XJFH-5×35型氣動絞車閥門耐極低溫性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁琦，郭志平，張艷鋒，武文亮

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

0 引言

氣動絞車作為吊裝設(shè)備的驅(qū)動裝置，由于自身能夠在易燃、易爆等惡劣的工作環(huán)境下安全可靠地工作，在礦井、石油鉆井平臺、管道鋪設(shè)、錨桿裝卸等眾多行業(yè)得到了較為廣泛的使用。極低溫氣動絞車是指工作于-65℃極低溫環(huán)境中的氣動絞車。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的氣動絞車一般適用于溫度不低于-20℃的工作環(huán)境，不能滿足極寒地區(qū)，特別是俄羅斯市場的使用要求。隨著北極、南極的勘探與開發(fā)活動的增加，也需要能適應(yīng)這些地區(qū)極低溫的氣動設(shè)備。

閥門是氣動絞車的關(guān)鍵部件，直接影響著氣動絞車的工作性能與使用可靠性，閥芯是配氣系統(tǒng)各閥體的核心部件，在極低溫下，閥芯的工作性能和可靠性決定著整個(gè)系統(tǒng)的工作性能與可靠性。本文通過對XJFH-5×35型氣動絞車（見圖1）閥門的閥體與閥芯之間裝配間隙的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具有在極低溫環(huán)境下良好工作的能力，保證了氣動絞車在極低溫環(huán)境下的使用性能。

圖1 XJFH-5×35型氣動絞車

1 氣動絞車配氣系統(tǒng)

本文主要針對氣動絞車配氣系統(tǒng)關(guān)鍵部件手動閥、主閥、供氣閥、換向閥、分配閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2、圖3、圖4所示[1]。這些閥門的閥體與閥芯存在著相對轉(zhuǎn)動的配合面，閥體上的閥孔與閥芯之間的氣體密封性能直接影響氣動馬達(dá)的配氣效率，影響氣動馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速與扭矩，當(dāng)閥體上的孔與閥芯之間形成完全密封的油膜后，氣體泄漏量降到最低。

圖2 手動閥結(jié)構(gòu)圖

圖3 主閥結(jié)構(gòu)圖

圖4 配氣系統(tǒng)閥門

2 分析與措施

低溫環(huán)境中材料內(nèi)部組織會發(fā)生一定的變化，進(jìn)而金屬體積發(fā)生變化，金屬實(shí)體的縮小可能導(dǎo)致有相互運(yùn)動的兩個(gè)實(shí)體卡死。閥體與閥芯在低溫環(huán)境中，都會發(fā)生一定量的收縮，導(dǎo)致直徑變小，當(dāng)閥孔孔徑的縮小值大于閥芯直徑縮小值時(shí)，配合間隙變小。當(dāng)配合間隙小于油膜厚度時(shí)，閥芯的運(yùn)動必然破壞油膜，形成半干摩擦或干摩擦，從而影響閥芯的運(yùn)動。當(dāng)形成完全干摩擦?xí)r，閥孔與閥芯出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

引起閥芯與閥孔卡死的另一個(gè)重要原因是隨著配合間隙變小，配氣閥與分配閥對氣體中的固體雜質(zhì)的敏感度提高。原來并不卡死閥體與閥芯的固體雜質(zhì)，在配合間隙小于雜質(zhì)顆粒尺寸時(shí)，閥芯卡死的幾率倍增。防止閥體與閥芯卡死的主要措施有以下幾點(diǎn)。

（1）合理選擇配合間隙

國內(nèi)外研究成果表明，對在-25℃以上工作的閥體，不必考慮其配合間隙，而在此溫度以下工作的閥體的配合間隙根據(jù)其使用工況，應(yīng)按一定規(guī)律增大。

（2）盡量采用一級同心的閥體結(jié)構(gòu)

多級同心的閥體結(jié)構(gòu)，由于低溫下各級配合之間存在間隙變化的不均勻性，容易引起閥體卡死，應(yīng)盡量避免選用多級同心的液壓閥。

（3）選用合理的閥體、閥芯材料組合

（4）控制氣源雜質(zhì)含量

氣動馬達(dá)在極低溫環(huán)境下，閥體部件之間配合間隙變小，使其對氣源中的雜質(zhì)更為敏感。因此，控制氣源中雜質(zhì)的種類與數(shù)量十分必要。

本文采取改變閥體與閥芯的裝配尺寸，來優(yōu)化氣動絞車閥門在低溫下的工作性能，使現(xiàn)有產(chǎn)品經(jīng)過簡單的再加工，就能達(dá)到極低溫環(huán)境下的使用要求。

3 裝配間隙計(jì)算

為了保證氣閥在極低溫下的正常配合間隙，由式1、式2可計(jì)算其在極低溫環(huán)境中的工作間隙與裝配間隙，計(jì)算結(jié)果見表1。

原有的XJFH-5×35的尺寸偏差與配合是以溫度-20℃為基礎(chǔ)的，因結(jié)合件材料的線膨脹系數(shù)不同，配合間隙（或過盈）需進(jìn)行修正計(jì)算，以選擇比較正確的配合類別。

表1 極低溫環(huán)境中氣閥工作間隙與裝配間隙

式中 xzmax，xzmin——最大與最小裝配間隙，mm

tk，tz——孔和軸的工作溫度，℃

xGmax，xGmin——最大與最小工作間隙，mm

t——裝配時(shí)環(huán)境的溫度，℃

d——配合的公稱直徑，mm

ak，az——孔和軸材料的線脹系數(shù)，℃-1

4 結(jié)論

通過對極低溫下，閥體與閥芯裝配間隙的計(jì)算，重新得出了它們的裝配尺寸，并對現(xiàn)有氣動絞車閥門的閥體與閥芯的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化加工。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，上述分析正確，完全滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，避免了閥門氣密性降低或者嚴(yán)重情況下閥體卡死的情況發(fā)生。該方法效果良好，具有經(jīng)濟(jì)、簡便優(yōu)勢。