大型快关气动蝶阀的设计

    1 概述
    蝶阀以其结构简单，体积小，质量轻，材料耗用省，安装尺寸小，开关迅速，驱动力矩小，良好的流体控制特性和关闭密封性能等优点，已在冶金、石油、化工和电力等许多行业中得到广泛的应用。大型快关气动蝶阀是冶金行业燃气-蒸汽联合循环发电机组（CCPP）和高炉煤气余压发电机组（TRT）等系统不可缺少的关键配套控制装置之一。
    2 结构
    大型快关气动蝶阀（图1）主要由阀门、气动装置和控制系统3部分组成。

    2.1 阀门
    阀门采用三偏心金属硬密封结构，主要由阀体、阀座、蝶板、密封圈、压板、阀杆、填料和轴承等零件组成。阀体和阀座一般为连体构件，阀座密封表面层堆焊耐温耐蚀合金材料。密封圈由不锈钢片与柔性石墨片相间层叠组成，通过压板和带有锁紧功能的紧固件固定在蝶板上。阀杆由两安装在阀体上的轴承支撑。阀杆与蝶板之间采用花键或方榫连接，阀杆接受输入力矩后，通过花键或方榫带动蝶板作启闭运动。这种蝶阀与普通蝶阀相比，具有耐高温，操作轻便，启闭无摩擦，关闭时依靠传动机构的力矩保证密封，提高了蝶阀的密封性能，延长了阀门的使用寿命。
    2.2 气动装置

    气动装置（图2）采用气缸拨叉式结构，并备有手动操作机构。气动装置主要由箱体、传动轴、轴承、拨叉、滑块、气缸体、缸盖、活塞、活塞杆和密封件等组成，手动操作机构由油缸、管路附件和手动泵等部件组成。箱体上安装有支撑传动轴的轴承和支撑活塞杆的轴承，传动轴安装在箱体的两轴承上，拨叉通过键或花键与传动轴连接，在拨叉的导槽内安装有滑块，滑块与导槽之间安装有滚动轴承，滑块固定在活塞杆上的确定位置，活塞杆安装在箱体内的支撑轴承上，活塞杆两端固定有活塞，气缸体和缸盖通过长螺杆与箱体固定。气源动力作用在活塞端面上，活塞通过活塞杆、滑块推动拨叉作旋摆运动，从而带动传动轴旋转，由传动轴将力矩输出给阀杆。油缸安装在气缸的尾部，油缸的活塞杆与气缸的活塞端面接触，手动泵固定在箱体的合适部位。手动泵与油缸之间通过管路附件连通。当停电、停气或电源气源发生故障时，操作手动泵，压力油推动油缸活塞运动，油缸活塞杆推动气缸活塞作往复运动，实现阀门的手动启闭。
    2.3 控制系统

    控制系统由气控和电控两部分组合成一体化的控制箱。气控部分（图3）由电磁阀、过滤器、油雾器、减压阀、调节阀和快速排气阀等部件组成。电控部分由面板、控制按钮、指示灯、转换开关、时间继电器和中间继电器等组成，可以实现阀门的慢开、慢关和故障快关功能，同时配置远程控制接口，可实现阀门的远程自动控制。
    3 功能特性
    3.1 快速切断
    当停电、停气或电源、气源发生故障时，系统需要阀门进行快速切断。利用单电控电磁阀及弹簧复位气缸可以实现此功能。在阀门全开时，弹簧被压缩，蓄积弹簧机械能，当停电、停气或电源、气源发生故障时，电磁阀失电迅速换向，气缸通过快速排气阀排出气体，弹簧瞬间迅速释放机械能，推动活塞杆运动，实现阀门的快速切断。
    3.2 远程控制
    阀门的远程控制由控制箱实现。阀门的开关到位，由设在阀门上的机械限位开关将信号送入控制箱。由控制箱将远控有效信号反馈给远程控制系统。控制箱实时接收远程控制指令，完成开阀或关阀动作，在控制箱面板实时显示开到位或关到位状态，同时将阀门位置状态信号以无源接点的形式反馈给远程控制系统。
    3.3 缓冲
    阀门的缓冲功能由气缸的缓冲装置控制。缓冲原理是在活塞运动接近终点位置时，增大气缸的排气阻力，使活塞运动速度降低，达到缓冲的效果。
    3.4 状态显示及报警
    当开阀或关阀过程中出现故障时，控制系统实时给出故障指示，同时将阀门故障状态信号以无源接点的形式反馈给远程控制系统。
♂

    4 设计计算
    4.1 阀门
    阀门的设计计算部分主要有操作力矩和阀体壁厚等，校核部分有密封比压、阀杆强度和蝶板强度等。
    （1）阀门操作力矩
    阀门操作力矩M为

     
    式中
    Mm——密封面间摩擦力矩，Nm
    Mb——偏心力矩，Nm
    Mc——阀杆轴承的摩擦力矩，Nm
    Mt——密封填料的摩擦力矩，Nm
    Mj——静气力矩（较小，忽略），Nm
    Md——动气力矩，Nm
    qm——密封面的必需比压，MPa
    bm——密封面的接触宽度，mm
    fm——密封面间的摩擦因数
    R——密封圈的密封半径，mm
    p——最高使用压力，MPa
    a——偏心距，mm
    Qc——作用在阀杆轴承处的载荷，N 

    D——蝶板直径，mm
    fc——轴承与阀杆的摩擦系数
    dF——阀杆直径，mm
    Qt——阀杆与填料摩擦力，N
    Ψ——填料系数
    hT——填料深度，mm
    bT——填料宽度，mm
    ΔP——阀门的工作压差，MPa
    DN——阀门的公称尺寸，mm
    （2）阀体壁厚
    大型快关气动蝶阀的阀体一般采用板焊结构件，其材料主要为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢，最小壁厚SB为

    式中
    SB——阀体的最小壁厚，mm
    W——材料的许用拉应力，MPa
    C——腐蚀余量，mm
    （3）密封比压校核
    密封面上总作用力Fz为

    式中
    Fj——密封面处介质作用力，N
    Fm——密封面上作用的密封力，N
    bM——密封面宽度，mm
    在设计计算时，qm根据密封副材质查相关设计手册的数据表获得。密封面的计算比压q为
    并且判断qm<q<[q]为合格。
    式中
    q——密封面计算比压，MPa
    [q]——密封面许用比压，MPa
    （4）阀杆强度
    阀杆在阀门使用过程中承受扭转变形的同时，还伴随有弯曲变形。按照Tresca和Mises强度设计准则，阀杆强度为

    式中
    Mw——阀杆承受的弯矩，Nm

    T——阀杆承受的扭矩，Nm
    WP——抗扭截面系数
    σ r3——Tresca屈服准则下的残余应力，MPa
    σ r4——Mises屈服准则下的残余应力，MPa
    [σ]——许用应力，MPa
    式（14）和式（15）中Mw和T为同一危险截面上的弯矩与扭矩。
    （5）蝶板强度
    蝶板在阀门的运行中承受介质的均匀载荷。只需校核蝶板的弯曲应力小于蝶板的许用应力即可。

    式中
    δw——蝶板的弯曲应力，MPa
    Ww——蝶板断面的抗弯断面系数，与断面的惯性矩相关。
    4.2 气动装置
    蝶阀使用的气动装置采用单作用弹簧复位拨叉式传动机构，输出扭矩特性与蝶阀的扭矩特性基本吻合，动作灵活平稳。气动装置的设计计算内容主要为输出力矩计算和气缸的耗气量计算。
    （1）输出力矩
    气源力F2是恒力。
    式中
    F2——气源力，N
    r——气缸活塞半径，mm
    pj——进入气缸的气体压力，MPa
    弹簧力理论上是线性变力，在阀门全开位置为最大F1max，在阀门全关位置为最小F1min，但在全关位置产生的驱动力矩确保密封副之间的必需密封比压。全开位置的输出力矩Mk为
    式中
    Mk——气缸全开位置输出力矩，Nm
    B——偏心距，mm
    α——传动角，（°）
    全关位置的输出力矩MG为
    式中
    MG——气缸全关位置输出力矩，Nm
    （2）气缸耗气量
    气缸耗气量Qmax是选择空压机排量的重要依据。
    式中
    Q——最大耗气量，m3
    A——气缸的有效作用面积，mm2   
    s——气缸行程，mm
    p——工作压力，MPa
    pa——大气压，MPa
    t——气缸活塞完成一次行程所需时间，s
    ηv——气缸的容积效率
    5 制造
    5.1 阀门
    阀门制造过程中应严格控制阀体上下轴孔的同轴度、上下轴孔中心线对阀座密封面的位置度、偏心距、偏角、阀座内锥角及表面粗糙度的精度，蝶板轴孔的同轴度、蝶板轴孔中心线对密封圈定位平面的平行度及与密封圈定位圆的位置度的精度，密封圈密封面的尺寸精度、粗糙度、形状误差、位置误差和密封面锥角与阀座锥角的吻合度等的精度。
    5.2 气动装置
    气动装置制造过程中应严格控制箱体与传动轴配合的两端孔同轴度、两孔中心线相对连接法兰的垂直度、箱体与活塞杆配合的两端孔同轴度、与传动轴配合孔中心线的位置度、拨叉与滑块配合导向槽与拨叉与传动轴配合孔中心线的位置度、气缸体内孔的粗糙度及圆度、圆柱度等的精度，气缸体内孔表面应防腐处理。
    5.3 控制系统
    控制系统制造过程中，电磁阀、过滤器、油雾器、减压阀和调节阀等附件安装应回路简单，清晰，管路连接无泄漏。接线盒的防爆接线端子之间应能承受交流50Hz，电压1760V，经1min的绝缘介电强度试验，不得有击穿、闪烁现象。
    6 结语
    大型快关气动蝶阀具有启闭无摩擦、快速切断、手气动操作、就地及远程控制等特点，已在冶金行业燃气-蒸汽联合循环发电机组、高炉煤气余压发电机组等有毒、有害介质控制系统中安全稳定运行。
    参考文献
    1 陆陪文.实用阀门设计手册M。北京：机械工业出版社，2002。
    2 杨伯源.材料力学M。北京：机械工业出版社，2002。
    3 许福玲，陈尧明.液压与气压传动M。北京：机械工业出版社，2004。