船用生活废物处理系统控制阀选型研究

    引言

    阀门是流体管路的控制装置，其基本功能是接通或切断管路介质的流通，改变介质的流动方向，保护管路设备的正常运行。合理的选用阀门，并安装在正确的位置上，是系统安全可靠的运行和方便维护管理的重要保证。

    某型装备生活废物处理系统需配置一个用于控制粉碎后生活废物排出的阀门，该阀工作介质为海水、食品废物（颗粒大小：0～5mm）、空气的混合物。工作压力为3.5MPa，阀门通径为50mm，要求该阀的使用寿命不低于30万次。由于原系统中使用的金属硬密封气动蝶阀经常出现密封不严、维修困难等问题，极大地影响了设备的正常使用。因此，选用一种满足系统功能要求、可靠性高，维修性好的阀件替代原蝶阀显得尤为重要。

    1 阀门选型

    1.1 阀门选用原则

    为了确保选用阀门能较好的适用于该系统，在选用阀门时遵循如下原则：

    （1）安全可靠原则。确保阀门安全可靠、技术成熟、价格合理；

    （2）性能优先原则。优先选用性能先进，使用寿命长，密封性能好，开启灵活，启闭方式合理的阀门；

    （3）结构紧凑原则。在同等性能条件下，优先选用体积小、重量轻的阀门；

    （4）维修便捷原则。优先选用可靠性好，维护简便，维修简单的阀门；

    （5）防腐优先原则。在同等性能条件下，对防腐性能较好、有一定的自洁能力的阀门优先选择。

    1.2 各种阀性能特点比较

    根据生活废物处理系统使用要求，选用阀门首先应具有与蝶阀相同的通、断控制功能，这类阀门主要有截止阀、闸阀、旋塞阀、球阀、隔膜阀、蝶阀等。其次，还应该满足使用介质、工作压力及通径的要求，从船标及国内外市场的工业产品来看，能够满足该系统工作压力与通径要求的阀门只有截止阀、闸阀、球阀、蝶阀。为了优选出满足使用要求且技术性能最好的阀门，表1分别对各阀的特点进行了比较。

表1 阀门特点对比分析表

    从阀门特点的对比分析发现，球阀具有流体阻力小、体积小、重量轻、密封性能好、维修方便等特点，可作为该系统首选方案。

    1.3 球阀选型

    1）选型方案

    根据市场调研情况，综合考虑使用介质、使用压力、使用寿命、尤其是维修性的优劣等因素，选用了一种气动软密封球阀作为该系统球阀的优选方案。

    2）组成及工作原理

    该气动球阀主要由球阀、双作用气缸和电磁换向阀、限位开关等组成，其中：球阀由左阀体、右阀体、球体、密封座、垫片等组成，其外形及球阀组成详见图1、图2。

图1 气动球阀外形图及局部剖视图

图2 球阀组成示意图

    工作原理：工作时，接通电源，电磁阀换向，将压缩空气送至气缸开阀腔，推动活塞杆，将球阀打开。球阀全开位置设有限位开关，活塞杆伸出到位时，限位开关动作，限位开关指示面板上的指针指向“100% 开阀”位置，表示阀已全开。反之，关阀时，断开电源，电磁阀由弹簧复位，压缩空气反向推动气缸，将阀关闭。同时活塞杆缩到位后，限位开关动作，控制箱面板上的“关阀”指示灯亮，限位开关指示面板上的指针指向“100% 关阀”位置，表示阀已关闭。

♂

    3）主要部件受力分析

    气动球阀工作时的主要受力部件为阀座，阀座由左阀体和右阀体组成，材料为316不锈钢（ASTMA351型CF8M），其屈服强度σ_0.2为205MPa，为分析其强度及变形是否满足要求，对其进行有限元计算分析，建立三维模型及有限元模型（图3），在阀座内腔施加压力5.25MPa（1.5倍工作压力），分析其应力和应变情况，见图4、图5。

图3 阀座三维模型及有限元模型

图4 阀座的应和云图

图5 阀座的变形云图

    从应力、应变云图可知阀座在内腔施加5.25MPa内压时其承受的最大应力为56.12MPa，小于屈服强度205MPa，最大变形量为0.0203mm，在使用材料的弹性变形范围内。

    4）密封分析

    球阀选型的关键技术在于密封副的选择。本气动球阀球体及阀座的材料为316L，密封座采用Peek（聚醚酮）制造，Peek与316匹配，具有较好的亲和力，并且耐磨性、自洁性及使用寿命均较好。

    分析球阀的密封性能，主要是评估球阀密封副的接触状态及接触应力（比压）。为分析该球阀的密封性能，进行球阀密封副初始装配的有限元分析，建立简化的2D轴对称几何模型（图6）和有限元模型（图7），壳体和球体材料选择钢材，密封座材料选择人造橡胶，并设置材料参数：初始剪切模量Mu为0.1MPa，不可压缩参数D1为0.15MPa^-1。设置好接触对，密封座与球体、密封座与壳体的接触类型为：摩擦接触，摩擦系数为0.1。

图6 球阀密封副2D轴对称几何模型

图7 球阀密封副2D轴对称有限元模型

图8 球体Y方向两个载荷步的位移载荷

    基于已建立的有限元模型，假定图7中上面的壳体固定，并且密封座的预压缩量不大于5%，先对球体施加Y 方向的位移0.4 mm（如图8所示），然后对下面的壳体施加Y方向的位移1.1mm（如图9所示） 。

图9 下面壳体Y方向两个载荷步的位移载荷

    经过上述4个载荷步和多次迭代（如图10所示）后，结果收敛。

图10 FEA计算结果收敛历程图

♂

    评估密封座的接触状态（如图11所示），从图中可见，下方密封座与球体、壳体均发生了滑动（Sliding），而上方密封座除了与球体、壳体均发生了滑动（Sliding），还与壳体发生粘连（Sticking）。进而观察密封座的穿透情况，如图12所示，密封座与阀体、球体间的大部分间隙为0，只有密封座与阀体接触处变形大的区域会有很小的间隙，最大间隙量为0.00119mm，不会影响密封性能。

图11 球阀密封座的接触状态

图12 球阀密封座的穿透状态

    评价密封座接触副的接触应力，初始装配状态下密封座的接触压应力分布情况如图13和图14所示。

图13 球阀密封座接触压应力分布云图

图14 球阀密封座接触压应力相对于载荷步的曲线图

    由以上图13可知，密封座与球体的接触产生了最大的接触应力在密封座唇口处，最大应力0.115MPa，满足密封要求。

    5）试验验证

    为验证气动球阀的性能参数，对气动球阀样机进行了台架试验，主要包括：湿态气密性试验，湿态水密性试验，干态气密性试验，干态水密性试验，及长时间启闭试验，试验台架原理图如图15所示，试验结果表2、表3。

图15 试验台架原理图

♂

表2 气动球阀启闭试验记录表

表3 气动球阀密封试验记录表

    试验结论：气动球阀启闭试验过程中动作平稳，工作可靠，无任何卡滞现象。紧密性试验中，气动球阀启闭试验前的紧密性试验在水压4.8MPa下保压10min无外漏，湿态紧密性试验及干态紧密性试验在水压4. 8MPa下保压10min无外漏，在气压0.6MPa下保压10min无外漏。

    2 结论

    选用的新型气动球阀，具有较好地防腐性能和自洁性能，可靠性高、维修好，有效解决了原系统阀件可靠性不高、维修困难等问题，提高了生活废物处理系统的性能。