三偏心蝶閥扭矩計算及氣控回路設(shè)計

朱自江

(河南神馬氫化學(xué)有限責(zé)任公司,河南 平頂山 467013)

早期的蝶閥結(jié)構(gòu)簡單,不適用于高溫高壓工況且閥門密封性能不佳,使其應(yīng)用范圍受到很大的限制。為滿足各種工況要求,蝶閥經(jīng)歷了從同心至雙偏心和三偏心的演變。

中線蝶閥的結(jié)構(gòu)特征為閥桿軸心、蝶板中心、本體中心在同一位置上,蝶板密封面、流道密封面均為“襯膠”或者“襯氟”,其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。缺點是蝶板密封面在開關(guān)過程中與閥座始終處于擠壓、刮擦狀態(tài),阻距大,磨損快。

在中線蝶閥的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改良成型的就是目前應(yīng)用比較廣泛的雙偏心蝶閥,其結(jié)構(gòu)特征為閥桿軸心既偏離蝶板中心,也偏離閥門本體中心。雙偏心的效果使閥門被開啟后,蝶板能在70°左右完全脫離閥座,大幅度地降低了蝶板與閥座不必要地過度擠壓、刮擦現(xiàn)象,降低了磨損,延長了閥座壽命。雙偏心蝶閥多數(shù)是將軟性的密封副“鑲嵌”在蝶板或者閥座上。受限于密封副的安裝位置,在關(guān)閉狀態(tài)時,對應(yīng)的蝶板或者閥座必須剛好處于貼合位置,所以可以簡單理解為“位置密封”,個別廠家為了防止閥門“關(guān)過”,還會在蝶板處設(shè)計限位。雙偏心蝶閥結(jié)構(gòu)在一定程度上緩解了中線蝶閥密封副的“全程摩擦”,達(dá)到了“半程摩擦”的效果,但是依然無法滿足市場對壽命要求。中線蝶閥和雙偏心蝶閥由于密封副多為軟性材料,所以在高溫工況基本不再使用。

1 三偏心蝶閥的特點

為克服蝶閥對于高溫、高頻、高壓等嚴(yán)格工況的困難,蝶閥的設(shè)計歷史性進(jìn)行突破,三次偏心蝶閥應(yīng)運(yùn)而生。在雙偏心基礎(chǔ)上閥桿軸心位置偏心的同時,使蝶板密封面的圓錐型軸線偏斜于本體圓柱軸線。也就是說,三偏心蝶板的密封斷面的“切面”不再是圓形,而是橢圓,其密封面形狀不對稱,這樣完美地實現(xiàn)了“全行程無摩擦”的結(jié)構(gòu)。

三偏心的最大特點就是從根本上改變了運(yùn)動軌跡,所以不再是依靠位置密封,而是扭矩密封,即不是依靠閥座的過度變形密封,而是完全依靠閥座的接觸面壓(即密封比壓)來達(dá)到密封效果。以此推論三偏心蝶閥開關(guān)過程的需求扭矩變得非常低,主要集中在了開、關(guān)點位這個極限位置,本文主要講解了三偏心蝶閥最小扭矩的計算方法與邏輯,同時對自動化控制回路進(jìn)行介紹。

2 三偏心蝶閥扭矩的計算方法

在計算三偏心蝶閥各個扭矩時,個別關(guān)鍵尺寸需要提前設(shè)計。首先需要確定密封面的直徑D,在同一閥門的口徑、壓力等級條件下,如果各個廠家密封面摩擦力相同,設(shè)計的必須密封比壓相同,D值越小則密封面需求的扭矩越小,更有利于各個閥門廠家的成本控制。通過ASME B16.34標(biāo)準(zhǔn)可查詢最小通道直徑[4](見表1)。

表1 最小通道直徑

因為三偏心蝶閥是靠密封圈與閥座產(chǎn)生接觸壓力,密封圈發(fā)生徑向壓縮和形變,產(chǎn)生一定的彈性力,從而實現(xiàn)閥門的嚴(yán)格密封[5]。確定密封面直徑后,可根據(jù)密封面必須比壓與密封面比壓公式計算出密封面的厚度。

密封面必須比壓:

(1)

(2)

式中,D為密封面直徑,mm;bM為密封面厚度,mm;Pn為設(shè)計壓力,MPa。

因為密封面比壓要大于密封面必須比壓,保證密封面緊密貼合,才能實現(xiàn)蝶閥的密封特性。

由q>qm

(3)

(4)

密封面厚度bM越大,需求的力也越大,為了減小閥門扭矩,應(yīng)使bM盡量減小。當(dāng)然,厚度的選擇也需要綜合考慮密封圈本身材料的特性進(jìn)行選取,不得超過材料本身的許用應(yīng)力。

確定了密封面的厚度,根據(jù)公式(5)即可計算蝶閥在開啟的瞬間密封面所產(chǎn)生的扭矩。

MM=FfM×l=PSfM×D=qmfMbMπD2

(5)

式中,fM為密封面間的摩擦系數(shù)。

根據(jù)公式,可得出三偏心蝶閥的偏心扭矩:

(6)

另外,閥桿在運(yùn)動中所產(chǎn)生的摩擦扭矩的計算,軸承的內(nèi)徑和填料的內(nèi)徑都與閥桿的直徑有關(guān),所以在此計算填料與軸承的扭矩時,需要結(jié)合閥桿強(qiáng)度的校核計算。

(7)

(8)

(9)

式中,D為密封面直徑,mm;P為閥門關(guān)閉壓差,可取額定全壓差,MPa;fc為閥桿與軸承的摩擦系數(shù);df為閥桿直徑,mm;fT為閥桿與填料的摩擦系數(shù);hT為填料總的高度,mm。

填料高度較小時,所承受的擠壓應(yīng)力滿足不了要求,會導(dǎo)致填料被壓碎,無法達(dá)到密封效果,若填料高度過大,則閥桿受到的填料摩擦力會增大,導(dǎo)致扭矩增大。根據(jù)計算確定填料高度的最小值,所設(shè)計的高度必須滿足填料所承受的橫向擠壓應(yīng)力小于填料的許用擠壓應(yīng)力[σ],計算公式如下:

(10)

(11)

綜上計算可得,三偏心蝶閥的總扭力為:

M總=MM+MC+MT+MP

(12)

最后需驗證閥桿強(qiáng)度是否滿足需求,閥桿所受剪應(yīng)力為:

(13)

通過ASME第Ⅱ卷D篇表5A和表5B的最低屈服強(qiáng)度可知屈服強(qiáng)度[σS][7],綜合上述公式,可計算出最小填料高度hT與最小閥桿直徑,即可計算出三偏心蝶閥最小扭力。

3 氣控回路設(shè)計

為了更便捷地遠(yuǎn)程操控閥門,可通過氣動執(zhí)行器和一些氣控元件實現(xiàn)閥門的自動化控制。一臺撥叉式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見圖1,它主要由氣缸、彈簧缸、中間箱體三個主要部分組成。根據(jù)閥門需求扭矩的不同,對這三個主要部分進(jìn)行不同的組配,以便實現(xiàn)閥門對扭矩的需求。如圖2所示,綠色曲線為三偏心蝶閥在關(guān)閉狀態(tài)到打開狀態(tài)的扭矩曲線,可清楚地發(fā)現(xiàn),三偏心蝶閥最大的扭矩點在開啟閥門的瞬間,然后閥門扭矩會快速下降,也符合在上文提到的蝶閥扭矩特點(閥門全開到全關(guān)的扭矩曲線剛好相反)。黑色曲線是執(zhí)行器彈簧被壓縮后復(fù)位的曲線,紅色曲線是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的扭矩曲線。可以清晰地看出,單作用撥叉式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的扭矩,完美地與三偏心蝶閥的需求扭矩保持一致,達(dá)到了利用效率的最佳狀態(tài)。

圖1 單作用撥叉式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖2 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與蝶閥扭矩對比圖

由于氣動回路的驅(qū)動介質(zhì)為空氣,價格便宜且無污染,所以在閥門應(yīng)用的諸多場合,均使用了氣動回路來對閥門進(jìn)行控制。圖3是一臺低溫型氣動三偏心蝶閥,其中氣路連接部分,包含了撥叉式雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)、過濾減壓閥、電磁閥、氣控閥、閥位開關(guān)等主要?dú)饴吩?主要工作原理為:氣源連接過濾減壓閥后,電磁閥通過得電、失電來控制閥門的打開或者關(guān)閉。由于閥桿轉(zhuǎn)動,帶動閥位開關(guān)芯軸旋轉(zhuǎn),在打開和關(guān)閉位置實現(xiàn)信號的通斷,將閥門的位置狀態(tài)傳送至集成系統(tǒng)。當(dāng)然這只是一種簡單的控制機(jī)理,隨著閥門在不同領(lǐng)域的應(yīng)用(煤化工、硅化工、石油化工、水處理等),對其閥門的開關(guān)要求也大大不同。例如,氣源故障時要求閥門處于安全狀態(tài),要求關(guān)閉或打開,或保持各部相同。還有一些將三偏心蝶閥作為調(diào)節(jié)閥來使用,要求蝶閥的控制回路具備任意角度停留的要求,也有一些裝置上工藝要求閥門快速打開、慢速關(guān)閉等,甚至一些閥門具有聯(lián)鎖的要求。這些問題都是通過氣動控制回路相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)來進(jìn)行解決。

通過這些氣控元件的工作原理,可以設(shè)計出控制氣缸開關(guān)、調(diào)節(jié)控制回路原理,圖4是圖3控制回路的原理圖。由于閥位開關(guān)不涉及氣路連接,所以沒有在原理圖中表述。

圖4 控制回路的原理圖

4 結(jié)語

三偏心蝶閥在僅增加相對較小扭矩的情況下,可以極大地減小密封面間的磨損程度,延長蝶閥使用壽命。對其扭矩的計算方法與思路進(jìn)行歸納總結(jié),計算出三偏心蝶閥最小的扭力,在質(zhì)量完全滿足使用條件的基礎(chǔ)上,達(dá)到扭力最小、成本最低、使用壽命最長的特點;通過對控制回路的設(shè)計可以更方便地遠(yuǎn)程控制閥門的開關(guān)、調(diào)節(jié),在諸多裝置復(fù)雜的工藝要求下,實現(xiàn)關(guān)于閥門的控制要求。