屏蔽式電動閘閥閥桿及閘板設計與分析

韓 勖，方 恒 晨，孫 秋 花，彭 彥 平

(1.大連工業大學 機械工程與自動化學院,遼寧 大連 116034；2.大連四方電泵有限公司，遼寧 大連 116045)

0 引 言

隨著自動化技術的不斷發展，為了降低操作者的勞動強度，提高工作效率，各行各業對各種閥門驅動裝置的需求越來越多?，F在市場上存在各種原理的閥門驅動裝置，如電動裝置、氣動裝置、液動裝置、氣液聯動裝置、電液聯動裝置等。在這些閥門驅動裝置中，閥門電機驅動裝置因具有原理簡單、驅動能力強、結構相對緊湊、控制方便等優點，得到了廣泛應用[1]。

國內目前對電驅動裝置的研究較為廣泛，電動閥門主要是指電機通過減速器與閘閥、球閥、蝶閥、旋轉閥等配合，以形成電動閥門系列，并可實現各種閥的電動控制。電動閥門廣泛用于石油化工、船舶、軍工、核電、輸油管線、給排水等行業。而無泄漏電動閥門，在輸送具有毒性、腐蝕性、高溫、高壓等特殊液體的場合，更是起到至關重要的作用。市場對無泄漏電動閥門的需求呈上升趨勢，特別是在核電、化工、軍工等特殊液體輸送控制的場合更是有著廣泛的市場前景[2-4]。

目前對無泄漏閥門的研究并不多，市場上成熟的產品很少，已經投入應用的產品還存在一定的缺陷，如關閉閥門時閘板反彈，閘板楔緊力無法準確控制等問題。

根據某企業要求，對公稱直徑為65 mm的電動閘閥進行了設計研究，提出了無泄漏、限驅動扭矩的屏蔽式電動閘閥的整體設計方案，并對閥體、閥蓋等承壓件進行強度等的計算校核。主要對電動閘閥在開啟和關閉瞬間的絲杠螺母扭矩控制，以及閘板和閥桿兩個主要零件的受力情況進行了分析研究。對閥桿和閘板承載能力進行計算分析，并優化了閘板楔角。

1 電動閘閥總體結構設計

所設計的屏蔽式電動閘閥是應用于核電系統的重要裝置之一，是保證反應堆回路系統及其相連接管道安全的關鍵設備。電動閘閥的基本參數：公稱通徑65 mm，公稱壓力10 MPa，設計溫度120 ℃，工作壓力5 MPa。

設計的核電電動閘閥由電驅動裝置、滾珠絲杠回轉副、限力矩摩擦聯軸器、閥桿、楔形閘板、閥蓋、閥體、軸承等組成。而電驅動裝置由屏蔽電機、行星輪系減速器組成，屏蔽電機的屏蔽套將電機軸與閥桿、閘板密封在一個密封腔內，閥門開關過程中無動密封環節，徹底實現了無泄漏開關閥門。圖1為設計的屏蔽式電動閘閥結構原理圖。屏蔽電機旋轉，經過行星輪系減速器減速后，帶動限力矩摩擦離合器主動軸旋轉，通過摩擦離合器帶動滾珠絲杠回轉副的螺母旋轉，從而帶動閥桿(絲杠)和閘板軸向移動，完成閥門的開關動作。閥門是否開關到位由位置指示器顯示，位移傳感器為電機變頻控制提供閥門開或關過程中閘板位置信號，以實現對屏蔽電機的有效控制。

圖1 屏蔽式電動閘閥結構Fig.1 Structure schematic diagram of shielded electric gate valve

2 屏蔽式電驅動裝置結構

根據企業設計要求，驅動裝置的驅動能力為40 N·m，開關閘閥時間在30 s之內。閥門屏蔽式驅動裝置的結構如圖2所示。其結構特點是：定子屏蔽套將轉子與定子隔離，轉子、行星輪系減速器、輸出軸均工作在介質中。轉子軸與減速器輸入軸共用一個軸，提高了轉子與減速器的同心度，傳動更平穩，有利于減震降噪[5-7]。電驅動裝置與閘閥的閥蓋靜密封連接，結構上沒有動密封，因此可以做到完全無泄漏，特別適合輸送易燃、易爆、貴重液體和有毒、腐蝕性及放射性液體[8]。

圖2 電驅動裝置結構Fig.2 The structure of electrical drive device

3 限力矩摩擦離合器結構

設計的限力矩摩擦離合器結構如圖3所示。主動端由主動軸、調節螺母、碟形彈簧、支撐板、摩擦片構成。從動端由雙排鏈條、摩擦盤(鏈輪1)、絲杠螺母(鏈輪2)構成。通過調節螺母和碟形彈簧使摩擦元件壓緊產生摩擦力矩來傳遞扭矩，傳遞扭矩大小可通過調節螺母調節。

圖3 限力矩摩擦離合器結構原理圖Fig.3 The structure schematic of limited torque friction clutch

限力矩摩擦離合器的摩擦片和摩擦盤側面帶有反向的斜面凸棱，如圖4所示。離合器只限制關閥時螺母力矩的大小，即關閉閥門時，如扭矩超過限定值摩擦片與摩擦盤可以打滑。開閥時摩擦片與摩擦盤由于凸棱作用一起旋轉，不能打滑。這樣就保證了關閥門時力矩可控，不損壞閘板和閥桿，同時開啟閥門也順暢，且閥桿有足夠的力矩保證閥門能夠正常打開。

圖4 摩擦片和摩擦盤側面結構Fig.4 Structures of friction plate and friction disc side

根據關閉閘閥時所需的最大絲杠螺母力矩來設定摩擦離合器的最大傳遞扭矩，保證使閥門有效關閉的同時，防止閘板與閥座間的楔緊力過大，而損壞閘板，或使閥門卡死無法打開[9]。

4 閘板設計計算及分析

閘板是閘閥的密封零件，在閘閥中起著非常重要的作用。閘板材料為06Cr18Ni11Ti，密封面為堆焊的合金材料司太立。閘閥采用楔式彈性閘板單面強制密封，彈性閘板能有效保證密封，且能避免過緊和因熱脹引起的卡死現象。

4.1 開關閥門時閘板受力

在閘閥采用單面強制密封時，且在有介質狀態下，關閉閥門受力圖如圖5所示，開啟閥門受力圖如圖6所示。設Q′、Q″分別為關閉和開啟時閥桿密封力，即閥桿與閘板間的軸向作用力，N；QG為閘板組件的重量，N。

圖5 關閉時受力圖Fig.5 Forced diagram of closing gate

根據圖5的受力分析，可得關閉閘閥時閘板處需要的向下的力Q′[10]。

Q′=2(QMJ+QMF)(tanφ+tanρ′)cosφ-

QMJcosφ[tan(φ+ρ′)+tanφ]-QG

(1)

根據圖6的受力分析，可得開啟閘閥時閘板處需要的向上的力Q″[10]。

圖6 開啟時受力圖Fig.6 Forced diagram of opening gate

Q″=2(QMJ+QMF)(tanρ″-tanφ)cosφ-

QMJcosφ[tan(ρ″-φ)-tanφ]+QG

(2)

式中：QMF為密封面上達到必需比壓時的作用力，N；QMF=π(da+bm)bmqMF[10]；qMF為密封面上必需的密封壓力，qMF=4.5 MPa[11]，da=65 mm(設計給定)為密封面內徑，bm=8 mm(設計給定)為密封面寬度。QMF、QMJ分別為密封面上的密封力和密封面處介質作用力，兩個力的作用方向均垂直于密封面。代入相關數據，計算得

QMF=π(65+8)×8×4.5=8 256.1 N

QMJ=0.785×(da+bm)2Pc=

0.785×(65+8)2×6.5=27 191.2 N

密封面為合金材料司太立，閥門關閉瞬間閘板與閥座間摩擦為動摩擦，取密封面摩擦系數f′M=0.2，閥門開啟瞬間閘板與閥座間摩擦為靜摩擦，取摩擦系數f″M=f′M+0.1=0.3。對應的摩擦角分別為ρ′、ρ″。

通常楔式閘板半楔角φ=5°，將相關數據代入式(1)、式(2)中，計算得Q′=9 988 N，Q″=11 789 N，此時閥門的開啟力大于關閉力。

4.2 閘板楔角改進

閥門長期關閉，由于溫度變化會引起閘板與閥座間作用力增大，加之介質在閘板與閥座間的物理化學作用，也會使閘板與閥座間的作用力增大。以往在閥門開啟過程中，由于開啟力較大有造成閥桿被拉斷的情況發生，嚴重影響系統的正常工作。在式(1)、式(2)中，QMF、QMJ是系統設計所決定的不可變的參數，摩擦角ρ′、ρ″也是由材料所決定的參數，只有楔角φ是可改變的參數。φ的改變會對Q′、Q″有較大的影響。很顯然增大楔角φ會使開啟力減小。

為了使開啟和關閉閥門時電機負載接近相等，這里使Q′+QG=Q″，利用此式可求φ≈8.4°，取整φ=8.5°，并代入式(1)、式(2)中得Q′=10 776 N，Q″=10 720 N，關閉力大于開啟力。

4.3 閘板關閉的自鎖性

在φ=8.5°時，當閥門關閉后，由于液體壓力，通過閘板作用到閥桿上的向上的軸向力Q應該小于Q″，才能保證關閉的可靠性，因此需要計算Q值。如圖6所示的閘板受力圖，由水平方向受力平衡有如式(3)成立。

(QMJ+N″M1)cosφ+F″M1sinφ=N″M2cosφ+

F″M2sinφ

F″M1=f″M1N″M1=N″M1tanρ″

F″M2=f″M2N″M2=N″M2tanρ″

(3)

整理后得：

N″M2=QMF+QMJ

(4)

而閥門關閉后應有

(5)

帶入相關數據得

N″M1=9 422.9 N，N″M2=35 447.3 N

N″M1+N″M2=44 870.2 N

液體壓力通過閘板作用到閥桿上的向上的軸向力Q為

Q=(N″M1+N″M2)sinφ-(F″M1+F″M2)cosφ=

(N″M1+N″M2)(sinφ-tanρ″cosφ)

(6)

代入數值得Q=-6 681 N，Q為負值說明閥桿受力是向下的，也即閘板具有自鎖性，不會由于液體壓力作用而開啟。這里還沒有考慮螺母給絲杠的阻力，閘板及閥桿的重量，如果考慮這些閥門更不會由于液體壓力作用而開啟。

4.4 閘板強度校核

4.4.1 閘板厚度計算

彈性閘板單面強制密封時，閘板根部所受應力應小于許用應力，應力按式(7)計算[10]。

(7)

式中：SB為閘板計算厚度，mm，P=6.5 MPa為設計壓力，R=36.5 mm為閘板平均半徑(設計給定)，d=32 mm為彈性閘板彈性連接軸，由插值法可知K1系數取1.592，K2系數取0.488[10]，[σW]為120 ℃材料的許用彎曲應力，[σW]=125 MPa，C為考慮鑄造偏差，工藝性和介質腐蝕等因素而附加的裕量，取C=3 mm，可求得SB=16 mm。而設計給定閘板厚度為S′B=20 mm，顯然S′B>SB，故閘板最小壁厚滿足要求。

4.4.2 密封面比壓計算

如圖6所示，單面強制密封有介質壓力時，閘板右側密封面壓力最大。σS=125為許用屈服應力，密封面的許用比壓[q]按式(8)計算[11]。

[q]=K[σS]=0.95×125=118.75 MPa

(8)

密封面的實際比壓為

顯然q′<[q]，密封面比壓滿足要求。

圖7是閘板在有介質壓力情況下，滿足密封條件時的應力分布云圖，最大應力發生在閘板中間的彈性連接部位。

圖7 閘板應力分布云圖Fig.7 The distribution cloud diagram of gate stress

5 閥桿設計計算及分析

閥桿是閘閥的主要零件之一，其軸向移動帶動閘板開關閥門，在閥門開關瞬間閥桿受較大的軸向力，閥桿的抗拉強度和受壓時的穩定性直接影響閥門的可靠性和穩定性。

5.1 閥桿驅動力計算

電驅動裝置的輸出驅動力矩為T=30 N·m，也即絲杠副螺母所受扭矩為30 N·m。假設開啟閥門是電裝電機滿負荷工作，這時負載包括：絲杠軸向移動負載、滾珠副滾動摩擦負載、止推軸承滾動摩擦負載、絲杠及閘板的重量。圖8為絲杠副的受力分析圖，絲杠受力包括螺旋面正壓力(N)、摩擦力(f)、重力(mg)。根據絲杠副的工作原理，當絲杠勻速直線運動時，螺母作用到絲杠上的軸向力可以發揮到最大值。

圖8 絲杠副的受力圖Fig.8 Force diagram of the lead screw pair

按閥桿力矩和軸向力平衡可得式(9)。

(Nsinα+Nμcosα)r=T-Tf

(9)

式中：T=30 N·m為驅動扭矩，Tf為止推軸承摩擦力矩，α=3.643°為螺旋升角，μ=0.004為滾動摩擦系數，r=0.009 64為絲杠中徑。

Tf=FμR

(10)

式中：F為閥桿所受軸向力；μ=0.004為滾動摩擦系數；R=0.036 m，為止推軸承中徑。

絲杠軸向力平衡則有

F=Ncosα-Nμsinα+mg

(11)

式中：mg為閥桿和閘板的重量約為20 N。

閥桿所受扭矩M為

M=(Nμcosα+Nsinα)dm/2

(12)

式中：dm=18.45 mm為閥桿絲杠部分螺紋中徑。

由式(9)～(12)求得在勻速運動狀態下N=37 747.6 N，F=37 681.7 N，M=23.5 N·m。可見，閥桿所受軸向力F大于閘閥開啟所需的力Q″(φ=8.5°時，Q″=10 720 N)，閥桿能夠帶動閘板開啟閥門。同理，可計算關閉閥門時，閥桿所受軸向力F大于閘閥關閉所需的力Q′(φ=8.5°時，Q′=10 776 N)，閥桿也能夠帶動閘板關閉閥門。

5.2 閥桿強度校核

閥桿結構圖如圖9所示。其危險截面為A-A和B-B截面。

圖9 閥桿示意圖Fig.9 The schematic of valve stem

5.2.1 兩截面抗拉強度校核

同理，設B-B截面的拉應力為SBL，校核SBL=Q″/B≤Sm。其中B=370.7 mm2為閥桿B-B截面的面積，計算得SBL=28.9 MPa。

所以SBL≤Sm，滿足要求。

5.2.2A-A截面抗扭強度校核

5.3 閥桿彎曲(失穩)分析

按照RCC-MB3556.3a[12]準則要求，在設計條件下閥桿彎曲分析應使閥桿實際軸向力Q′不超出臨界計算壓力。這里采用歐拉理論校核。

計算閥桿的柔度λ[10]：

λ=μLF/i

(13)

式中：μ=1為閥桿支承狀態有關的長度系數；LF=380 mm為閥桿的計算長度；i=dm/4為閥桿的慣性半徑，計算得λ=82.4，查表[10]可知閥桿材料的上臨界柔度λ1和下臨界柔度λ2分別為70和117.5，可見λ1<λ<λ2，若滿足式(14)、式(15)條件[10]，則閥桿穩定。

σY≤(a-bλ)/n

(14)

(15)

式中：σY為閥桿的壓應力，MPa；a、b為與材料性質有關的系數，MPa[10]；n=2.5為穩定安全系數。帶入數值有σY=40.33 MPa<74.11 MPa，顯然閥桿穩定。

5.4 閥桿疲勞分析

根據RCC-MB3556.3a[12]準則，必須進行閥桿疲勞計算，在設計條件下A級準則其疲勞使用系數lt不大于1，lt按下式計算。

lt=n/Na

(16)

式中：n為要求的循環次數，n=10 000次(設計要求)，Na為許用循環次數，可從圖標ZI4.2[12]中查得

Na=5×105

lt=n/Na=0.02

所以lt<1，滿足要求。

6 結 論

對屏蔽式電動閘閥進行了總體設計，為了控制電動閘閥在關閉瞬間作用于閘板的關閉力的大小，設計了限力矩摩擦離合器，實踐證明限力矩摩擦離合器可有效控制閘板關閉力，防止關閉力過大，損壞閘板或使閥門無法開啟。優化了閘板楔角，使開關閥門閥桿受力更加均衡，屏蔽電機正反轉運行電流更加平穩。對閘板和閥桿兩個主要零件的受力情況進行了計算和有限元仿真分析，證明了設計的屏蔽式電動閘閥的閥桿、閘板滿足設計要求，通過具體條件下的實驗驗證了閥門總體設計的可行性。設計對提高電動閘閥運行的可靠性和閥門的綜合性能具有重要的意義。實驗證明關閉閥門時無反彈現象，開啟閥門時無卡頓現象。