1、高压超高温快速换向阀的传动系统2022-6-23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）v 摘要：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。v 关键词：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。2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统31. 概述概述 高压超高温快速换向阀是空气动力装置（
2、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；2022-6-23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试制，并请清华大学和天津大学应用有限
3、元对主要零件进行分析计算。产品于2004年底进行验收。 2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统51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2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统62. 传动系统的结构传动系统的结构 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，设计成三层两体式结构（见图2）。最外层
4、和上、下护板为保护层，采用钴基硬质合金；第二层为隔热层， 2022-6-23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。2022-6-23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下阀芯内球面 14下阀芯密封球面2022-6-23
5、高压超高温快速换向阀的传动系统92.2 阀杆的结构阀杆的结构 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 2022-6-23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4Cr14Ni14W2Mo高强耐热钢。第四层为冷却管，冷却空气从管
6、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。2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统111- 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2022-6-23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气
7、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。 2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统139上阀杆 10缓闭油缸11缓闭油缸活塞 12节流阀13下气缸座 14活塞15气缸 16短弹
8、簧17长弹簧 18上气缸座19手动机构图4 气动控制系统2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统143. 传动系统的分析与计算传动系统的分析与计算3.1 阀杆组件的运动分析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：2022
9、-6-23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2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统163.2.2 3.2.2 弹簧压缩力的计算弹簧压缩力的计算 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
10、根，中弹簧20根，短弹簧30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)2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统17Ho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-
11、1-2 （化学工业出版社）计算得到：dP348 DGdPdmmNPd/6281mmNPd/10062mmNPd/153332022-6-23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.
12、47(t)PnPPd/mmNP/7 .831mmNP/76.1542mmNP/5 .2553 ， 11hP22hP33hP2022-6-23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。PdDPT)(42121PdDPT)(422222022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统2
13、0代入计算：3.2.4 介质作用力的计算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)(28.31)(3065431)80630(4221tNPT)(99.30)(3037171)100630(4222tNPT MPa12maxP MPa3 . 0minP2022-6-23高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：）上阀座关闭时，介质作用力：（2）下阀座关闭时，介质作用力：）下阀座关闭时，介质作用力：3.2.5 填
14、料函处摩擦力的计算填料函处摩擦力的计算）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PdDPbdQTTT2022-6-23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
15、计给定) 填料宽度，20mm (设计给定) 填料高度150mm (设计给定)代入： 19. 1FdTbTh) t (15. 3)N(30845122010819. 1maxmaxPbdQTTT) t (79. 0)N(7713 . 02010819. 1minminPbdQTTT2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统233.2.6 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- 520220-30845 =5829(N)结论：能开启maxmaxK1TJT大QPPPP上总上上开2
16、022-6-23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6minminK1TJT小QPPPP上总上上开2022-6-23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maxK2maxTTJ关大QPPPP总上上上542741(N) 30845-2503
17、51-303717520220minK2minTTJ关小QPPPP总上上上65600(N) 771-250351-30371713005maxmax关大maxM上M上MN上bbDPq上）（上2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统26 式中： 上阀座最大密封比压； 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max上qMN上DmaxM上b）（MPaq上8 .1804423
18、514. 3542741maxqmax上qminmin关小minMMMN上bbDPq）（上58.9(MPa)5 . 1)5 . 1235(14. 36500 MFq2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统273.2.8 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 maxmaxK2TJ下下T下开QPPPP总大187113(N) 30845-325565-2398063037172022-6-23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 结论：能开启 3.2
19、.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。minminK2TJ下下T下开QPPPP总小）（N53461377181392398063037172022-6-23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 maxK1maxT下TJ下下关QPPPP总大361457(N) 30845-239806-306543325565minK1minT下TJ下下关QPPPP总小74105(N) 771-239806-30654381392
20、022-6-23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minmin关小minM下M下MN下下下bbDPq）（MFqmin下qMFq2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统323.3 气缸内安装弹簧的作用分析气缸内安装弹簧的作用分析3.3.1 减振阻尼作用减振阻尼作用 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30
21、6543N，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。2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统333.3.2 帮助气缸开启阀门帮助气缸开启阀门 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，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63
22、0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。2022-6-23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
23、放能量时，都2022-6-23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。2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统364. 结语结语 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，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。 2022-6-23高压超高温快速换向阀的传动系统37参考文献参考文献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。
