高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)

1、高壓超高溫快速換向閥的高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)李保升，吳尖斌，邵程達(dá)李保升，吳尖斌，邵程達(dá)（浙江石化閥門有限公司，溫州（浙江石化閥門有限公司，溫州325024）2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)2 高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng) 李保升，吳尖斌，邵程達(dá) （浙江石化閥門有限公司，溫州325024）v 摘要：摘要：介紹了一種高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及在啟閉狀態(tài)下的力的計(jì)算，詳細(xì)分析了減振儲(chǔ)能系統(tǒng)的特殊功能。v 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：超高溫；快速換向閥；“三高”介質(zhì)；三層兩體式閥芯；保護(hù)層； 隔熱層； 四層三體式閥桿；溫差梯度；應(yīng)

2、變梯度；等效應(yīng)力；減振儲(chǔ)能彈簧；阻尼油缸。2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)31. 概述概述 高壓超高溫快速換向閥是空氣動(dòng)力裝置（風(fēng)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(shí)間2秒。國(guó)、內(nèi)外首創(chuàng)（圖1）.技術(shù)要求如下：（1）閥芯換向平穩(wěn)，對(duì)閥座無(wú)明顯撞擊現(xiàn)象，換向時(shí)間2秒；（2）高溫氣流流經(jīng)換向閥的熱量損失要小，進(jìn)出口氣流溫差1；（3）閥門殼體的外表溫度110；2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)4（4）閥門的使用壽命，在高溫下開關(guān)5000次以上；（5）在最高工作壓力12MPa和最低工作壓力0.3MPa時(shí)，閥門均能

3、密封；（6）對(duì)閥體、閥芯、閥座、閥桿等主要零件，用有限元進(jìn)行應(yīng)力和溫度的分析計(jì)算； 本閥門經(jīng)過一年半的設(shè)計(jì)和試制，并請(qǐng)清華大學(xué)和天津大學(xué)應(yīng)用有限元對(duì)主要零件進(jìn)行分析計(jì)算。產(chǎn)品于2004年底進(jìn)行驗(yàn)收。 2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)51閥底座 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(dòng)傳動(dòng)總成 12手動(dòng)傳動(dòng)總成圖1 總裝圖2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)62. 傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 本閥門的傳動(dòng)鏈?zhǔn)牵簹鈩?dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿閥芯。氣缸內(nèi)活塞的上下運(yùn)動(dòng)，通過閥桿，帶動(dòng)閥芯上下運(yùn)動(dòng)，分別和上下閥座密封，實(shí)

4、現(xiàn)流道的換向。2.1 閥芯的結(jié)構(gòu)閥芯的結(jié)構(gòu) 閥芯是處于三高（高溫、高壓、高速）介質(zhì)的流體中，工作環(huán)境惡劣，設(shè)計(jì)成三層兩體式結(jié)構(gòu)（見圖2）。最外層和上、下護(hù)板為保護(hù)層，采用鈷基硬質(zhì)合金；第二層為隔熱層， 2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)7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(gè)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(nèi)部上、下各有一個(gè)凹球面，分別和閥桿頭部的兩個(gè)凸球面接觸，以提高其浮動(dòng)性。2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)8圖2 三層兩體式閥芯結(jié)構(gòu)1下護(hù)板 2下隔熱層3閥芯下部 4外圓防護(hù)套5閥桿頭部 6

5、閥芯上部7上閥芯密封球面 8上護(hù)板9冷卻氣管 10上隔熱層11上閥芯內(nèi)球面 12圓周隔熱層13下閥芯內(nèi)球面 14下閥芯密封球面2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)92.2 閥桿的結(jié)構(gòu)閥桿的結(jié)構(gòu) 閥桿既承受“三高”介質(zhì)的沖刷，又要承受傳動(dòng)系統(tǒng)的拉力和壓力，是本閥門關(guān)鍵的受力件。為了提高閥桿的強(qiáng)度，必須降低閥桿主體的工作溫度。本閥桿設(shè)計(jì)成四層三體式結(jié)構(gòu)（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(nèi)外由四層組成，最外層是保護(hù)套，一端與閥桿頭部焊接，另一端浮動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生熱變形應(yīng)力，保護(hù)套的外表面堆 2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)10焊鈷基硬質(zhì)合金。

6、第二層為隔熱層，可減少保護(hù)套對(duì)閥桿主體的熱傳導(dǎo)和熱輻射。第三層為閥桿主體，選用4Cr14Ni14W2Mo高強(qiáng)耐熱鋼。第四層為冷卻管，冷卻空氣從管內(nèi)進(jìn)入，流經(jīng)閥桿頭部，再?gòu)拈y桿主體的內(nèi)孔，即冷卻管的外壁排出。該結(jié)構(gòu)通過有限元分析，閥桿主體的外壁溫度538，等效應(yīng)力287MPa，內(nèi)壁溫度375，等效應(yīng)力166MPa，溫差梯度和應(yīng)變梯度都在材料的許用范圍內(nèi)。2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)111- 閥桿頭部 2-閥桿保護(hù)套3-閥桿隔熱層 4-閥桿主體5-冷卻管 6-下閥桿頂蓋7-下螺母 8-鎖緊螺母9-對(duì)開圓環(huán) 10-上螺母11-上閥桿 12-進(jìn)氣口13-出氣口 14-上接觸球面15

7、-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(jié)構(gòu)2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)12 2.3氣動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 閥門的氣動(dòng)控制系統(tǒng)包括氣缸、活塞、減振儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)氣控元件等（詳見圖4）。氣缸設(shè)計(jì)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(chǔ)能彈簧，彈簧分長(zhǎng)、中、短三組，分級(jí)減振阻尼。氣缸內(nèi)徑630mm，用兩只德國(guó)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(guó)宇策公司的快速排氣閥，可降低活塞背壓，使活塞移動(dòng)速度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在氣缸座的上、下端分別安裝8只液動(dòng)阻尼油缸，阻尼效果可由操作者控制調(diào)節(jié)閥。

8、 2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)139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(zhǎng)彈簧 18上氣缸座19手動(dòng)機(jī)構(gòu)圖4 氣動(dòng)控制系統(tǒng)2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)143. 傳動(dòng)系統(tǒng)的分析與計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的分析與計(jì)算3.1 閥桿組件的運(yùn)動(dòng)分析閥桿組件的運(yùn)動(dòng)分析 在傳動(dòng)系統(tǒng)中，活塞、閥桿及閥芯為一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體，該整體可看作是運(yùn)動(dòng)組件，該組件在氣缸推力、彈簧力的作用下，克服介質(zhì)及填料函摩擦阻力向前運(yùn)動(dòng)，完成換向閥的換向動(dòng)作。3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算3.2.1 閥桿組件運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算閥桿組件運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算 閥

9、桿組件的運(yùn)動(dòng)是由氣缸內(nèi)壓縮空氣推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)而引起，活塞移動(dòng)的速度即為閥桿組件的運(yùn)動(dòng)速度?；钊苿?dòng)速度主要由電磁閥供氣量來(lái)決定，計(jì)算如下：2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)15 電磁閥額定流量6000升/分，以4000升/分計(jì)算（考慮背壓），兩只電磁閥8000升/分，即133升/秒。氣缸內(nèi)徑630mm，行程150mm，容積為： 0.7856.321.5=46.7（升）充滿氣缸所用時(shí)間為： 46.7133=0.35（秒） 活塞接觸彈簧前的移動(dòng)速度： 150mm0.35秒=429 mm/秒2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)163.2.2 3.2.2 彈簧壓縮力的計(jì)算彈簧壓

10、縮力的計(jì)算 彈簧有長(zhǎng)、中、短三種，分別以1、2、3三個(gè)號(hào)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(zhǎng)彈簧8根，中彈簧20根，短彈簧30根。下氣缸座安裝長(zhǎng)彈簧12根，中彈簧20根，短彈簧26根。D彈簧中徑： D1=D2=D3=40mm (設(shè)計(jì)給定)d彈簧鋼絲直徑： d1=8mm d2=9mm d3=10mm (設(shè)計(jì)給定)n彈簧有效圈數(shù)：n1=7.5 n2=6.5 n3=6 (設(shè)計(jì)給定)2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)17Ho彈簧自由高度：Ho1=109.5mm,Ho2=105mm,Ho3=100mm (設(shè)計(jì)給定)h彈簧壓縮高度：h1=29.5

11、mm,h2=25mm,h3=20mm (設(shè)計(jì)給定) 彈簧單圈剛度： 式中: G彈簧材料剪切彈性模量，設(shè)計(jì)取78.5GPa。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表11-1-2 （化學(xué)工業(yè)出版社）計(jì)算得到：dP348 DGdPdmmNPd/6281mmNPd/10062mmNPd/153332022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)18 彈簧剛度：(1) 單根長(zhǎng)彈簧壓縮力(抗力)Pk1計(jì)算 Pk1= =83.729.5=2469(N)=252(kgf) (2) 單根中彈簧抗力P k2計(jì)算 Pk2= =154.7625=3869(N)=395(kgf) (3) 單根短彈簧抗力Pk3計(jì)算 Pk3= =255.520=

12、5110(N)=521(kgf) (4) 下氣缸座彈簧總抗力P下K總計(jì) P下K總=Pk112+Pk220+Pk326=239806(N)=24.47(t)PnPPd/mmNP/7 .831mmNP/76.1542mmNP/5 .2553 ， 11hP22hP33hP2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)19(5)上氣缸座彈簧總抗力P上K總計(jì)算 P上K總= Pk18+ Pk220+Pk330=25035(N)=25.546(t)3.2.3 氣缸推力的計(jì)算氣缸推力的計(jì)算式中：PT1活塞向下推力； PT2活塞向上推力； D氣缸內(nèi)徑630mm； d1活塞上部閥桿直徑80mm ； D2活塞下部

13、閥桿直徑100mm ； P氣體壓力 1MPa。PdDPT)(42121PdDPT)(422222022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)20代入計(jì)算：3.2.4 介質(zhì)作用力的計(jì)算介質(zhì)作用力的計(jì)算介質(zhì)最高壓力 (設(shè)計(jì)給定)介質(zhì)最低壓力 (設(shè)計(jì)給定)DZ1上閥座密封面內(nèi)徑為233mm (設(shè)計(jì)給定)DZ2下閥座密封面內(nèi)徑為215mm (設(shè)計(jì)給定)dF下閥桿直徑為108mm (設(shè)計(jì)給定)(28.31)(3065431)80630(4221tNPT)(99.30)(3037171)100630(4222tNPT MPa12maxP MPa3 . 0minP2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳

14、動(dòng)系統(tǒng)21（1）上閥座關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)作用力：）上閥座關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)作用力：（2）下閥座關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)作用力：）下閥座關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)作用力：3.2.5 填料函處摩擦力的計(jì)算填料函處摩擦力的計(jì)算）t (08.53N(52022012235785. 04P2m21maxaxzJ上PD）t (33. 1N(130053 . 0235785. 04P2m21mininzJ上PD) t (22.32)N(32556512)108215(785. 0)(4P22m222maxaxFzJ下PdD) t (83. 0N(81393 . 0)108215(785. 0)(4P22m222min）inFzJ下PdDPbdQ

15、TTT2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)22式中： 填料系數(shù)，查表得 （閥門設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)P162）； 下閥桿直經(jīng)，108mm (設(shè)計(jì)給定) 填料寬度，20mm (設(shè)計(jì)給定) 填料高度150mm (設(shè)計(jì)給定)代入： 19. 1FdTbTh) t (15. 3)N(30845122010819. 1maxmaxPbdQTTT) t (79. 0)N(7713 . 02010819. 1minminPbdQTTT2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)233.2.6 上閥座開啟時(shí)總作用力（P上開）分析(1)上閥座開啟時(shí)，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(shí)

16、的總作用力 =306543+250351- 520220-30845 =5829(N)結(jié)論：能開啟maxmaxK1TJT大QPPPP上總上上開2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)24(3)最小工作壓力下，上閥座開啟時(shí)的總作用力 。 =306543+250351-13005-771 =543118(N)結(jié)論：能開啟3.2.7 上閥座關(guān)閉時(shí)總作用力（P上關(guān)）分析及密封比壓（q）計(jì)算(1)上閥座關(guān)閉時(shí)，閥桿組件受力情況見附圖6minminK1TJT小QPPPP上總上上開2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)25 結(jié)論：能關(guān)閉(3) 最小工作壓力下，上閥座關(guān)閉時(shí)的總作用力結(jié)論：能

17、關(guān)閉(4) 最大工作壓力下，上閥座關(guān)閉時(shí)的密封比壓及擠壓強(qiáng)度maxK2maxTTJ關(guān)大QPPPP總上上上542741(N) 30845-250351-303717520220minK2minTTJ關(guān)小QPPPP總上上上65600(N) 771-250351-30371713005maxmax關(guān)大maxM上M上MN上bbDPq上）（上2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)26 式中： 上閥座最大密封比壓； 上閥座密封面內(nèi)徑，235mm； 上閥座密封面寬度，4mm；代入：查閥門設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè) 表4-11,q=250(MPa) 結(jié)論：合格(5)最小工作壓力下，上閥座關(guān)閉時(shí)的密封性能查閥門設(shè)計(jì)

18、計(jì)算手冊(cè) 表4-10， (密封面必須比壓)=44 MPa ，能密封。 結(jié)論：合格max上qMN上DmaxM上b）（MPaq上8 .1804423514. 3542741maxqmax上qminmin關(guān)小minMMMN上bbDPq）（上58.9(MPa)5 . 1)5 . 1235(14. 36500 MFq2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)273.2.8 下閥座開啟時(shí)總作用力（P下開）分析(1)下閥座開啟時(shí)，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(shí)的總作用力 結(jié)論：能開啟 maxmaxK2TJ下下T下開QPPPP總大187113(N) 30845-325565

19、-2398063037172022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)28(3)最小工作壓力下，下閥座開啟時(shí)的總作用力 結(jié)論：能開啟 3.2.9 下閥座關(guān)閉時(shí)總作用力（P下關(guān)）分析及密封比壓(q)計(jì)算 (1)下閥座關(guān)閉時(shí)，閥桿組件受力情況見附圖8。minminK2TJ下下T下開QPPPP總?。∟53461377181392398063037172022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)29(2)最大工作壓力下，下閥座關(guān)閉時(shí)的總作用力 結(jié)論：能關(guān)閉 (3)最小工作壓力下，下閥座關(guān)閉時(shí)的總作用力 結(jié)論：能關(guān)閉 maxK1maxT下TJ下下關(guān)QPPPP總大361457(N) 30845-

20、239806-306543325565minK1minT下TJ下下關(guān)QPPPP總小74105(N) 771-239806-30654381392022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)30(4)最大工作壓力下，下閥座關(guān)閉時(shí)的密封比壓及擠壓強(qiáng)度 =3614573.14(215+4)4 =131.4(MPa)查閥門設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)表4-11,q=250(MPa) ，能密封結(jié)論：合格minmin關(guān)小minM下M下MN下下下bbDPq）（MFqmin下qMFq2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)323.3 氣缸內(nèi)安裝彈簧的作用分析氣缸內(nèi)安裝彈簧的作用分析3.3.1 減振阻尼作用減振阻尼作

21、用 當(dāng)氣缸活塞推動(dòng)閥桿組件快速移動(dòng)到接近閥座位置時(shí)，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(guān)閉時(shí)，氣缸推力為306543N，彈簧作用力為239806N，抵消了78%。在上閥座關(guān)閉時(shí)，氣缸推力為303717N，彈簧作用力為250351N，推消了82%。同時(shí)彈簧分級(jí)阻尼，效果十分明顯。2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)333.3.2 幫助氣缸開啟閥門幫助氣缸開啟閥門 當(dāng)閥門需要開啟時(shí)，見圖1，必須克服介質(zhì)作用力和填料函摩擦力，在下閥座開啟時(shí),介質(zhì)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(huì)被開啟。要想在沒有彈簧的情況下，把閥門打開，只有擴(kuò)大氣缸內(nèi)徑，增大氣缸推力。氣缸內(nèi)徑必須從630增大至860。而當(dāng)氣缸增大后，氣缸容積增大，閥桿組件的移動(dòng)速度減慢，閥門關(guān)閉時(shí)間達(dá)不到要求。2022-5-19高壓超高溫快速換向閥的傳動(dòng)系統(tǒng)34 3.3.3 保護(hù)閥門密封面，提高閥門使用壽命保護(hù)閥門密封面，提高閥門使用壽命 當(dāng)下閥座關(guān)閉時(shí)，如果沒有彈簧，氣缸內(nèi)徑將增加到860，下閥座承受的密封比壓將原來(lái)