氣動盤閥驅(qū)動鏈的設(shè)計簡析

耿鵬逞,胡高林,孫兵兵,羅 亮,許慶合

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司 中國船舶集團有限公司第七二五研究所,河南 洛陽 471000)

0 引言

盤閥是通過滑動圓盤來實現(xiàn)開關(guān)的一種快開快關(guān)型閥門。近幾年來,盤閥在國內(nèi)的煤化工氣化爐裝置、海綿鈦冶煉等粉料輸送系統(tǒng)的顆粒介質(zhì)工況應(yīng)用中,表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能,其耐高溫、耐磨損、耐沖刷、自研磨等結(jié)構(gòu)特點和性能優(yōu)勢,受到了客戶的廣泛關(guān)注[1]。這些工況一般要求閥門工作溫度為250～550 ℃,規(guī)格在DN50～DN450 之間,并要求閥門開關(guān)頻率比較高,一般為3～6 次/h,全天連續(xù)運行。盤閥開關(guān)頻率高、工作時間長的應(yīng)用特點,對盤閥驅(qū)動鏈的結(jié)構(gòu)強度、剛度和運動性能有著更高的要求,同時驅(qū)動鏈的合理設(shè)計對制造成本的優(yōu)化意義重大,而國內(nèi)外對這方面相關(guān)介紹資料很少,因此本文將從優(yōu)化制造成本、提高結(jié)構(gòu)強度和剛度以及減小運動沖擊等方面來對驅(qū)動鏈進行優(yōu)化設(shè)計,為后續(xù)盤閥驅(qū)動鏈的設(shè)計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)組成和工作原理

氣動盤閥的結(jié)構(gòu)如圖1 所示,其中驅(qū)動鏈主要由固定架、閥盤、閥桿組件、搖臂、氣動執(zhí)行器(活塞桿、活塞、氣缸等)組成,屬于一種滑塊搖桿機構(gòu)。

圖1 氣動盤閥的驅(qū)動鏈組成

盤閥的驅(qū)動裝置通過閥桿與搖臂驅(qū)使閥盤轉(zhuǎn)動一定的角度來實現(xiàn)閥門的開關(guān)。閥盤密封面借助彈簧與閥座緊密貼合,這有利于克服背壓變化對密封的影響并能防止顆粒介質(zhì)進入密封面之間[2]。

在盤閥啟閉過程中,閥座密封面與閥盤在切線方向上的摩擦力之差,使閥盤在一個啟閉循環(huán)過程中產(chǎn)生自轉(zhuǎn),并可以不斷剪切與清掃在工藝過程中有可能堆積在閥腔內(nèi)的介質(zhì),這些特點是其他閥門不具備的。

2 驅(qū)動鏈的設(shè)計

驅(qū)動鏈的設(shè)計內(nèi)容主要包括:

(1)分析氣缸行程與輸出力之間的對應(yīng)關(guān)系,通過合理選擇設(shè)計參數(shù),優(yōu)化制造成本。

(2)討論如何在不改變氣缸行程和輸出力的前提下減小執(zhí)行器固定架的結(jié)構(gòu)長度,以此來提高結(jié)構(gòu)強度和剛度,保證驅(qū)動鏈能夠高頻次長時間地正常工作。

圖2 閥盤運動過程中的自轉(zhuǎn)

(3)對執(zhí)行器進行合理選型,滿足使用要求。

下面以義馬煤業(yè)綜能新能源U-GAS 煤氣化裝置研制的盤閥為例來說明驅(qū)動鏈的設(shè)計過程。

2.1 盤閥轉(zhuǎn)矩的計算

執(zhí)行器的輸出力通過活塞桿傳遞到閥桿,然后帶動閥盤轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)盤閥的開啟和關(guān)閉,因此驅(qū)動鏈設(shè)計的第一步是計算出盤閥開關(guān)所需理論轉(zhuǎn)矩Mz。Mz主要包括閥盤繞閥桿中心轉(zhuǎn)動時密封面的摩擦轉(zhuǎn)矩Mpz和閥桿與填料的摩擦轉(zhuǎn)矩Mt;

(1)密封面摩擦轉(zhuǎn)矩Mpz的計算

閥盤密封面為圓環(huán)面,其摩擦轉(zhuǎn)矩通過積分的方法計算,該計算方法還可用于其他形狀密封面的轉(zhuǎn)矩計算,具體的計算模型如圖3 所示:

圖3 閥盤與閥座摩擦轉(zhuǎn)矩計算模型圖

式中Mpz—閥盤的摩擦轉(zhuǎn)矩;

l—閥盤中心與閥桿中心的間距(l=320 mm);

μ—閥盤與閥座間的摩擦系數(shù)(μ=0.4);

p—盤閥密封面壓力(p=10 MPa);

R—閥盤圓環(huán)密封面外徑(R=195 mm);

r—閥盤圓環(huán)密封面內(nèi)徑(r=160 mm);

x—閥盤密封面上某一點到閥桿中心的距離。

(2)閥桿與填料摩擦力矩Mt的計算[3]

式中μT—閥桿與填料間的摩擦系數(shù)(μT=0.2);

z—填料圈數(shù)(z=5);

h—單圈填料高度(h=20 mm);

dT—閥桿與填料接觸部分直徑(dT=200 mm);

p—工作壓力(p=10 MPa)。

閥桿的輸入力矩至少為:

Mz=Mpz+Mt=49 964 +15 072=65 036 N/m

2.2 執(zhí)行器活塞桿與搖臂的角度設(shè)計

執(zhí)行器的制造成本主要由缸徑和行程長度兩個因素決定,而決定缸徑和行程的設(shè)計變量是活塞桿與搖臂的初始角度,因此如何設(shè)計出合理的初始角度對優(yōu)化執(zhí)行器的制造成本意義重大。

相比其他旋轉(zhuǎn)類閥門,盤閥驅(qū)動鏈的設(shè)計較為復(fù)雜,其中執(zhí)行器活塞桿與搖臂的初始角度選擇范圍較大,對驅(qū)動鏈結(jié)構(gòu)簡化并建立幾何模型,通過幾何計算和圖像分析的方法來確定合理的角度和位置。

對盤閥驅(qū)動鏈結(jié)構(gòu)通過簡化并建立幾何模型,如圖4 所示。

圖4 活塞桿與搖臂角度變化示意簡圖

其中,P為氣缸轉(zhuǎn)軸軸心,圖中不同的軸心位置(P1、P″、P、P2、P3)代表執(zhí)行器活塞桿與搖臂不同的初始角度,B為執(zhí)行器活塞桿與搖臂連接位置中心,O表示閥桿中心,A表示閥盤中心。以P點為例說明開關(guān)過程,盤閥工作前,執(zhí)行器活塞桿與搖臂的初始角度為α,盤閥在開關(guān)過程中,B點以O(shè)點為中心運動到B″,終點位置處活塞桿與搖臂的角度為β。

為了便于分析執(zhí)行器初始位置對盤閥行程和輸出力的影響,將執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸中心到活塞桿與搖臂連接點距離設(shè)定為固定值,則理論上執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸P的位置可以設(shè)定在以B為圓心的圓上任意一點。考慮到氣缸輸出力需要最大效率地轉(zhuǎn)化為盤閥的輸入轉(zhuǎn)矩,閥門在開關(guān)過程中活塞桿與搖臂的角度需要經(jīng)歷一個從鈍角到銳角的變化過程,同時以盤閥的旋轉(zhuǎn)方向作為約束條件,最終可以確定執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸中心有效設(shè)置范圍在圓弧P1 和P2 之間,其中P1B⊥OB。

從圖中可以看出,當(dāng)執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸中心位于P1和P之間時,執(zhí)行器在行程終點需要更大的輸出力,而位于P和P2 之間時,執(zhí)行器在行程始點需要更大的輸出力。

氣缸在行程過程中需要輸出的理論最小作用力可表示為:

式中F—執(zhí)行器理論上至少需要輸出作用力;

Mz—理論上盤閥開關(guān)所需最小轉(zhuǎn)矩;

α—執(zhí)行器活塞桿與搖臂所呈角度;

θ—OB與BB″所呈夾角(θ=0.3π);

L—搖臂長度(L=590 mm);

a—初始位置時執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸與活塞桿搖臂連接中心的距離(a=990 mm);

b—單個行程中活塞桿和搖臂連接中心的總位移(b=715 mm);

S—盤閥開關(guān)所需氣缸行程。

根據(jù)氣缸輸出力和氣缸行程的表達(dá)式在MATLAB 中分別繪制出輸出力、行程和角度α的關(guān)系曲線圖,計算結(jié)果如圖5 所示。從圖像中可以看出,行程先逐漸變大,在P點達(dá)到最大值,然后又逐漸變小;而輸出力則是先逐漸變小,在P點時達(dá)到最小值,然后又逐漸變大。

圖5 執(zhí)行器輸出力、行程與α 的關(guān)系曲線圖

從圖中可以看出,P2 位置所對應(yīng)的氣缸行程最小,但是氣缸輸出力確是無限大,因此這個位置可以忽略。如果考慮氣缸輸出力和氣缸行程兩個因素,將執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸定在P點和P1 點較為理想,表1 對兩個位置所對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)進行了對比。

表1 P1 和P2 點設(shè)計參數(shù)對比表

氣缸的缸徑d可表示為:

式中d—氣缸的缸徑;

F—執(zhí)行器輸出作用力;

η—氣缸的負(fù)載率;

P—氣缸內(nèi)氣體壓力。

從表1 中可以得到,P點對應(yīng)的氣缸行程比P1點多81 mm,而根據(jù)缸徑d與輸出作用力的關(guān)系可知,P點對應(yīng)的氣缸缸徑是P1 點的0.67 倍。

由上可得出以下結(jié)論:(1)將執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸中心設(shè)置在P點,氣缸缸徑最小,相比于行程的略微增加,執(zhí)行器制造成本相對更低;(2)P點所對應(yīng)行程始點和行程終點α相同,盤閥在開關(guān)過程中的動作會更加平穩(wěn),沖擊更小。

2.3 搖臂與閥桿的角度設(shè)計

固定架作為連接執(zhí)行器和閥體的結(jié)構(gòu)件,從固定方式來看,可以將其看成一個懸臂梁結(jié)構(gòu)。其主要承受執(zhí)行器的重載以及盤閥開關(guān)時沿活塞桿方向的推力,同時還有速度變化引起的沖擊影響。考慮到盤閥高頻率、長時間開關(guān)的使用特點,固定架必須具有足夠的結(jié)構(gòu)強度來承受這些載荷,同時還必須有足夠的剛度來保證氣缸活塞桿不會因為固定架的變形而出現(xiàn)運動卡澀的情況。

縮短固定架的長度可以有效提高結(jié)構(gòu)強度和剛度,下面討論在不改變執(zhí)行器缸徑和輸出力的前提下,如何通過對搖臂和閥桿的角度設(shè)計來縮短固定架長度,以此提高其結(jié)構(gòu)強度和剛度。

搖臂與閥桿角度變化過程如圖6 所示,圖中可以看出,將搖臂與閥桿組件呈一定角度時(小于180度),在搖臂長度和閥桿組件位置不變的情況下,氣缸對閥桿轉(zhuǎn)軸的力臂長度不會發(fā)生變化,執(zhí)行器不需要增加輸出力來保證閥桿的轉(zhuǎn)動,同時氣缸的行程也保持不變。

由于固定架的形狀不是規(guī)則的,其長度很難精確計算。根據(jù)固定架的安裝方式和三角形理論,可以通過閥體到執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸的距離來考量固定架的長度變化。閥體中心搖臂與閥桿角度變化對固定架的長度的影響通過圖6 來簡單說明,其中,O為閥桿軸心,O″為盤閥閥體中心,P和P″為氣缸轉(zhuǎn)軸中心,θ為搖臂與閥桿由共線狀態(tài)繞閥桿中心旋轉(zhuǎn)的角度,搖臂在相對于閥桿轉(zhuǎn)動角度θ后,氣缸轉(zhuǎn)軸中心由P移動到了P″,從圖中可以明顯看出固定架的長度逐漸縮短。

圖6 搖臂與閥桿角度變化示意簡圖

固定架的長度可以簡單表示為:

式中S′—固定架的理論長度;

c—執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸中心到閥桿中心的距離(c=1 430 mm);

d—閥桿中心到閥體中心的距離(d=320 mm);

θ—搖臂相對于閥桿由共線狀態(tài)轉(zhuǎn)動的角度;

e—閥體半徑(e=1 080 mm)。

在MATLAB 中進行圖形繪制,結(jié)果如圖7 所示。

圖7 固定架長度與θ 的關(guān)系曲線圖

從圖7 中可以看出,在其他參數(shù)條件不變的情況下,當(dāng)搖臂與閥桿所呈夾角越大,固定架的長度越短,結(jié)構(gòu)強度越高,剛度越大。該種分析方法主要是討論搖臂與閥桿所呈角度對固定架長度的影響,模擬結(jié)果可以作為參考,實際設(shè)計中還需考慮實際情況(安裝空間,零件干涉等因素)來確定夾角大小。

2.4 執(zhí)行器的選型

盤閥執(zhí)行器的選型對盤閥驅(qū)動鏈的性能和制造成本都有著很緊密的聯(lián)系,而執(zhí)行器的選型要素主要包括氣缸缸徑和行程,缸徑主要由氣缸輸出力決定,而行程則與執(zhí)行器氣缸方向和位置有關(guān)。其他選型要素還包括增加緩沖裝置等。在確定盤閥所需輸入轉(zhuǎn)矩、行程、安裝空間以及其他特殊要求后,可根據(jù)這些條件對執(zhí)行器進行選型。執(zhí)行器選型基本包括如下內(nèi)容。

2.4.1 氣缸的缸徑

決定氣缸缸徑的因素主要包括:

(1)氣缸輸出力大小。氣缸輸出力根據(jù)閥桿所需轉(zhuǎn)矩和搖臂長度計算得到,實際選用中,執(zhí)行器輸出力應(yīng)比理論計算輸出力至少大一倍,此設(shè)計因素主要考慮由于頻繁操作和有害碎物影響而允許增加推動或扭矩[4]。一般情況下,輸出力越大,氣缸缸徑選擇越大。

(2)負(fù)載率。負(fù)載率是反應(yīng)負(fù)載對象工作狀態(tài)的一種參數(shù),工作狀態(tài)越復(fù)雜,負(fù)載率越低,數(shù)值在0～1 之間選擇,對于同樣大小的氣缸輸出力,負(fù)載率越低,所需氣缸缸徑越大。

(3)減壓閥設(shè)定壓力,即考慮現(xiàn)場實際使用工況條件。減壓閥設(shè)定壓力直接決定氣缸內(nèi)壓力大小,對于同樣的輸出力,減壓閥設(shè)定壓力越大,所需缸徑越小。

2.4.2 氣缸的行程

在確定驅(qū)動鏈的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)后,氣缸的行程可以根據(jù)執(zhí)行器活塞桿和搖臂的運動軌跡計算得到,但考慮裝配誤差等因素,氣缸需要能夠?qū)π谐踢M行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié),通常通過在氣缸頭部或端部增設(shè)調(diào)節(jié)螺母來實現(xiàn)。除此之外,對應(yīng)行程較大的氣缸,還應(yīng)考慮活塞桿和缸筒承受的橫向載荷對氣缸的影響。

2.4.3 考慮行程終端的沖擊

在盤閥開啟或關(guān)閉過程中,到達(dá)行程終端時,活塞具有一定的運動速度,如果不設(shè)置緩沖裝置,執(zhí)行器的壽命會大大減小,對使用非常不利。一般氣缸通過墊緩沖和氣緩沖來實現(xiàn)氣缸的緩沖能力。墊緩沖是指在缸內(nèi)裝入聚氨酯墊,避免活塞撞擊氣缸端蓋,該措施因成本較低,應(yīng)用比較廣泛。氣緩沖的原理是在活塞接近氣缸端蓋之前,使排氣側(cè)氣體受壓縮,利用其反作用吸收負(fù)載的動能,使活塞緩慢停止。

3 結(jié)語

本文通過幾何和數(shù)值計算的方法確定了氣缸驅(qū)動力初始方向與氣缸行程、氣缸輸出力大小之間的關(guān)系,通過對兩個參數(shù)的合理設(shè)計,優(yōu)化了驅(qū)動鏈的制造成本和運動性能。在此基礎(chǔ)上,討論了活塞桿與搖臂的角度設(shè)計對固定架結(jié)構(gòu)長度的影響,通過縮短固定架的長度,提高了結(jié)構(gòu)強度和剛度,減小了盤閥高頻次、長時間開關(guān)所帶來的運動沖擊。最后對執(zhí)行器的選型要素進行了討論,為驅(qū)動鏈的設(shè)計提供了參考。