轨道式旋塞阀.pdf

文章编号 100225855 2006 0620005205 作者简介倪平1947 - ,男,工程师,从事阀门的产品开发和工艺设计。 轨 道 式 旋 塞 阀 倪 平 宁波埃美柯铜阀门有限公司,浙江 宁波 315020 摘要 介绍了轨道式旋塞阀的结构特点、工作原理和适用工况。对轨道式旋塞阀与普通旋塞 阀做了比较和分析。给出了轨道式旋塞阀主要零部件的受力分析、设计计算及其加工方法。 关键词 轨道式;旋塞阀;结构 中图分类号 TH134 文献标识码 A Orbit plug valve NI Ping Ningbo AMICO Copper Valves MFG INC , Ningbo 315020 , China Abstract This essay introduces orbit plug valve outstands with its simple structure , small open/ close moment , flexible manipulation and convenience in processing , debugging and cleaning; And then ex2 plains the design and producing of orbit plug valve. Key words orbit ; plug valve ; structure 1 概述 旋塞阀广泛应用于石油化工、天然气和暖通等 行业。旋塞阀是通过驱动装置使塞子旋转90,实 现塞子的通口与阀体的通道相通或断开。该阀是一 种快速启闭装置。 2 比较 普通旋塞阀的通道一般成梯形或矩形,这种结 构不便于管路清扫,同时增加了流阻,不易于控制 阀门的启闭力。例如紧定式圆锥旋塞阀的塞子与阀 体密封面间的密封就是依靠拧紧塞子下面的螺母来 实现的,螺母的锁紧力不易控制,拧紧了旋不动, 拧松了封不住。因此包括填料式圆锥形旋塞阀都只 能适合于低压工况。而对于高温耐磨旋塞阀往往会 因密封力过大塞子易被楔住,而要借助于附加的杠 杆手柄微微抬起塞子,然后再用手轮旋转塞子 90,才能实现阀门的开启。 轨道式旋塞阀借助轨道结构,使塞子在脱离与 阀座的接触后,完成90 旋转,达到与阀体通道的 相通。 同样借助轨道结构使塞子在转到关闭位置 11 塞子 21 阀座 31 阀体 41 调节圈 51 双销板 61 轨道圈 71 压板 81 锁紧螺母 91 阀杆 101 垫片 111 填料 121 阀盖 131 压圈 141 压紧螺母 151 手柄 161 垫圈 171 螺母 181 铭 牌 191 圆柱销 图1 轨道式旋塞阀 52006年第6期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 后,迫使塞子更深地压入阀体,达到与阀座的密 封。轨道式旋塞阀改进了普通旋塞阀结构的不足, 其加工调试方便,启闭轻巧,产品成本低等特点与 轨道球阀相近,而流阻小和流量系数大等性能又弥 补了硬密封蝶阀的不足。该阀的圆锥密封副具有良 好的加工性,适合于系统工况中温中压并要求全通 径的使用工况。 3 特点 311 结构 轨道式旋塞阀与普通旋塞阀在结构上相比有3 个特点。① 增设了轨道结构,主要由轨道圈和双销 板组成,辅之以用作调整和紧固轨道圈的调节圈和 锁紧螺母,以及为双销板径向和轴向定位用的圆柱 销和压板。② 增设了一对阀座,设定阀座密封面高 出阀体内腔面约3 mm ,使塞子仅与阀座密封面接 触。同时将塞子和阀座的通道截面改为圆形,便于 管路清扫。③ 阀杆端部以方榫与手柄相接,尾部以 扁状与塞子连接,形成传动链。 312 工作原理 阀门开启时,顺时针旋转手柄,通过阀杆带动 塞子旋转,在双销板的一对导向销作用下,使塞子 沿轨道圈的圆弧槽向上提升,脱离与阀座的接触, 而后沿轨道圈的导向槽水平段旋转至开启位置。阀 门关闭时,逆时针旋转手柄,塞子沿导向槽水平段 旋转,受导向槽的引导,沿圆弧槽继续旋转并同时 向下运行,在到达关闭位置后更深地压向阀座,使 阀座密封面从接触到受压变形,进而产生必需的密 封比压,完成阀门的密封。旋塞阀的轨道式结构消 除了密封副间的空载摩擦,减小了阀门的操作力 矩,延长了密封面的使用寿命。 4 设计 411 轨道部件 1轨道圈 轨道圈图 2 是轨道结构的主要零件,其内 圈有一对平键与塞子颈部键槽结成传动链,在其壁 上对称设置了一对导向槽。从其展开图中可看出, 导向槽分为水平段和圆弧段,在圆弧段顶端C处 设有开口,是装配时导向销的插入口。轨道圈采用 2Cr13钢硅熔胶铸造内径椭圆度约012 mm ,以 保证必要的形位公差和精度,并降低了加工难度。 导向槽设计为穿孔,以方便对铸件导向槽的表面和 边缘进行手工修正和研磨。导向槽的插入口C与 平键错开位置,也是出于这个考虑。修整后的轨道 圈表面应进行高频热处理,使其硬度达到44～ 50HRC ,或镀硬铬以防变形并提高表面光洁度。 以DN50轨道圈为例,阀门开启时,导向销位 于槽的B处,当塞子旋转时,由导向销引导沿轨 道槽的水平段旋转,设计确定在这个过程塞子与阀 座不接触。由于导向销已被紧固,当塞子沿圆弧槽 继续旋转到关闭位置时,如不考虑阀座的存在,塞 子将继续向下切入阀体1132 mm ,使塞子的8 圆 锥面单侧得到 ≤01086 mm的增量。这样阀座密封 面可以从中得到必需的密封挤压量。考虑机械加工 和装配精度,轨道圈的轨道向后延伸了一段长度。 它使塞子在到达位置后,还可从再旋转的过程中, 通过向下再运行0175 mm后,又可得到0～0105 mm不等的单侧增量。 导向槽由水平槽和圆弧槽组合而成,圆弧槽总 走向约14,这种结构使导向销在滑行中不易被圆 弧槽卡塞,而且自锁力较大。 图2 轨道圈 6 阀 门 2006年第期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2双销板 双销板是轨道圈的主要配合件,采用2Cr13钢 硅熔胶铸造。手工修整后,对导向销表面进行高频 热处理,使其表面硬度达到36～42HRC。对于大 口径阀门,当导向槽空间足够大时,可使用带轴套 导向销,使导向销在运行过程由原来的滑动摩擦变 为滚动摩擦。以减小阻力。 图3 双销板 3轨道圈和双销板的调整和固定 将塞子放入阀体时,应使塞子通口与阀体通道 对准,此时将导向销定在轨道圈的B处。上下旋 转调节圈图4 ,调整轨道圈的高低位置,从下 托住轨道圈。初调完成后分别按上压板和锁紧螺 母,借用调试工具旋转塞子,校对密封位置和轨道 圈位置,核准后可将双销板与阀体配作圆柱销防止 径向移动,其轴向位置由压板锁定。 图4 调节圈 对于公称通径DN50口径的旋塞阀在水平旋转 塞子时设定的间隙约01035 mm ,以保持旋塞阀的 擦拭作用。即便是因制造或调整产生的误差缩小了 必要的间隙,但可以脱离挤压,避免在重力摩擦状 态下用大力气旋转塞子,启闭阀门。 调整轨道圈走向和尺寸包括水平段轨道长 度 , 可有效调整塞子水平旋转时设定的间隙、塞 子通口与阀体通道的对中度、到达密封位置后往下 挤压的深度和必需的密封挤压量,以及轨道槽延伸 段的长度和磨损余量。因此必须在工艺成熟和稳定 之后,才能确定轨道槽的走向和尺寸。 412 密封副 密封副选择圆锥形密封形式,圆锥角为8 。 通道截面确定为圆形。阀座图 5 和塞子图 6 均为2Cr13精密铸件。阀座粗加工后与阀体胀接或 焊接连成一体。夹住阀体精车阀座圆锥面,使阀座 密封面高出阀体内腔面3 mm ,然后用高速磨头 6 000 r/ min磨削8 圆锥面。因此在设计阀体 时,应在阀体内腔下部要为高速磨头端部留出足够 的操作空间。 图5 阀座 为了降低阀座和塞子配对的8 圆锥面轮廓度 误差,塞子也应与阀体同机同向磨削。以塞子小端 止口DH11定位,尾架顶针顶住内孔B ,磨削圆锥 面。要求圆锥面轮廓度小于0103 mm。塞子端部 的扁形腔由精密铸造成形。 图6 塞子 5 受力分析和强度校核 511 密封条件 由虎克定律εσ/ E,转换得Δl Nl/ EA。 取不锈钢弹性模量E 2106105MPa ,则N/ A qMF。合金钢密封面阀门的密封比压qMF 1015 MPa 密封面宽度为5 mm , 按阀座零件图取lmax 72006年第6期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1615 mm ,计算得Δl 01000 9 mm。说明塞子 和阀座的圆锥面在正确配合下,只要压缩不到 0101 mm就能创造密封条件。而实际上在阀门关 闭过程首先要消化由加工过程产生的角度误差所产 生的间隙工艺规定圆锥面轮廓度公差t小于 0103 mm ,以及加工过程由粗糙度产生的单峰高 度等,才能进入密封压缩,得到必需的密封比压。 合并计算塞子下行所需的单侧增量约0103 mm。 按轨道圈的设计,只要塞子接触到阀座后沿轨道再 旋转不到6,使塞子往下垂直位移约015 mm ,圆 锥面单侧就能得到0103 mm的增量此段轨道斜 度约7。显然,轨道结构的设计能满足这个工艺 要求,且留有充分裕量。 512 塞子颈部 1阀座密封面积SMF可通过立体图截取测 定。数据显示圆锥面上的密封环面积比平面上的密 封环计算面积扩大20 ～35 。则密封面上达到 必需比压时的作用力QMF为 QMFSMFqMF 2当阀门进出端存在的压差T PN时,在 出口端密封面上存在介质静压力对塞子所接触的通 道面积SD的作用力QMJ QMJSDT 3设定塞子提升或下移时的摩擦系数fM 0130 ,其相对摩擦角为ρ ′ 1617,并已知半锥角 φ 4,则塞子提升或下移时的最大轴向力QS为 QS 2 QMFQMJ tg Q tg ρ ′ cos φ 4如塞子颈部截面积为FS,则其强度σ为 σ QS FS ≤[σL] 513 导向销 1当导向销在圆弧槽段受到水平力T时, 则塞子可得到其提升或下压时所需的最大轴向力 QS。设定提升斜度 β 7圆弧槽斜度总走向 14 , 摩擦系数fM 0130 ,其相对摩擦角为ρ ″ 1617,则 TQStg 7 1617 2如导向销水平力T的力臂为轨道圈半径 R ,则其摩擦力矩MD为 MDTRQSRtg 7 1617 3如一对导向销直径均为dd,则其单个导 向销抗弯矩WD 011dd3。其强度σW为 σW MD 2Wd ≤[σW] 514 旋塞阀的摩擦力矩和启闭力 1由于轨道分水平段和圆弧段,除阀杆旋转 时受到与填料间的摩擦力矩MT外,导向销还因提 升和下压塞子而在圆弧段受到摩擦力矩,因此旋塞 阀总力矩按不同受力段分二种。 当导向销处在水平段运行时,其受到的摩擦力 矩M1为 M1MT 当导向销处在圆弧段运行时,其受到的摩擦力 矩M2为 M2MTMD 2当阀杆旋转时受到压实后填料的摩擦力为 QT时,阀杆与填料间的摩擦力矩MT为 MT 015QTdF QTπdThTμTP 式中 dF 阀杆直径, mm hT 填料层总高度, mm μT 摩擦系数取μT 01 15 P 介质压力, MPa 旋塞阀最大操作转矩为提升和下压塞子时受到 的总摩擦力矩M2,当手轮直径为D时,轨道式旋 塞阀最大启闭力U为 U 2M2/ D 515 阀杆 若阀杆直径为dF,则其抗扭断面系数 ω 012dF3,阀杆剪切强度τN为 τNM2/ ω≤ [τN] 阀杆两端的方榫和扁形抗扭断面系数 ωF和剪 切强度 ωB为 ωFb3/ 418 ωBβ α 3 β值根据文献[1]查取。 516 调节圈和锁紧螺母 调节圈和锁紧螺母螺纹的螺牙根部必需有足够 强度承受住塞子在提升或下压时所受到的最大轴向 力QS的反复冲击,确保轨道圈的定位精确稳固。 其螺牙剪切应力τ和弯曲应力σW为 τQS/KZπdbZ≤[τ] σW 3QSh/ KZπdb2Z≤[σW] 式中 QS 最大轴向载荷, N 8 阀 门 2006年第期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. d 螺纹大径, mm b 螺纹牙根的宽度普通螺纹b 0187 t , mm Z 螺纹旋合圈数 H 螺牙公称高度普通螺纹H≈5/ 8 t , mm t 螺纹螺距, mm KZ 载荷不均匀系数取KZ 01 56 [τ] 剪切许用应力, MPa [σW] 弯曲许用应力, MPa 517 平键 轨道圈通过一对平键传递旋转摩擦力矩,需按 机械设计手册规定的计算公式对平键的连接强度和 挤压强度进行设计和校审。 6 分析 1轨道旋塞阀密封面改为圆锥环形面后,其 密封接触面积比平面环形面积增大20 ～35 可通过立体图测定 , 但其密封接触面积却比传统 结构的密封接触面积减小了85 左右。 2塞子在提升和下压过程也即形成密封和脱 离接触的过程,仅旋转6 ～10,垂直位移距离为 015～110 mm。此时受到的摩擦力矩最大。 3塞子沿水平段轨道槽旋转时因没有与阀座 接触,因此其摩擦力矩陡然降低,仅维持着阀杆与 填料间的摩擦力矩。 7 结语 轨道式旋塞阀制造安装和调试方便,能满足塞 子在阀门启闭过程借助轨道空载旋转,到位后又可 由瞬间增加的力矩下移或提升塞子达到密封面挤压 量的增减,降低了工作强度,延长了阀门的使用寿 命。由于阀门通道截面改为圆形,有利于管路清 扫,减小流阻,增加流量系数。而阀座密封面改为 圆锥面环形,减小了密封接触面积,降低了塞子总 轴向力和阀门的启闭力,其启闭力比普通球阀和旋 塞阀小,流量系数比蝶阀和传统旋塞阀大。金属圆 锥密封副采用同机同向高速磨削加工,使其加工工 艺性优于闸阀的楔角加工和球阀的球面加工,吻合 面误差小,互配率高。 参考文献 〔1〕 杨源泉.阀门设计手册[ M ].北京机械工业出版社, 1992. 〔2〕 机械工程手册编委会.机械工程手册第5卷[ M].北京 机械工业出版社, 1982. 〔3〕 陆培文,等.阀门选用手册[M].北京机械工业出版社, 2002. 〔4〕 成大仙.机械设计手册第四版第二卷[ M].北京化学工 业出版社, 2002. 收稿日期 20061091 04 书讯 11电站常用阀门手册 本书由中国电力出版社2000年出版发行,中国电器工业协 会电站辅机分会编。本书既是电站阀门设计选型的必备工具书,也是电厂选购阀门的最新参考书。本书主 要内容包括闸阀、截止阀、节流阀、止回阀、安全阀、调节阀、给水分配阀、球阀、蝶阀、疏水阀、隔 膜阀、减压阀、减温减压阀、特殊阀真空阀、水封阀、水压试验用阀、限流阀、限流稳压保护阀、监流 器和压力表截止阀、超压保护阀等、旁路装置、阀门电动装置以及电站阀门型号编制方法和主要阀门类 型简介等。书号ISBN 7 - 5083 - 0297 - 4 ,定价80100元/册。 21阀门手册第二版 本书由中国石化出版社2005年出版发行, [美] Philip L1Skousen著, 孙家孔译。本书全面系统地介绍了阀门的基础知识、阀门种类和阀门应用等方面内容。具体内容包括阀 门介绍、阀门选用准则、手动阀门、控制阀、手动控制器和执行机构、灵活阀门及定位器、确定阀门尺 寸、确定执行机构尺寸和常见阀门问题等。本书可作为阀门使用维修人员以及设备管理和工程技术人员的 工具书,也可作为阀门设计人员和从事压力容器、管道设计人员的参考书。书号ISBN 7 - 80164 - 896 - X ,定价55100元/册。 31机电产品供应目录 阀门 本书由机械工业出版社于2002年出版发行。书中收录了国内外 500余家企业的阀门产品,涵盖大部分骨干企业及其主导产品,本书以产品信息栏目为主,以表格形式详 细介绍了产品名称、型号规格、主要技术参数等。书号ISBN 7211121265624 ,定价118元/册。 每册加收书价10 的邮寄包装费。需要者,请与沈阳市铁西区云峰北街3号沈阳阀门研究所科技开 发信息中心的尹玉杰联系,邮编 110025 ,电话 024 - 25653780。 92006年第6期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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