楔式耐磨旋塞閥的設(shè)計

2013-07-19 鄧安義江南控股集團浙江西麥克閥門制造有限公司

1、概述

　　當(dāng)前，工業(yè)中所用的旋塞閥主要采用方孔形式，軟密封結(jié)構(gòu)，其不足之處為啟閉力矩大，容易造成密封面嚴(yán)重磨損，密封副表面相互咬傷，又不耐介質(zhì)的沖刷，從而使密封性能過早失效，影響使用壽命，并且有壓力損失，使用壽命短，不適用高溫高壓介質(zhì)，不利于管線清掃。根據(jù)用戶的實際需要，設(shè)計了新型楔式耐磨旋塞閥。

2、結(jié)構(gòu)形式及工作原理

　　新型楔式耐磨旋塞閥(圖1)由閥體、內(nèi)壓自封式閥蓋、塞子、閥桿、密封環(huán)、壓板、填料和軸承等組成。當(dāng)閥門需要關(guān)閉時，先旋轉(zhuǎn)手輪，通過閥桿帶動塞子上升，使塞子與閥體脫離，消除了密封副之間的摩擦。然后通過手柄使塞子轉(zhuǎn)動90°，使旋塞通孔處于關(guān)閉方向，再反向旋轉(zhuǎn)手輪使塞子下降，即塞子楔入閥體以實現(xiàn)堵塞通道介質(zhì)的作用，達到強制密封的效果。當(dāng)閥門需開啟時，采用相同的方法，使旋塞通道與管路通道相通，完成閥門的開啟。

圖1 新型楔式耐磨旋塞閥

3、設(shè)計

　　3.1、結(jié)構(gòu)

　　閥門采用楔式壓力自緊密封結(jié)構(gòu)，與栓接閥蓋相比，中腔密封更加安全可靠，無泄漏。適用于額定壓力6.3~16.0MPa。與圓柱形旋塞閥相比，楔緊力可調(diào)，也比較輕松，不用加大楔緊力，就可以實現(xiàn)密封且性能可靠。流道為圓柱形全通徑流道，便于工程掃線，符合API6D的規(guī)定。

　　3.2、閥體壁厚

　　閥體壁厚SB'為

　　式中 SB'——計算厚度，mm；P——計算壓力(PN設(shè)計給定)，MPa；Dn——計算內(nèi)徑(設(shè)計給定)，mm；[σL]——許用拉應(yīng)力(查表)，MPa；C——腐蝕余量(設(shè)計給定)，mm

　　設(shè)計選用的實際壁厚SB≥SB'為合格。

　　3.3、密封副

　　密封副結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于金屬密封面夾入介質(zhì)顆粒后容易變形，因此將密封副設(shè)計成凸起的倒圓錐結(jié)構(gòu)，以減少長期使用后介質(zhì)顆粒的吸附，同時也便于沖刷清理密封面。

圖2 密封面受力分析

圖3 閥桿受力分析

　　為了保持密封副有良好性能，有兩種處理方法。一是在閥體和塞子上采用超音速噴涂鈷鉻鎢硬質(zhì)合金，其特點是焊后無需加工，快速高效，適用于大規(guī)模批量生產(chǎn)。但需要購置專用設(shè)備，培訓(xùn)專職人員，投資較大。二是在本體上堆焊鈷鉻鎢硬質(zhì)合金，硬度可達到65HRC以上，從而提高密封副的許用應(yīng)力及表面的耐磨性和耐沖刷性，可以有效地延長閥門使用壽命，滿足帶顆粒、高溫度及高流速的工況使用。此種工藝是國內(nèi)閥門行業(yè)普遍使用的焊接方法，適用小批量加工。

　　閥門處于密封狀態(tài)時，如果密封面上的密封比壓過小，由于尺寸公差的波動，及裝配過程中產(chǎn)生的累計誤差很容易造成泄漏。如果密封比壓太大，又會增加操作扭矩。通過控制塞子錐面的平均直徑≤通道直徑1.6倍的方法解決了密封面寬，不易密封的問題。

　　閥門的密封比壓q為

　　式中 QMZ——密封面上總作用力，MPa；QMZ=QMJ+QMF；QMJ——密封處介質(zhì)作用力，N

　　DMN——密封面內(nèi)徑(設(shè)計選用)，mm；bM——密封面寬度(設(shè)計選用)，mm；P——介質(zhì)工作壓力(P=PN)，MPa；QMF——密封面上密封力，N

　　qMF——閥座密封面必須比壓，MPa

　　若密封面上實際工作的比壓q滿足qMF<q<[q]，則密封符合要求。[q]為密封面材料的許用比壓。

　　3.4、閥桿強度

　　閥門操作輕便靈活是產(chǎn)品質(zhì)量的主要要求之一。楔式耐磨旋塞閥可用于高壓，閥桿受力(圖3)主要來自填料處的摩擦力和介質(zhì)的阻力。與其他旋塞閥相比，該閥操作力矩雖有所減小，但效果不是最佳，為了使操作力矩降到最低，在塞體的上下轉(zhuǎn)動副各設(shè)計一個滑動軸承，來最大限度的降低操作力矩，啟閉更加輕便自如。

　　(1)閥桿強度校核

　　閥門關(guān)閉時閥桿總軸向力QFZ'為

　　閥門開啟時閥桿總軸向力QFZ''為

　　閥桿最大軸向力QFZ取QFZ'和QFZ''中較大值。

　　式中 K1、K2、K3、K4——系數(shù)(查表選取)；QP——閥桿徑向截面上介質(zhì)作用力，N

　　dF——閥桿直徑(設(shè)計選定)，mm；QT——填料與閥桿的摩擦力，N

　　φ——系數(shù)查表(按hT/bT)；hT——填料深度，mm；bT——填料寬度，mm

　　閥桿受到的軸向應(yīng)力σL和σY為

　　式中 σL——拉應(yīng)力，MPa；σY——壓應(yīng)力，MPa；FS——閥桿最小截面積，mm

　　若σL≤[σL]，σY≤[σY]，為合格。[σL]、[σY]分別為閥桿材料的許用拉應(yīng)力和許用壓應(yīng)力。

　　(2)閥桿最大力矩

　　閥桿最大力矩M為

　　式中 Mf——密封面間摩擦力矩，N•m；MT——填料與閥桿徑向摩擦力矩，N•m；MJ——介質(zhì)壓力在旋塞與閥體接觸面上產(chǎn)生的摩擦力矩，N•m

　　由于閥門在整個啟閉過程中，通過提升塞子使密封副間脫離，旋轉(zhuǎn)時無磨擦，即Mf=0。

　　式中 QT——填料與閥桿的摩擦力，N；dF——閥桿直徑(設(shè)計選定)，mm

　　d——閥體進出口直徑(取d=DN)，mm；Dp——塞子平均直徑，mm

　　D1——塞子大端直徑(設(shè)計選定)，mm；D2——塞子小端直徑(設(shè)計選定)，mm；fM——塞子與閥體密封面間摩擦系數(shù)(有潤滑fM=0.08，無潤滑fM=0.12~0.18)

　　旋塞上最大扭應(yīng)力τN為

　　式中 S——扳手口方的邊長(設(shè)計選用)，mm；τN≤[τN]，閥桿強度為合格。[τN]為閥桿材料的許用扭應(yīng)力。

　　3.5、塞子提升高度

　　為了使塞子提升高度控制在合理的范圍內(nèi)，在閥門頂端安裝了一個螺釘(此螺釘可調(diào))，達到閥桿的限位作用。調(diào)整好螺釘后，用螺母鎖緊。當(dāng)塞子提起到最佳位置時，螺釘剛好頂住閥桿上端面，阻止閥桿繼續(xù)上升，有效的控制了塞子的提升高度。一般提升高度控制在1~2mm，關(guān)閉也同樣如此。