柴油發動機用高溫蝶閥的設計與制造

陳聲坦

（雙恒閥門集團有限公司，上海201506）

0 引言

隨著自動化需求程度的提高，在大型高功率的柴油發動機性能中，可靠性、運行長時化、維護便利性、功率可控制性、使用壽命長等成為主要技術指標。這些要求大大增加了發動機氣道中的閥門研發難度。特別是在燃燒后的廢氣管道中，閥門運行溫度高，振動激烈，溫度變化梯度大，密封性能要求高，啟閉速度快，并且閥門任何故障均會影響發動機運行，甚至使得發動機報廢而影響裝備的運行。所以此類閥門的研發成為一個需各大發動機廠家重點突破的瓶頸。

1 結構設計

（1）鑒于安裝空間和振動的要求，閥門必須設計得小而輕巧，經過試驗發現，對夾蝶閥結構類的閥門是最佳的選擇。

（2）采用頸部適當加高且帶散熱片式設計，使得填料和執行機構在可靠的溫度下運行。

（3）填料截面采用倒V型結構，并用蝶形彈簧式壓載結構，如圖1所示。

圖1 填料部位結構設計圖

（4）閥座采用彈性金屬密封圈，具有通用性強，使用壽命長，密封故障后更換迅速，且備品占用成本少、空間小等特點。具體結構方案有兩種，分別如圖2、圖3所示。

圖2 閥座部位結構設計方案一

圖3 閥座部位結構設計方案二

這兩種方案的閥座密封性能相近且穩定，所需的密封比壓較低，對溫度變化也不敏感，并均可自動調整密封位置。但對于國內配件廠家，圖3所示方案的金屬彈性密封圈制造難度較低。

（5）為了減少內部零件、節約空間和改善閥桿受力情況，閥桿與閥體接觸處設有耐高溫軸瓦，閥桿與蝶板間采用矩形花鍵連接并用圓柱銷固定，防止蝶板上下跳動。

（6）如圖4所示，密封面噴涂耐高溫材料的蝶板采用偏心球面結構，在蝶板打開時可較快脫離閥座金屬密封圈，減少對密封圈的磨損，延長使用壽命。

圖4 蝶板結構設計圖

應當指出，閥桿孔中心的縱向軸線與球面中心的縱向軸線的重合誤差應控制在±0.05 mm以內，否則極易產生密封球面與閥座密封圈間接觸不均勻，甚至產生局部卡阻和磨損現象，影響閥門的密封性能和可靠性。

（7）為了提高閥門的自動化水平、啟閉速度和可靠性，所設計的氣動執行器也應當是定制的，如：其進排氣口通過加大尺寸或增加數量以滿足啟閉時間要求，內部活塞采用鍛造鋁合金等材質，行程開關采用無支架低高度安裝方式，所有連接螺栓孔采用內帶螺紋鋼套結構，如圖5所示。

圖5 氣動執行器設計圖

2 設計計算

2.1 閥體壁厚計算

式中：δ為閥體壁厚（mm）；Pc為閥門工作壓力（MPa）；Di為閥體內徑（mm）；為閥體材料在工作溫度下的許用應力（MPa）。

根據上式初步確定的壁厚值畫出閥體圖紙，并在閥體外周設置一定數量加強筋，然后再設定位移邊界條件為閥門進口與管道連接的端面進行固定約束，內腔壓力為1 MPa，在垂直方向施加重力加速度1g后進行有限元分析（圖6），以計算應力小于材料許用應力為合格。

圖6 閥體高溫工況下有限元應力分析結果

2.2 閥門振動應力有限元分析

在考慮設備自重、內壓為1.1倍工作壓力下，增加閥體在3個方向施加20g加速度的振動載荷，設定位移邊界條件為閥門與管道連接的進出口端面以及氣動連接支架進行固定約束，進行有限元分析（圖7），以閥門在振動作用下應力小于材料應力極限并保持設備結構的完整性為合格。

圖7 閥體受振動下有限元應力分析結果

2.3 閥體溫度場有限元分析

閥體應力分析通過后，設閥門內部為工作溫度、外側與空氣接觸的壁面為自然對流，以此作為邊界條件進行溫度場分析（圖8）。

圖8 閥體溫度分布梯度場有限元應力分析結果

2.4 蝶板厚度計算

式中：σmax為蝶板中心處最大計算應力（MPa）；m為蝶板半徑與厚度的比值，m=R/b，R為蝶板外圓半徑（mm），b為蝶板厚度（mm）；為蝶板材料在工作溫度下的許用應力（MPa）。

經過上式初步確定蝶板的壁厚后，在蝶板上設閥桿孔軸耳，其內花鍵槽長度為1.5倍閥桿直徑。然后再設定上下閥桿孔固定約束為邊界條件，在高溫和設計壓差工況下對蝶板進行有限元分析（圖9），以計算應力小于材料許用應力為合格。

圖9 蝶板高溫和設計壓差下有限元應力分析結果

2.5 閥桿強度核算

首先計算出閥門所需的最小總扭矩TΣ，然后根據此扭矩選擇適當的執行器，再根據執行器輸出扭矩Tq核算閥桿強度，并使得閥桿應力最大值處于介質壓力界面外。扭矩計算中各符號意義如圖10所示。

式中：TΣ為閥門所需最小總扭矩（Nmm）；Tm為密封必需扭矩（Nmm）；Tp為偏心扭矩（Nmm）；Tz為閥桿與軸套間摩擦扭矩（Nmm）；Tt為閥桿與填料間摩擦扭矩（Nmm）。

圖10 扭矩計算中各符號意義

其中：

式中：Dm為密封面中徑（mm）；bm為密封面寬度（mm）；qMF為密封面必須比壓（MPa），取1.2Pc；θ為密封面與閥桿軸線夾角（°）。

式中：e為蝶板偏心距（mm）。

式中：Qb為蝶板質量（kg）；g為重力加速度（N/kg）；μ為閥桿與軸瓦間摩擦系數；dF為閥桿在軸瓦處的直徑（mm）。

式中：φ為與填料尺寸和壓縮高度有關的系數；bt為填料截面的寬度（mm）；dt為填料內徑（mm）。

接著，選擇適當的執行器，使得Tq≥TΣ；然后核算閥桿強度：

式中：dmin為閥桿最小直徑（mm）；[τ]t為閥桿材料在工作溫度下的許用扭應力（MPa）。

3 制造工藝

在研制過程中，發現金屬彈性密封圈與蝶板的制造為關鍵步驟，若制定合理的工藝和工裝夾具來保證零件尺寸與形位公差符合要求，閥門就比較容易制作成功。

（1）金屬彈性密封圈（以圖3為例）的加工方法如表1所示。

（2）蝶板加工中應注意控制閥桿孔軸線與球心之間的偏心值及位置尺寸。在蝶板的軸耳線切割和花鍵槽電火花加工后，裝入圖11所示夾具在數控車床上加工球面，用型板漏光方法檢查球面、端面與固定芯軸間的尺寸符合性。

表1 金屬彈性密封圈加工

圖11 偏心蝶板球面加工夾具示意圖

4 檢驗與試驗

為了驗證閥門在高溫和強烈振動下運行的安全可靠性，同規格閥門在首批裝配后取3臺進行模擬高溫和振動下密封性能和開關壽命測試。

（1）模擬高溫試驗可采用外熱方式，即把閥門放入溫度可控的熱處理爐內，逐漸加溫，在各段溫度下對閥門進行操作和性能試驗，并且在降溫階段也進行相應試驗。

（2）振動下試驗采用真實發動機平臺，一般是把閥門安裝在相應發動機的管道上進行的。這種試驗方法可以發現大量意料之外的故障，非常方便于閥門的定型。

5 結語

因大型柴油發動機用高溫蝶閥運行工況惡劣，其性能和可靠性直接影響國內發動機的開發，經過3年來的精心選材、創新設計、編制工藝、制作工裝夾具，以及按照制定試驗大綱嚴格進行各種模擬工況試驗，定型后的閥門均能可靠地運行于相應的管道系統上。這為國內大型艦船用柴油發動機的研制提供了性價比較高的性能穩定的閥門，既減少了對國外產品的依賴，又縮短了制造周期，降低了建造成本。