥座開啟時的總作用力P上開大

PT1＋P上K總

PJ上max

QT

max=306543+250351-520220-30845=5829(N)結論：能開啟2015-2-1523高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)(3)最小工作壓力下，上閥座開啟時的總作用力。P上開小

PT

1＋P上K總

PJ上min

QT

min=306543+250351-13005-771=543118(N)結論：能開啟3.2.7

上閥座關閉時總作用力（P上關）分析及密封比壓（q）計算(1)上閥座關閉時，閥桿組件受力情況見附圖62015-2-1524高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)

PT

22015-2-1525高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)P上關大

PJ上max

P上K總

QTmax

520220

303717-

250351-

30845

542741(N)結論：能關閉(3)

最小工作壓力下，上閥座關閉時的總作用力

PT

2P上關小

PJ上min

P上K總

QT

min

13005

303717-

250351-

771

65600(N結論：能關閉(4)

最大工作壓力下，上閥座關閉時的密封比壓及擠壓強度q上max

P上

關大

b

M

上

max

）

b

M

上

max

（

D

MN

上式中：

——上閥座最大密封比壓；2015-2-1526高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)——上閥座密封面內徑，235mm；——上閥座密封面寬度，4mm；q上maxMN

上DM上maxb代入：q上max

542741

3.14

235

4

4

180.（8

MPa）

[q]查《閥門設計計算手冊》表4-11,[q]=250(MPa)q上max結論：合格(5)最小工作壓力下，上閥座關閉時的密封性能q

上

min

P上

關小

b

M

min

）

b

M

min

（

D

MN

6500

[3.14(235

1.5)

1.5]

58.9(MPa)查《閥門設計計算手冊》

表4-10，q

MF

(密封面必須比壓)=44

MPa

>，能密封。 結論：合格3.2.8

下閥座開啟時總作用力（P下開）分析(1)下閥座開啟時，閥桿組件受力情況見附圖7。

(2)最大工作壓力下，下閥座開啟時的總作用力

PT

2P下開

大

P下

K

總

PJ下

max

QT

max

303717

239806-325565-30845

187113(N)結論：能開啟2015-2-1527高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)(3)最小工作壓力下，下閥座開啟時的總作用力

PT

2P下開小

P下K總

PJ下

min

QT

min

303717

239806

8139

771

53461（3

N）結論：能開啟3.2.9下閥座關閉時總作用力（P下關）分析及密封比壓(q)計算(1)下閥座關閉時，閥桿組件受力情況見附圖8。2015-2-1528高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)(2)最大工作壓力下，下閥座關閉時的總作用力2015-2-1529高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)P下關大

PJ下max

PT

1

P下K總

QT

max

325565

306543

-

239806

-

30845

361457(N)結論：能關閉(3)最小工作壓力下，下閥座關閉時的總作用力

PT1P下關小

PJ下

min

P下K總

QT

min

8139

306543 -

239806 -

771

74105(N)結論：能關閉(4)最大工作壓力下，下閥座關閉時的密封比壓及擠壓2015-2-1530高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)強度q下

max

P下關大

bM

下max

）

bM

下max

（

DMN

下=361457÷[3.14×(215+4)×4]=131.4(MPa)查《閥門設計計算手冊》表4-11,[q]=250(MPa)q下max

<[q]結論：合格(5)最小工作壓力下，下閥座關閉時的密封比壓及密封2015-2-1531高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)壓)=44MPa

，能密封結論：合格性能q下

min

P下關小

bM

下min

）

bM

下min

（

DMN

下=74105÷[3.14×(215+1.5)×1.5]=72.67(MPa)查《閥門設計計算手冊》表4-10,qMF

(密封面必須比q下min>

qMF3.3

氣缸內安裝彈簧的作用分析2015-2-1532高壓超高溫快速換向閥的傳動系統(tǒng)3.3.1

減振阻尼作用當氣缸活塞推動閥桿組件快速移動到接近閥座位置時，見圖1，活塞受到彈簧壓縮的作用力，該作用力抵消了部分氣缸推力，在下閥座關閉時，氣缸推力為306543N，彈簧作用力為

239806N，抵消了78%。在上閥座關閉時，氣缸推力為303717N，彈簧作用力為250351N，推消了82%。同時彈簧分級阻尼，效果十分明顯。3.3.2

幫助氣缸開啟閥門當閥門需要開啟時，見圖1，必須克服介質作用力和填料函摩擦力，在下閥座開啟時,介質作用力為325565N,填料函摩擦力為30845N，二者合力為356410N,氣缸向上的推力為

303717N，小于二者合力，如果沒有彈簧抗力的幫助，閥門就不會被開啟。要想在沒有彈簧的情況下，把閥門打開，只有擴大氣缸內徑，增大氣缸推力。氣缸內徑必須從Φ630增大至

Φ860。而當氣缸增大后，