淺析電動閘閥閘板反彈

李志杰

（沈陽盛世高中壓閥門有限公司，遼寧 沈陽 110025）

電動閘閥彈性閘板反彈現(xiàn)象出現(xiàn)于試驗與使用環(huán)節(jié)，當彈性閘板依靠電傳動裝置提供的動力源、滾珠絲杠的直線驅(qū)動力進行電動閘閥閉合動作時，原本下降的彈性閘板出現(xiàn)異常回彈現(xiàn)象。經(jīng)過與電傳動裝置專家、電動閘閥專業(yè)維修人員的交流發(fā)現(xiàn)，DN50口徑電傳動裝置僅依靠減速器齒輪進行機械限位，彈性閘板環(huán)形堆焊槽過深，可能會發(fā)生彈性閘板反彈。同時，對彈性閘板啟閉過程進行現(xiàn)場勘驗，查詢流體動力學、熱力學等相關(guān)書籍對彈性閘板反彈進行深層次原因探析。本文設(shè)計參數(shù)如下：啟閉時，閘閥中流動介質(zhì)壓力17.16MPa，溫度260℃，閥體密封面內(nèi)徑48mm、密封面寬度5mm，電傳動裝置過載輸出扭矩120N·m。

1 電動閘閥工作原理及重要件結(jié)構(gòu)簡述

電動閘閥是由電傳動裝置作為動力源，滾珠絲杠副作運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)，從而使閘板密封面與閥體密封面分離與貼合，完成電動閘閥啟閉動作。涉及本文的主要為電傳動裝置、滾珠絲杠副、閘板、閥體。電動閘閥示意圖見圖1。

電傳動裝置與步進電機工作原理類似，由減速器、定子、轉(zhuǎn)子等組成。滾珠絲杠副是將電傳動裝置中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運動，由滾珠、絲杠等組成。閘板、閥體主要由基體+硬質(zhì)合金層組成，基體承受來自外界力的作用，硬質(zhì)合金層提供表面耐磨、耐蝕性等。

2 彈性閘板反彈原因分析

2.1 電傳動裝置影響因子

電傳動裝置作為電動閘閥的動力源，是造成彈性閘板反彈的根本原因。根據(jù)楊源泉版《閥門設(shè)計手冊》表4-88計算得出，楔式彈性閘板開啟力矩60N·m，關(guān)閉力矩55N·m，電傳動裝置過載輸出扭矩滿足計算要求。在排除設(shè)計選用因素前提下，還有以下幾種影響因子：

（1）電傳動裝置由減速器齒輪帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，考慮齒輪配比受齒形磨損影響較大，可能造成輸出扭矩降低，無法一次使電動閘閥關(guān)閉，從而造成反彈。

圖1 電動閘閥組成示意圖

（2）電傳動裝置未設(shè)置自鎖功能，導致彈性閘板反彈時不能鎖死，甚至出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（3）根據(jù)牛頓第一定律，電傳動裝置轉(zhuǎn)動速度越快，斷電時，減速器齒輪運行慣量越大，導致彈性閘板反彈概率越大。

2.2 滾珠絲杠副影響因子

滾珠絲杠副是將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為帶動彈性閘板的升降運動。為了保證升降運動的流暢性、穩(wěn)定性，選擇傳動效率高的滾珠、絲杠組合。雖然滿足了電動閘閥啟閉時的傳動要求，但同時，也增加了彈性閘板反彈時的流暢性（彈性閘板可近似看作電動閘閥瞬時開啟過程）。

2.3 彈性閘板、閥體密封面貼合的影響因子

電動閘閥工作原理為彈性閘板、閥體密封面貼合，從而形成密封比壓，阻斷介質(zhì)流通。因此，彈性閘板反彈機理主要在于彈性閘板密封面與閥體密封面處的力學分析。

本文以關(guān)閉后電動閘閥形成雙面強制密封效果，然后，在施加進口單向介質(zhì)力、進出口雙向介質(zhì)力時的狀態(tài)進行簡單力學分析，然后，進行瞬時耦合場簡析，從而找出彈性閘板反彈機理。

（1）電動閘閥在正常介質(zhì)流通時進行關(guān)閉，關(guān)閉后，電動閘閥中腔存留一定量介質(zhì)（電動閘閥關(guān)閉過程中，進出口側(cè)類似節(jié)流閥原理，出口側(cè)流速高于進口側(cè)，因此，當電動閘閥關(guān)閉到位時，不可能存在中腔滿介質(zhì)情況）。假設(shè)此時閥門進口端通介質(zhì)壓力，力學分析圖見圖2。根據(jù)力學分析圖得出以下公式：

式中，F(xiàn)MC為摩擦力，fMC摩擦系數(shù)，F(xiàn)N正壓力，F(xiàn)MJ介質(zhì)力，F(xiàn)MF密封力，θ楔角，F(xiàn)FT反彈力。

由（1）、（2）、（3）得出結(jié)論：

由公式（4）得出，當楔角θ在0～10°范圍內(nèi)，反彈力FFT永遠小于摩擦力，即在閘板閘死（彈性閘板密封面與閥體密封面完全貼合狀態(tài)）情況下，無其他外力作用，只在介質(zhì)力作用下時，閘板不會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

（2）更換一中假設(shè)條件：假設(shè)此時閥門進出口端均通介質(zhì)，力學分析圖見圖2。因公式與一類似，因此，不再敘述，根據(jù)力學分析圖得出結(jié)論：

由公式（5）得出，當楔角θ在0～7°范圍內(nèi)，反彈力FFT永遠小于摩擦力，即在閘板閘死（彈性閘板密封面與閥體密封面完全貼合狀態(tài)）情況下，無其他外力作用，只在介質(zhì)力作用下時，閘板不會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

圖2 單/雙向介質(zhì)力學分析圖

（3）根據(jù)一、二結(jié)論發(fā)現(xiàn)無外力作用，閘板不可能反彈，因此，需進一步考慮耦合效應。彈性閘板在閉合瞬間受溫度場、流體場、微觀粒子場等相互作用，由沖量定理公式（6）得出，閉合瞬間通道內(nèi)介質(zhì)流速與中腔介質(zhì)流速急劇變化，產(chǎn)生新的外合力使得彈性閘板反彈。流速變化越劇烈，反彈效果越明顯。

彈性閘板在完全閉合后，如果在進口側(cè)持續(xù)升壓，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化理論，通道內(nèi)與中腔內(nèi)產(chǎn)生壓力差值并在中腔方向產(chǎn)生分量，因此，通道內(nèi)與中腔內(nèi)壓差足夠大時，即便閉合狀態(tài)的閘板也會發(fā)生反彈。能量參考轉(zhuǎn)換見公式（7），本文不再細述。

彈性閘板受溫度場影響對閘板反彈可大可小，主要影響效果分為兩種：一種是冷態(tài)關(guān)閉彈性閘板，熱態(tài)開啟時，會造成開啟力過大甚至無法打開；另一種是熱態(tài)關(guān)閉彈性閘板，關(guān)閉力會增加甚至出現(xiàn)無法關(guān)閉現(xiàn)象。兩種情況產(chǎn)生的原因與金屬內(nèi)部微觀粒子場變形趨勢有關(guān)。

綜上，耦合場影響是復雜多樣的，對反彈影響最大的是：在介質(zhì)高溫、高流速、持續(xù)加壓狀態(tài)下，對彈性閘板進行關(guān)閉。以上一、二、三針對濕摩擦進行分析，干摩擦分析時，需要考慮摩擦因數(shù)的變化。

3 彈性閘板反彈消除設(shè)想

根據(jù)彈性閘板反彈原因分析，提出以下幾點消除設(shè)想：

（1）增加電裝電流自鎖功能，增加電裝減速器齒輪硬度及耐磨性，更換具備自鎖功能的渦輪，蝸桿減速機構(gòu)等、建議額定輸出扭矩不得小于過載扭矩的70%，降低減速器齒輪配比。

（2）彈性閘板關(guān)閉時，介質(zhì)溫度應選取實際使用溫度與常溫的中間值，本文可選取140～160℃。

（3）電動閘閥閉合時，介質(zhì)壓力應在小范圍波動。

（4）彈性閘板不應在介質(zhì)滿流量狀態(tài)或者流速過高狀態(tài)下關(guān)閉。

（5）嘗試更改彈性閘板楔角，按照閥門公式（4）或者（5）定量確定，根據(jù)計算本文選取楔角4°。

（6）干摩擦因數(shù)比濕摩擦因數(shù)要大得多，且每次電動閘閥啟閉時，彈性閘板密封面與閥體密封面均不會受到介質(zhì)在密封面形成的表面張力保護，多次在干摩擦下閉合會對密封面造成刮傷，容易引起反彈，因此，不建議在無介質(zhì)時，對電動閘閥進行啟閉操作。

（7）滾珠絲杠副增加自鎖裝置，詳見《滾珠絲杠副與自鎖裝置》書中158-251頁。

4 結(jié)語

彈性閘板反彈問題是影響電動閘閥使用性能的一環(huán)，經(jīng)過對彈性閘板耦合場的分析，最終確定影響反彈的三大因素：溫度、壓力、速度。本文最后依據(jù)專業(yè)人才的經(jīng)驗對電動閘閥使用要求提出規(guī)范化建議，并結(jié)合理論知識在電動閘閥設(shè)計理念上提出新的想法。