智能型液控缓闭蝶式止回阀研究.pdf

文章编号 1002258552010 0220005204 作者简介朱永辉1965 - ,男,江苏海门人,工程师,从事阀门设计与开发工作。 智能型液控缓闭蝶式止回阀研究 朱永辉 阀安格水处理系统太仓有限公司,江苏 太仓215400 摘要 介绍了智能型液控缓闭蝶式止回阀的工作原理和结构特点,论述了该阀在城市管网中 的应用及主要技术数据的选取和计算。 关键词 蝶式止回阀;液控缓闭;智能;研究 中图分类号TH134 文献标识码A Research of intelligence butterfly2check valves with hydraulic slow close ZHU Yong2hui VAG W ater System s Taicang Co. , L td. , Taicang215400, China AbstractIntroducing w orking principle and structure characteristic for intelligence butterfly2check valves and describing applications on the m unicipal netw ork as w ell as the calculation and selection of the m ain technological data. Key wordsbutterfly2check valves; hydraulic slow close; intelligence; research 1 概述 智能型液控缓闭蝶式止回阀是将液控装置与蝶 阀相结合,组成了控制和调节流量、 压力、 压差、 流速 或液位的装置。该阀关闭分为两个阶段,第一阶段 快速关闭,行程为总行程的90～92 1～60s , 第二阶段缓慢关闭,行程为总行程的8～10 5 ～1 500s ,由于阀门是蝶阀结构,勿需利用弹簧 启闭运行,不存在运行中的卡阻。如果管网运行中 失去电机电源,只要有直流电源,阀门仍可以打开。 另外,重锤在上升位置,利用其储藏的重力势能,在 紧急状态时能自动关闭。 2 性能分析 液控缓闭蝶式止回阀简称智能阀,下同与一 般的液控阀门完全不同,它是用油泵加大油缸内的 油压达到20 MPa,靠油压支撑重锤举起,使阀门开 启,而不是靠管网内流体的压力来推动阀门的开启。 关闭时,油液通过控制阀节流的作用,控制油缸活塞 杆速度图1 ,以消除水锤对管道的影响。这一特 性,可大大减少管道在常年运行中的水头损失和油 泵的工作电耗,还可以在管道中减少一个检修蝶阀, 消除上游水流经检修蝶阀时的能量损失,同时对减 轻管道负荷也有一定的作用。 图1 液控缓闭蝶式止回阀 3 应用 智能阀在城市水系统管网中检测爆管优势比较 明显。城市庞大的水系统管网中,其形状基本可分 为树枝状和环状图 2 。 假设在树枝状管网中的每个支路上安装一个智 能型阀门、 一台流量仪和一个测压点。不论每小时 用水量千变万化,只要根据流进的水量等于流出水 量的原理,就能断定哪条支路发生了爆管。计算机 经过运算后自动发出爆管指令,同时切断爆管段前 52010年第2期 阀 门 后的智能阀门离合器直流电源,智能阀自动关闭,爆 管段迅速止水。 假设在环状管网中的每个节点的延伸处安装一 个智能型阀门、 一台流量仪和一个测压点。根据在 各个点上流入节点的流量应等于由此节点流出的流 量,及在任何一个封闭回路内,由某一节点沿两个方 向至另一个节点的水头损失应相等的原理,就能断 定哪段管道发生爆管。此时,计算机发出信号,自动 关闭智能型阀门。 图2 树状和环状水系统管网 4 工作原理 智能阀打开前,在电磁牙嵌离合器线圈中接入 24V直流电源,使离合器与蜗杆传动装置紧紧耦合。 耦合后,同普通阀门一样,靠电动或手动机构可自如 地打开或关闭阀门。由于蜗轮蜗杆的自锁作用,阀 门可在任何一个位置定位。紧急关闭时,只要切断 离合器直流电源,离合器就会自动解开蜗轮蜗杆的 自锁。而重锤会根据液压缓冲器的特性而下降。重 锤的位能通过活塞杆作用于活塞上,从而使液压油 通过单向节流阀的缝隙大小调节关阀速度。 在快速关阀时,活塞向右移动,油缸内的液压油 流过节流阀进入油箱。在快速关阀的过程中,当阻 尼活塞被挤进油缸头后,油路自动切换。油液不能 通过节流阀,只能被挤压流过控制喉左。只要调 节流经控制喉的油量大小,也就控制了缓慢关阀的 时间,直到关闭为止。 在开阀时,活塞向左移动,使油缸室中的压力降 低,油箱中的液压油通过控制喉右、 节流阀和止 回阀进入油缸室,直到阀门打开。 5 设计计算 511 阀体壁厚 智能阀的阀体采用铸造件,其壁厚SB′为 SB′ 115PDn 2[σL] -P C 式中 SB′ 阀体壁厚,mm P 计算压力,MPa Dn 计算内径,mm [σL] 许用拉应力,MPa C 腐蚀余量,mm 图3 液控缓闭蝶式止回阀工作原理 512 密封面上总作用力 密封面上总作用力QMZ为 QMZQMJQMF 式中 QMJ 密封面处介质作用力,N QMJπ 4 DMNbM 2 P DMN 密封面内径,mm bM 密封面宽度,mm P 计算压力,MPa QMF 密封面上密封力,N QMFπDMNbMbMqMF qMF 密封面必需比压,MPa 在设计过程中,qMF用查表获得。qMFq[ q] 为合格。 qQ MZ π DMNbMbM 式中 q 密封面计算比压,MPa [q] 密封面许用比压,MPa 513 蝶板厚度 b01054D 3 H 式中 b 蝶板中心处厚度,mm D 蝶板流道直径, mm b/D0115～0125 H 水击升压的介质最大静压水头,m H100 p Δp p 设计压力常取pPN ,MPa 6 阀 门 2010年第2期 Δp 蝶阀快速关闭,在管路中产生的水击 升压值,MPa Δp 400qv At qv 体积流量,m 3 /h A 阀座通道截面积设计选定 ,mm 2 t 蝶板从全开到全关所经历的时间设计 选定 , s 514 蝶板断面强度校核 蝶板A - A断面图 4 强度σWA为 σWAM x WA 式中 σWA 验证A - A断面上的弯应力,MPa MA A - A断面上的弯矩,Nmm MA01113pD1 3 D1 蝶板外径,mm WA A - A断面的抗弯断面系数,mm 3 WA2 JA b JA A - A断面的惯性矩,mm 4 b 蝶板最大厚度,mm 若A - A断面的实际弯应力σWA [σWA],则蝶 板设计合理。[σWA]为材料许用弯应力。 由于阀门采用上下两段式阀杆支撑,蝶板B - B 断面的变形量很小,故不作强度校核。 图4 蝶板受力分析 515 阀杆力矩 偏心式蝶阀阀杆图 5 力矩MD为 MDMMMTMjMdMc 式中 MD 蝶阀阀杆总力矩,Nmm MM 密封面间摩擦力矩,Nmm MM4qMRbMfMh 2 R 2 qM 密封面必需比压,MPa R 蝶板密封半径,mm bM 密封面的接触宽度,mm fM 密封面间的摩擦系数橡胶fM018～ 11 0 h 阀杆与蝶板中心的偏心距,mm MT 密封填料的摩擦力矩阀杆采用O形 圈密封,可忽略 ,N mm Mj 静水力矩,Nmm Md 动水力矩,Nmm Mc 阀杆轴承摩擦力矩,Nmm McQcfcdF/2 Qc 作用在阀杆轴承的载荷,N fc 摩擦系数 dF 阀杆直径,mm 图5 阀杆力矩分析 516 阀杆 阀杆直径dF为 dF≥ 3 5MD [τ] 阀杆挠度ωc为 ωc 5ql 4 384EI 阀杆转角θ c为 θ c ql 3 24EI 阀杆的扭转变形ω为 ω 584MDI GdF 4 ≤[ω] 式中 [τ] 许用剪应力,MPa q 均布载荷,N l 两支点之间的距离,mm 72010年第2期 阀 门 E 弹性模量,MPa I 惯性矩,m 4 G 材料的切变模量,MPa 517 蝶板与接管内壁间的最小间隙 蝶板转动时,蝶板会伸出阀体法兰垫圈表面,为 防止蝶板与其他部件发生干涉,应计算其弦长a和 最大直径DP。 ad- 2c DP W 2 a 2 1/2 式中 a 蝶板的弦长,mm d 连接管道内径,mm c 蝶板和管道内径间公称间隙,mm DP 蝶板的最大直径,mm W 阀门最小安装结构长度,mm 518 滑动轴承 应计算轴承单位面积上的平均载荷F和轴承 宽径比V。 Fq/BZDZ VBZ/DZ 式中 F 轴承单位面积上的平均载荷,N BZ 轴承宽度,mm DZ 轴承孔径,mm V 轴承宽径比 V 013～11 5 519 圆柱销抗剪强度 圆柱销抗剪强度τ 为 τ 4MD zpd 2 dF ≤[τ] 式中 τ 剪应力,MPa d 销的直径,mm z 销的数量 6 结语 智能型液控缓闭蝶式止回阀扭矩小,维修方便。 在管网正常输出时,以微小的流阻特性节省了大量 的电能。在管网爆裂时,能第一时间自动缓闭关阀, 是一种适宜于城市水系统管网推广的阀门。 参考文献 〔1〕 陆培文.实用阀门设计手册〔M〕.北京机械工业出版社, 2002. 9. 〔2〕 杨源泉.阀门设计手册〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔3〕 MSS SP - 68 - 1997,偏心结构的高压蝶阀〔S〕. 〔4〕 NACE MR 0175 - 1990,油田设备用抗硫应力裂纹的金属材料 〔S〕. 〔5〕 叶宏开等,防水锤两阶段关闭止回阀的研究〔J〕.流体工程, 19876. 〔6〕 王秀清等止回阀水锤分析〔J〕.核动力工程, 1986, 74. 〔7〕 蒲家宁.水击分析与控制 〔M〕.北京机械工业出版社, 1991. 收稿日期 2009. 10. 28 稿 约 阀门 杂志1972年创刊,国内外公开发行。国内刊号为 CN21 - 1131/TH,国际刊号为 ISSN 1002 - 5855,国内邮发代号 为 8 - 80,国外邮发代号为BM1685,双月刊。本刊是我国阀门行业唯一一份公开发行的技术期刊。在本刊发表论文不收发 表费。为使期刊与国际接轨,使科技论文格式标准化和规范化,特定投稿须知如下。 11来稿在内容上应有较高的学术水平和技术创新性。开篇应说明论文所述内容在国内外的发展现状和应用前景,重点 突出核心技术问题,明确作者的创新点和技术突破点,给出实现机理、 方案及相关图表,并给出试验结果和应用前景,结束时 应对论文有明确的结论。 21本刊写作次序是文字题目,作者姓名,作者单位,详细通讯地址,邮编,文章摘要,关键词,英文题目、 作者姓名、 作者单 位、 通讯地址、 文章摘要和关键词,正文,参考文献,作者简介。 31中文题名一般不超过20个汉字,题名中应避免使用非公知公用的缩略语、 字符、 代号以及结构式和公式。 41文章均应有作者署名,并在文章结尾给出作者简介。多位作者应给出第一作者简介,多位作者的排序应在投稿时确 定,不得在编排中再作更改。 51摘要应具有独立性,不应出现图表、 冗长的数学公式和非公知公用的符号及缩略语,准确反映论文的研究内容。中文 摘要篇幅为100～300字。英文摘要和关键词应与中文摘要和关键词相对应。每篇文章可选3～8个关键词。 61文中计量单位应采用法定计量单位,一律用符号表示。图、 表应有相应的序号与题目,图中的文字、 数值、 符号、 图注应 与正文保持一致。英文必须译成中文,外文字母要分清大、 小写。文中表格一律采用三线表。坐标图中不用坐标方格线,其标 目格式为物理量符号/单位,并与相应的坐标轴平行居中放置,图中应采用法定定计量单位,并用符号标出。图中序号不加 圆圈或括号,数字下面也不要横线,序号应连续排列,序号引线所指之处不加箭头或小圆点。扫描仪处理的插图线条要清晰, 如有断线和污迹等影响制版,一般不采用。曲线图应线条粗细均匀,主副线分明,照片图要求图像清晰,层次分明,反差适中, 不要有污迹或折痕。 71给出必要的参考文献,并在文内用上角标标出。 81来稿请给出详细通信地址、 邮编、 电话号码及E - mail,以便联系。 本刊投稿自愿,若涉及保密问题,作者自审时须慎重,文责自负,来稿一律不退,严禁一稿多投,被录用的稿件编辑部有权 删改,并同时拥有在本刊网站版的使用权。为减少排版错误,提高期刊质量,请作者将文章用Word编排,插图用CAD绘制,用 E - mail发送至我社E - mail sfskkxzchinavalveinfo1 net 。稿件审核时间约4～5个月,稿件发表后将及时支付稿酬和赠送 样刊及连续一年的期刊。本刊已加入 中国学术期刊光盘版 ,投本刊论文作者需对本刊以此方式使用论文无异议,稿酬已在 本刊付酬时一次付清。 8 阀 门 2010年第2期