1、高压超高温快速换向阀的传动系统,李保升，吴尖斌，邵程达（浙江石化阀门有限公司，温州325024）,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,2,高压超高温快速换向阀的传动系统 李保升，吴尖斌，邵程达 （浙江石化阀门有限公司，温州325024） 摘要：介绍了一种高压超高温快速换向阀的传动系统的原理、结构及在启闭状态下的力的计算，详细分析了减振储能系统的特殊功能。 关键词：超高温；快速换向阀；“三高”介质；三层两体式阀芯；保护层； 隔热层； 四层三体式阀杆；温差梯度；应变梯度；等效应力；减振储能弹簧；阻尼油缸。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,3,1. 概述 高压超高
2、温快速换向阀是空气动力装置（风洞）上用的特殊阀门，阀门的最高工作温度900，最高工作压力12MPa，公称通径DN200，换向时间2秒。国、内外首创（图1）.技术要求如下：（1）阀芯换向平稳，对阀座无明显撞击现象，换向时间2秒；（2）高温气流流经换向阀的热量损失要小，进出口气流温差1；（3）阀门壳体的外表温度110；,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,4,（4）阀门的使用寿命，在高温下开关5000次以上；（5）在最高工作压力12MPa和最低工作压力0.3MPa时，阀门均能密封；（6）对阀体、阀芯、阀座、阀杆等主要零件，用有限元进行应力和温度的分析计算； 本阀门经过一年半的设计和
3、试制，并请清华大学和天津大学应用有限元对主要零件进行分析计算。产品于2004年底进行验收。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,5,1阀底座 2下阀座 3 阀芯总成 4阀体 5隔热衬里 6上阀座 7隔热套管 8阀杆总成 9阀盖 10支架 11气动传动总成 12手动传动总成,图1 总装图,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,6,2. 传动系统的结构 本阀门的传动链是：气动执行机构阀杆阀芯。气缸内活塞的上下运动，通过阀杆，带动阀芯上下运动，分别和上下阀座密封，实现流道的换向。2.1 阀芯的结构 阀芯是处于三高（高温、高压、高速）介质的流体中，工作环境恶劣，设计成三层
4、两体式结构（见图2）。最外层和上、下护板为保护层，采用钴基硬质合金；第二层为隔热层，,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,7,选用硅酸铝纤维布；最里面为阀芯主体，选用高温合金钢GH3128。阀芯外面有两个球形密封面，堆焊Co119，分别和上、下阀座密封面形成密封。阀芯内部上、下各有一个凹球面，分别和阀杆头部的两个凸球面接触，以提高其浮动性。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,8,图2 三层两体式阀芯结构,1下护板 2下隔热层3阀芯下部 4外圆防护套5阀杆头部 6阀芯上部7上阀芯密封球面 8上护板9冷却气管 10上隔热层11上阀芯内球面 12圆周隔热层13下阀芯
5、内球面 14下阀芯密封球面,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,9,2.2 阀杆的结构 阀杆既承受“三高”介质的冲刷，又要承受传动系统的拉力和压力，是本阀门关键的受力件。为了提高阀杆的强度，必须降低阀杆主体的工作温度。本阀杆设计成四层三体式结构（见图3），三体是指上阀杆、下阀杆和阀杆头部。所谓四层，是指下阀杆的内外由四层组成，最外层是保护套，一端与阀杆头部焊接，另一端浮动，不会产生热变形应力，保护套的外表面堆,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,10,焊钴基硬质合金。第二层为隔热层，可减少保护套对阀杆主体的热传导和热辐射。第三层为阀杆主体，选用4Cr14Ni14
6、W2Mo高强耐热钢。第四层为冷却管，冷却空气从管内进入，流经阀杆头部，再从阀杆主体的内孔，即冷却管的外壁排出。该结构通过有限元分析，阀杆主体的外壁温度538，等效应力287MPa，内壁温度375，等效应力166MPa，温差梯度和应变梯度都在材料的许用范围内。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,11,1- 阀杆头部 2-阀杆保护套3-阀杆隔热层 4-阀杆主体5-冷却管 6-下阀杆顶盖7-下螺母 8-锁紧螺母9-对开圆环 10-上螺母11-上阀杆 12-进气口13-出气口 14-上接触球面15-阀芯上部16-下接触球面17-阀芯下部,图3 四层三体式阀杆结构,2018/4/13,
7、高压超高温快速换向阀的传动系统,12,2.3气动控制系统的结构 阀门的气动控制系统包括气缸、活塞、减振储能机构气控元件等（详见图4）。气缸设计成单缸双作用气缸，气源压力1.0MPa。气缸的上、下座分别固定58根减振储能弹簧，弹簧分长、中、短三组，分级减振阻尼。气缸内径630mm，用两只德国FESTO公司的3/4“大电磁阀向气缸供气。在气控管路上，还安装两只韩国宇策公司的快速排气阀，可降低活塞背压，使活塞移动速度达到设计要求。在气缸座的上、下端分别安装8只液动阻尼油缸，阻尼效果可由操作者控制调节阀。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,13,9上阀杆 10缓闭油缸11缓闭油缸活塞
8、 12节流阀13下气缸座 14活塞15气缸 16短弹簧17长弹簧 18上气缸座19手动机构,图4 气动控制系统,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,14,3. 传动系统的分析与计算3.1 阀杆组件的运动分析 在传动系统中，活塞、阀杆及阀芯为一个运动整体，该整体可看作是运动组件，该组件在气缸推力、弹簧力的作用下，克服介质及填料函摩擦阻力向前运动，完成换向阀的换向动作。3.2 传动系统的计算3.2.1 阀杆组件运动速度的计算 阀杆组件的运动是由气缸内压缩空气推动活塞运动而引起，活塞移动的速度即为阀杆组件的运动速度。活塞移动速度主要由电磁阀供气量来决定，计算如下：,2018/4/13
9、,高压超高温快速换向阀的传动系统,15,电磁阀额定流量6000升/分，以4000升/分计算（考虑背压），两只电磁阀8000升/分，即133升/秒。气缸内径630mm，行程150mm，容积为： 0.7856.321.5=46.7（升）充满气缸所用时间为： 46.7133=0.35（秒） 活塞接触弹簧前的移动速度： 150mm0.35秒=429 mm/秒,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,16,3.2.2 弹簧压缩力的计算 弹簧有长、中、短三种，分别以1、2、3三个号码表示，材料均为60Si2CrVA。上、下气缸座分别安装58根弹簧，上气缸座安装长弹簧8根，中弹簧20根，短弹簧3
10、0根。下气缸座安装长弹簧12根，中弹簧20根，短弹簧26根。D弹簧中径： D1=D2=D3=40mm (设计给定)d弹簧钢丝直径： d1=8mm d2=9mm d3=10mm (设计给定)n弹簧有效圈数：n1=7.5 n2=6.5 n3=6 (设计给定),2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,17,Ho弹簧自由高度：Ho1=109.5mm,Ho2=105mm,Ho3=100mm (设计给定)h弹簧压缩高度：h1=29.5mm,h2=25mm,h3=20mm (设计给定) 弹簧单圈刚度： 式中: G弹簧材料剪切弹性模量，设计取78.5GPa。查机械设计手册表11-1-2 （化学工业
11、出版社）计算得到：,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,18,弹簧刚度：(1) 单根长弹簧压缩力(抗力)Pk1计算 Pk1= =83.729.5=2469(N)=252(kgf) (2) 单根中弹簧抗力P k2计算 Pk2= =154.7625=3869(N)=395(kgf) (3) 单根短弹簧抗力Pk3计算 Pk3= =255.520=5110(N)=521(kgf) (4) 下气缸座弹簧总抗力P下K总计 P下K总=Pk112+Pk220+Pk326=239806(N)=24.47(t),，,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,19,(5)上气缸座弹簧总抗力
12、P上K总计算 P上K总= Pk18+ Pk220+Pk330=25035(N)=25.546(t)3.2.3 气缸推力的计算式中：PT1活塞向下推力； PT2活塞向上推力； D气缸内径630mm； d1活塞上部阀杆直径80mm ； D2活塞下部阀杆直径100mm ； P气体压力 1MPa。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,20,代入计算：3.2.4 介质作用力的计算介质最高压力 (设计给定)介质最低压力 (设计给定)DZ1上阀座密封面内径为233mm (设计给定)DZ2下阀座密封面内径为215mm (设计给定)dF下阀杆直径为108mm (设计给定),2018/4/13,高
13、压超高温快速换向阀的传动系统,21,（1）上阀座关闭时，介质作用力：（2）下阀座关闭时，介质作用力：3.2.5 填料函处摩擦力的计算,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,22,式中： 填料系数，查表得 （阀门设计计算手册P162）； 下阀杆直经，108mm (设计给定) 填料宽度，20mm (设计给定) 填料高度150mm (设计给定)代入：,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,23,3.2.6 上阀座开启时总作用力（P上开）分析(1)上阀座开启时，阀杆组件受力情况见附图5。(2)最大工作压下，上阀座开启时的总作用力 =306543+250351- 520220
14、-30845 =5829(N)结论：能开启,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,24,(3)最小工作压力下，上阀座开启时的总作用力 。 =306543+250351-13005-771 =543118(N)结论：能开启3.2.7 上阀座关闭时总作用力（P上关）分析及密封比压（q）计算(1)上阀座关闭时，阀杆组件受力情况见附图6,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,25,结论：能关闭(3) 最小工作压力下，上阀座关闭时的总作用力结论：能关闭(4) 最大工作压力下，上阀座关闭时的密封比压及挤压强度,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,26,式中： 上
15、阀座最大密封比压； 上阀座密封面内径，235mm； 上阀座密封面宽度，4mm；代入：查阀门设计计算手册 表4-11,q=250(MPa) 结论：合格(5)最小工作压力下，上阀座关闭时的密封性能查阀门设计计算手册 表4-10， (密封面必须比压)=44 MPa ，能密封。 结论：合格,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,27,3.2.8 下阀座开启时总作用力（P下开）分析(1)下阀座开启时，阀杆组件受力情况见附图7。(2)最大工作压力下，下阀座开启时的总作用力 结论：能开启,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,28,(3)最小工作压力下，下阀座开启时的总作用力 结
16、论：能开启 3.2.9 下阀座关闭时总作用力（P下关）分析及密封比压(q)计算 (1)下阀座关闭时，阀杆组件受力情况见附图8。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,29,(2)最大工作压力下，下阀座关闭时的总作用力 结论：能关闭 (3)最小工作压力下，下阀座关闭时的总作用力 结论：能关闭,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,30,(4)最大工作压力下，下阀座关闭时的密封比压及挤压强度 =3614573.14(215+4)4 =131.4(MPa)查阀门设计计算手册表4-11,q=250(MPa) ，能密封结论：合格,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动
17、系统,32,3.3 气缸内安装弹簧的作用分析3.3.1 减振阻尼作用 当气缸活塞推动阀杆组件快速移动到接近阀座位置时，见图1，活塞受到弹簧压缩的作用力，该作用力抵消了部分气缸推力，在下阀座关闭时，气缸推力为306543N，弹簧作用力为239806N，抵消了78%。在上阀座关闭时，气缸推力为303717N，弹簧作用力为250351N，推消了82%。同时弹簧分级阻尼，效果十分明显。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,33,3.3.2 帮助气缸开启阀门 当阀门需要开启时，见图1，必须克服介质作用力和填料函摩擦力，在下阀座开启时,介质作用力为325565N,填料函摩擦力为30845N
18、，二者合力为356410N,气缸向上的推力为303717N，小于二者合力，如果没有弹簧抗力的帮助，阀门就不会被开启。要想在没有弹簧的情况下，把阀门打开，只有扩大气缸内径，增大气缸推力。气缸内径必须从630增大至860。而当气缸增大后，气缸容积增大，阀杆组件的移动速度减慢，阀门关闭时间达不到要求。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,34,3.3.3 保护阀门密封面，提高阀门使用寿命 当下阀座关闭时，如果没有弹簧，气缸内径将增加到860，下阀座承受的密封比压将原来的131.4MPa增加到307MPa，远远大于密封面的许用比压，必然会损坏阀门密封面，降低阀门使用寿命。 由上述分析可
19、见，气缸内安装弹簧的作用非常大，这一设计受到清华大学刘凤梧博士后的高度称赞，他说这一设计非常巧妙，一举三得。一般弹簧在机构中，基本上是单向起作用，而在该系统中，弹簧吸收能量和释放能量时，都,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,35,起作用，即双向起作用，所以该系统的设计新颖独特，计算精确，功能显著，因此在2007年获得国家发明专利，专利号：ZL200510038788.6。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,36,4. 结语 高压超高温快速换向阀，由于在结构和选材上设计合理，已经经受了长期的“三高”介质的考验。在传动方面，由于采用了阻尼储能弹簧和缓闭可调油缸，
20、不仅在操作上振感轻微，而且换向时间稳定在1.88秒1.98秒，达到设计要求。该产品的研制成功，不仅在同时具备“三高”介质的尖端阀门的研制上摸索了经验，同时在气液动传动机构上也探出了新路。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,37,参考文献1方向威,机械工程手册 工程材料卷M,北京:北京机械工业出版社, 1994,4-268,4-2892朱日新，耐热钢和高温合金M,北京:化学工业出版社，1996,156-1983成大先，机械设计手册M,北京:化学工业出版社，1993.11-3,11-294洪勉成、陆培文.阀门设计手册M,北京:中国标准出版社，1994,123-164作 者 简 介李保升，男，高级工程师，长期从事阀门产品的设计、开发和技术管理工作。,2018/4/13,高压超高温快速换向阀的传动系统,38,谢谢大家！,
