圓頂閥DN300及其控制系統設計

呂育壯

（汕頭市閥門廠，廣東汕頭 515041）

0 引言

本文設計的圓頂閥采用氣包密封圈充氣后與球體表面緊密接觸的形式，以保證密封，進一步提高了閥門的使用壽命。此閥門在冶金系統高爐煤粉噴吹、卸灰裝置的管道上使用，使用時必須全開或全關，禁止作節流使用。

1 結構型式及工作原理

1.1 結構型式

（1）球體的支撐方式

采用固定球（軸支式）結構[1-2]，如圖1所示。

（2）密封形式

采用壓縮空氣氣封式密封圈結構，不易被介質沖刷，并且有效降低了閥門開閉的力矩，從而提高了閥門的密封性能和使用壽命。

（3）驅動形式

單氣缸雙作用氣動裝置，可保證閥門快速啟閉和準確到位的要求，在氣源壓力滿足0.4～0.6 MPa的前提下，利用電動控制及氣動控制原理相結合，閥門可在2～3 s內啟閉，實現開關靈活、迅速的功能。

圖1 圓頂閥示意圖

1.2 工作原理

密封裝置在閥門轉動時，都先放氣收縮，開關過程中球體與氣包密封圈之間保持有約3 mm的間隙，使得球體與密封圈可以以無接觸的方式運動，目的是為了使得球體與密封圈之間不產生摩擦，減少磨損，運行阻力小，轉動靈活、可靠，閥門的氣動執行元件為全密直線氣缸，回轉輸出，性能可靠，輸出扭矩大，直接驅動球體轉動，有效防止了灰塵進入其中造成磨損、泄漏等現象的發生。當閥門處于關閉狀態時，氣包密封圈充氣膨脹，緊緊壓在球體表面上，其結合面呈帶狀，從而形成一個牢固的壓力密封環帶，密封嚴密，阻止了管道內物料的流動。

2 設計計算

2.1 閥體壁厚的確定

式中：P為計算壓力，設計給定為1.6 MPa；Dn為閥體內徑，設計選定480 mm；[σL]為許用拉應力，查表[1]得80 MPa；C為腐蝕余量，設計給定為4 mm。

2.2 閥桿所受總扭矩計算

式中：Mt為填料與閥桿間的摩擦力矩；MC為軸承的摩擦力矩。

閥桿與填料間的摩擦力矩：

式中：df為閥桿與填料接觸部分直徑，設計給定70 mm；Z為填料圈數，設計給定6圈；h為單圈填料高度，設計給定10 mm。

將已知條件代入式（3）中，得Mt=88 665.696 N·mm。

閥桿軸承摩擦轉矩：

式中：dZJ為軸頸直徑，設計給定90 mm； μC為滑動軸承摩擦因數，查表[3]得0.16。將已知條件代入式（4）中，得MC=44 332.848 N·mm。

將已知條件代入式（2）中，得閥桿所受總扭矩Mr=132 998.544 N·mm。

圖2 閥桿

2.3 閥桿強度校核

式中：Mr為閥桿所受總扭矩，見2.2節，Mr=132 998.544 N·mm；WI為Ⅰ-Ⅰ斷面處的抗扭系數。

式中：dt為閥桿直徑，如圖2所示，設計給定70 mm；d0為銷的平均直徑，設計給定16 mm。將已知條件代入式（6）中，得WI=51 927.75 mm3。

將已知條件代入式(5)中，得τI-I=2.56 MPa。

根據閥桿材質，[τ]為材料許用扭應力，查表[4]得145 MPa，τI-I＜[τ]，故合格。

2.4 銷聯接的剪切強度校核

式中：T為轉矩，閥桿所受總扭矩(T=Mr)，Mr=132 998.544 N·mm；d為銷的平均直徑，設計給定16 mm；τp為銷的許用剪切應力，對于銷的常用材料，查表可[5]得τp=80 MPa。

將已知條件代入式（7）中，得τ=9.454 5 MPa≤τp。滿足設計要求。

2.5 氣動裝置的設計計算

要使氣動裝置能驅動球閥開閉，氣缸輸出轉矩必須滿足條件：

圖3 氣動裝置

式中，D為活塞直徑，如圖3所示，設計給定135 mm；PS為氣源壓力，設計給定0.4 MPa；η為考慮摩擦阻力影響引入的系數[5]，取0.8。

將已知條件代入式（8）中，得FT=4 578.12 N。

活塞拉力：

活塞推力：

式（9）中，d2為活塞桿直徑，設計給定40.5 mm。將已知條件代入式中，可得FL=5 207.612 N。

氣缸輸出轉矩[6]：

式中，FT為活塞的推力，見式（8）；L為曲柄力臂長度，設計給定245 mm；β為氣缸的擺角，設計給定45°。

將已知條件代入式（10）中，得M氣=793118.83 N·mm。

結論：M氣＞Mr，設計符合要求。

3 控制系統

本閥門由球閥本體、氣動裝置、電動控制及氣動控制原理相結合，啟閉動作是由氣動裝置驅使球體正反回轉90°來實現的[7]。氣控系統線路如圖4所示。

圓頂閥關閉時，接近開關發出關閉信號后，延時一定時間，密封圈再充氣。密封圈排氣后，延時一定時間，圓頂閥再打開，起到保護密封圈的作用[8]。電控線路圖如圖5所示。

圖4 氣控線路圖

圖5 電控線路圖

當圓頂閥處于開啟狀態需要關閉時，電磁閥得電，氣源從氣動頭進氣口進入，氣缸桿推動半球體轉動至閥門全關位置，閥桿上的撥叉壓住機械閥，機械閥通氣控制三通球閥轉動，氣源通過三通球閥向氣包密封圈內輸入壓縮空氣(壓縮空氣的驅動壓力要比管道介質的實際壓力大1.3倍)，使氣包密封圈在充入的壓縮空氣作用下鼓脹并與球體嚴密貼緊，從而實現密封的目的，產生良好的密封效果，實現閥門的關閉。當閥門處于關閉狀態需要開啟時，電磁閥失電，三通球閥轉動，氣包密封圈內的壓縮空氣快速卸壓，氣包密封圈在自身具有的彈力作用下收縮并與半球體分離，使氣包密封圈與半球體完全脫離接觸，然后再由氣動裝置驅動半球體轉動90°至閥門通徑全開的開啟位置。

4 結束語

圓頂閥常用于冶金系統高爐煤粉噴吹、卸灰裝置的管道上，客戶使用反饋表明該結構閥門密封效果以及使用壽命優于普通球閥，有效地解決了氣力輸送系統因物料熱膨脹發生閥門卡滯現象、物料對密封圈的磨損及其閥門密封不可靠和使用壽命短等一系列問題。具有開閉靈活、不易卡澀、設計簡單、維護量低、球體無沖刷等特點，有很好的市場前景。