鈦合金雙瓣止回閥扭簧設(shè)計(jì)及試驗(yàn)性能研究

張新奇，閔帥超，丁強(qiáng)偉，羅焱澤，高 琦

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

雙瓣止回閥由于流阻小，具有可水平或垂直安裝于管路等特點(diǎn)，常用于市政、排水管網(wǎng)和石油石化類化工領(lǐng)域。此外相比不銹鋼、銅或鋁制閥門，鈦及鈦合金閥門（簡(jiǎn)稱鈦閥）具有優(yōu)異的耐蝕性和安全可靠性，因此，鈦合金雙瓣止回閥已逐漸進(jìn)入閥門從業(yè)者的關(guān)注領(lǐng)域。目前，我單位研發(fā)生產(chǎn)的2～20寸新型鈦合金對(duì)夾式雙瓣止回閥已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)PTA項(xiàng)目，應(yīng)用效果良好。

如圖1所示，雙瓣止回閥主要由閥體、閥瓣、擋銷和扭簧等組成，依靠介質(zhì)壓力和扭簧作用力，2個(gè)閥瓣可完成自動(dòng)開啟或關(guān)閉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)開啟或截?cái)嘟橘|(zhì)，防止介質(zhì)倒流[1]。

圖1 鈦合金雙瓣止回閥三維示意圖

PTA石化工況涉及高溫醋酸、工藝漿料等介質(zhì)，要求閥門產(chǎn)品為全鈦化結(jié)構(gòu)，同時(shí)扭簧是實(shí)現(xiàn)雙瓣止回閥功能和性能的關(guān)鍵零件，其設(shè)計(jì)、加工效果將影響閥門整體的性能，故研制出滿足產(chǎn)品使用要求的鈦合金扭簧具有重要意義[2]。目前，關(guān)于鈦合金材質(zhì)扭簧的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等方面的資料較少，本文根據(jù)雙瓣止回閥的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，著重介紹了鈦合金扭簧的設(shè)計(jì)、加工過程，并進(jìn)行性能研究。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

扭簧是實(shí)現(xiàn)雙瓣式止回閥功能和性能的關(guān)鍵零件，在工作中起到存儲(chǔ)和釋放角位移的作用，基本參數(shù)如圖2所示[3]。常見規(guī)格表示方式為，彈簧材料直徑d×外徑D2×（nt+d）×有效圈數(shù)n。

圖2 扭轉(zhuǎn)彈簧基本參數(shù)

扭簧的截面形狀包含圓形、矩形和梯形等，工作中扭簧輸出力與扭轉(zhuǎn)角成正比，呈線性輸出，如圖3所示。

圖3 扭轉(zhuǎn)彈簧輸出力示意圖

從特性來看，確定材料的條件下扭簧輸出力和有效圈數(shù)、中徑成反比例關(guān)系。除基本參數(shù)外，輸出力同樣受到端部形狀、彈簧圈間隙和銷軸摩擦方式的影響。

1.2 工作原理

扭簧端部結(jié)構(gòu)形式主要有外臂扭轉(zhuǎn)彈簧、內(nèi)臂扭轉(zhuǎn)彈簧、中心臂扭轉(zhuǎn)彈簧、平列雙扭彈簧、直臂扭轉(zhuǎn)彈簧和單臂彎曲扭轉(zhuǎn)彈簧，雙瓣式止回閥扭簧選用外臂式[4]。

外臂扭轉(zhuǎn)彈簧的工作方式包含單臂扭轉(zhuǎn)和雙臂扭轉(zhuǎn)2種形式如圖4所示，工作時(shí)多以銷軸為支撐點(diǎn)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩。工程應(yīng)用中考慮到安裝空間和作用點(diǎn)位置等因素，3寸以上的雙瓣止回閥通常采用單臂扭轉(zhuǎn)式。該扭簧可依靠一端懸掛在擋銷上實(shí)現(xiàn)定位效果，輸出力更為可控，因此，本文以14寸300 Lb鈦合金雙瓣止回閥扭簧作為研制對(duì)象。

圖4 扭轉(zhuǎn)彈簧工作旋轉(zhuǎn)

2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算和校核

彈簧材料直徑d和有效圈數(shù)n作為重要基本參數(shù)需進(jìn)行初期設(shè)計(jì)，公式如下：

想要提升課堂教學(xué)效果，就要從不同環(huán)節(jié)上入手，及時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效監(jiān)控?？梢哉f教學(xué)質(zhì)量的高低直接關(guān)系到了社會(huì)與國(guó)家的發(fā)展，因此在教學(xué)中就要從政府、教師以及社會(huì)等方面出發(fā)，在綜合多重力量的同時(shí)來做好教學(xué)開展工作。首先，在教學(xué)監(jiān)控體系中要從教學(xué)計(jì)劃以及教學(xué)效果等方面入手，做好科學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施工作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的目標(biāo)。其次，是要從提升教學(xué)效果上入手，及時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)揮出監(jiān)控的作用。在今天的高職院校中就要從不同部門的聯(lián)合上出發(fā)，正確認(rèn)識(shí)到評(píng)價(jià)的作用，在有效整合的基礎(chǔ)上來充實(shí)教學(xué)評(píng)價(jià)體系，調(diào)動(dòng)起學(xué)校工作人員的工作積極性，提升評(píng)價(jià)的有效性[4]。

式中：Kb為曲度系數(shù)，扭簧為順時(shí)針旋向時(shí)取1；T為工作扭矩/N·mm；[σ]為許用彎曲應(yīng)力/MPa；E為材料彈性模量/N·mm-2；φ為安裝扭轉(zhuǎn)角/°。

在計(jì)算出彈簧材料直徑后，中徑D將由設(shè)計(jì)人員給定，其他計(jì)算和校核如下。

2.1 銷軸直徑計(jì)算

扭簧承受扭矩時(shí)，將圍繞銷軸的中心線纏繞變形，為避免內(nèi)徑減小所造成的抱緊現(xiàn)象，需計(jì)算內(nèi)徑變形量并以此作為銷軸外徑設(shè)計(jì)依據(jù)，如公式（3）。

式中：ΔD為扭矩作用下，扭簧直徑減小值/mm。

銷軸直徑一般取扭簧在最大工作扭矩狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)內(nèi)徑的90%，計(jì)算方式如下[5]：

式中：D″為計(jì)算銷軸直徑/mm。

實(shí)際銷軸直徑計(jì)算中，將對(duì)計(jì)算銷軸直徑取整，并作適當(dāng)尺寸優(yōu)化。

2.2 扭簧安裝空間計(jì)算（外徑方向）

外徑方向的空間尺寸將影響扭簧能否安裝，同時(shí)避免扭簧與閥瓣之間產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)摩擦，提升閥門實(shí)用性。計(jì)算方式如下：

要求D2≤d"，兩者之間的尺寸要保持足夠差值，便于放入扭簧。

2.3 扭簧安裝空間計(jì)算（自由長(zhǎng)度方向）

在此需要計(jì)算扭簧軸線上的自由長(zhǎng)度，預(yù)留足夠的安裝空間，保證雙閥瓣協(xié)同裝配后，所預(yù)留的空間滿足2個(gè)扭簧的安裝，避免閥瓣和扭簧之間產(chǎn)生非工作性質(zhì)的擠壓摩擦。

式中：δ為彈簧圈間隙/mm；l為兩側(cè)扭臂在軸線上的長(zhǎng)度/mm；L"為安裝空間（自由長(zhǎng)度方向）/mm。

要求2H0≤L"，避免在軸線方向彈簧與閥瓣之間產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)摩擦。

2.4 扭簧彎曲應(yīng)力校核

計(jì)算扭簧的許用彎曲應(yīng)力，保證扭簧在工作變形角范圍內(nèi)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力滿足要求，避免產(chǎn)生彎曲變形、折斷等失效。

考慮到鈦合金屈服強(qiáng)度較高、屈強(qiáng)比大與具有清脆特質(zhì)的特點(diǎn)，為了保證扭簧工作安全性，許用彎曲應(yīng)力的計(jì)算將參照特性相近的不銹鋼絲，取值見表1。

表1 扭轉(zhuǎn)彈簧的許用彎曲應(yīng)力取值/MPa

綜合考慮該配套閥門的工作環(huán)境及開關(guān)次數(shù)，選取許用彎曲應(yīng)力為(0.55-0.65)σb。應(yīng)力校核要求分別計(jì)算扭簧的最小彎曲應(yīng)力和最大彎曲應(yīng)力，驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性。

式中：k為彈簧剛度/N·mm/（°）；φ1為初始安裝角/°；T1為始安裝扭矩/N·mm；σmin為最小彎曲應(yīng)力/MPa；σmax為最大彎曲應(yīng)力/MPa。

材料彈性模量E，從《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》D篇性能（公制）中參考材料級(jí)別/UNS選取。扭簧彎曲應(yīng)力校核要求σmax≤[σ]，避免因受力過大導(dǎo)致的變形。

為了保證扭簧在初始安裝角和安裝扭轉(zhuǎn)角時(shí)工作狀態(tài)，要求扭簧輸出扭矩處于20%~80%壓縮量時(shí)的扭矩，即工作扭矩在試驗(yàn)扭矩的20%~80%。

式中：σs為試驗(yàn)變形角下的彎曲應(yīng)力/MPa。

2.5 扭簧疲勞壽命校核

雙瓣式止回閥工作中，扭簧作為主要受力零部件，將不斷經(jīng)歷受變載荷，需進(jìn)行疲勞壽命校核。其中下限應(yīng)力系數(shù)為σmin/σb，上限應(yīng)力系數(shù)為σmax/σb，特性參數(shù)依次為φ1/φs和φ/φs，循環(huán)特性參數(shù)計(jì)算方式：

式中：γ為循環(huán)特征系數(shù)；Ts為試驗(yàn)扭矩/N·mm；φs為試驗(yàn)扭矩下的扭轉(zhuǎn)變形角/°。

查詢扭簧的疲勞壽命圖，判斷應(yīng)力系數(shù)所查的點(diǎn)與循環(huán)特性參數(shù)和N=10x作用線之間交點(diǎn)的關(guān)系。

2.6 設(shè)計(jì)依據(jù)

扭簧選用ASTM B863 Grade 5（R56400）退火狀態(tài)鈦合金絲材制作，選取較常見的圓形截面，根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)定初始安裝角為8°，安裝扭轉(zhuǎn)角最大為90°。扭簧設(shè)計(jì)為非密卷彈簧，彈簧圈間隙為0.5 mm。綜合考慮扭簧安裝空間、工作特性、受力狀況，通過計(jì)算14寸300 Lb鈦合金雙瓣止回閥單臂扭轉(zhuǎn)式扭簧：基本參數(shù)為彈簧材料直徑d=6 mm，中徑D=33 mm，有效圈數(shù)n=10，其工作參數(shù)具體如下：旋繞比C=5.5，曲度系數(shù)Kb=1，中徑D=33 mm，自由長(zhǎng)度H0=72 mm，扭轉(zhuǎn)剛度k=116.74 N·mm/°，展開長(zhǎng)度L=100 mm。

3 加工與試驗(yàn)驗(yàn)證

扭簧采用冷軋鈦線絲卷制加工，加工完成后，對(duì)成品進(jìn)行抽樣檢查，主要檢驗(yàn)項(xiàng)目為表面質(zhì)量、外徑或內(nèi)徑、總?cè)?shù)、自由高度和彈簧特性等。確認(rèn)滿足設(shè)計(jì)要求后，將對(duì)成品抽樣檢驗(yàn)扭簧輸出扭矩，實(shí)際加工效果如圖5所示。

圖5 成品加工效果

在試驗(yàn)驗(yàn)證中，抽樣標(biāo)準(zhǔn)和接收質(zhì)量水平參考GB/T 2828.1-2003，判定標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 1239.3-2009，測(cè)量設(shè)備為扭力機(jī)。分別設(shè)置5°、55°和100°作為試驗(yàn)驗(yàn)證的扭轉(zhuǎn)角度，對(duì)每批次產(chǎn)品分別抽檢10個(gè)，記錄生產(chǎn)批號(hào)以及輸出力，平均數(shù)據(jù)見表2。

表2 成品抽樣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

如圖6所示，分別將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算的輸出力矩差值比較，得到在不同角度下差值處于13.2%~15.8%，實(shí)際的輸出力矩略小。這主要與鈦合金絲材料實(shí)際性能差異、扭簧成型精度和試驗(yàn)誤差等因素有關(guān)。

圖6 扭轉(zhuǎn)角-輸出力矩折線圖

通過實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)，扭簧安裝后與閥瓣配合良好，鈦合金雙瓣止回閥產(chǎn)品啟閉靈活、止回迅速，隨產(chǎn)品完成了功能試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)和高壓密封試驗(yàn)等，各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。14寸鈦合金止回閥產(chǎn)品實(shí)物如圖7所示。

圖7 14寸鈦合金止回閥產(chǎn)品實(shí)物

4 結(jié)束語

研制的鈦合金扭簧解決了PTA石化工況下止回閥產(chǎn)品耐蝕性問題，通過試驗(yàn)測(cè)試且現(xiàn)場(chǎng)服役效果良好，有效地提高了所配套鈦閥的安全可靠性。文中所述扭簧設(shè)計(jì)、加工和試驗(yàn)過程可為鈦合金扭簧的推廣應(yīng)用提供一定參考。

附錄：本文所涉及主要符號(hào)，均在本表中注明