韓 勖，方 恒 晨，孫 秋 花，彭 彥 平

(1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)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(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，為了降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，各行各業(yè)對(duì)各種閥門驅(qū)動(dòng)裝置的需求越來越多。現(xiàn)在市場(chǎng)上存在各種原理的閥門驅(qū)動(dòng)裝置，如電動(dòng)裝置、氣動(dòng)裝置、液動(dòng)裝置、氣液聯(lián)動(dòng)裝置、電液聯(lián)動(dòng)裝置等。在這些閥門驅(qū)動(dòng)裝置中，閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置因具有原理簡單、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[1]。

國內(nèi)目前對(duì)電驅(qū)動(dòng)裝置的研究較為廣泛，電動(dòng)閥門主要是指電機(jī)通過減速器與閘閥、球閥、蝶閥、旋轉(zhuǎn)閥等配合，以形成電動(dòng)閥門系列，并可實(shí)現(xiàn)各種閥的電動(dòng)控制。電動(dòng)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(yè)。而無泄漏電動(dòng)閥門，在輸送具有毒性、腐蝕性、高溫、高壓等特殊液體的場(chǎng)合，更是起到至關(guān)重要的作用。市場(chǎng)對(duì)無泄漏電動(dòng)閥門的需求呈上升趨勢(shì)，特別是在核電、化工、軍工等特殊液體輸送控制的場(chǎng)合更是有著廣泛的市場(chǎng)前景[2-4]。

目前對(duì)無泄漏閥門的研究并不多，市場(chǎng)上成熟的產(chǎn)品很少，已經(jīng)投入應(yīng)用的產(chǎn)品還存在一定的缺陷，如關(guān)閉閥門時(shí)閘板反彈，閘板楔緊力無法準(zhǔn)確控制等問題。

根據(jù)某企業(yè)要求，對(duì)公稱直徑為65 mm的電動(dòng)閘閥進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，提出了無泄漏、限驅(qū)動(dòng)扭矩的屏蔽式電動(dòng)閘閥的整體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)閥體、閥蓋等承壓件進(jìn)行強(qiáng)度等的計(jì)算校核。主要對(duì)電動(dòng)閘閥在開啟和關(guān)閉瞬間的絲杠螺母扭矩控制，以及閘板和閥桿兩個(gè)主要零件的受力情況進(jìn)行了分析研究。對(duì)閥桿和閘板承載能力進(jìn)行計(jì)算分析，并優(yōu)化了閘板楔角。

1 電動(dòng)閘閥總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的屏蔽式電動(dòng)閘閥是應(yīng)用于核電系統(tǒng)的重要裝置之一，是保證反應(yīng)堆回路系統(tǒng)及其相連接管道安全的關(guān)鍵設(shè)備。電動(dòng)閘閥的基本參數(shù)：公稱通徑65 mm，公稱壓力10 MPa，設(shè)計(jì)溫度120 ℃，工作壓力5 MPa。

設(shè)計(jì)的核電電動(dòng)閘閥由電驅(qū)動(dòng)裝置、滾珠絲杠回轉(zhuǎn)副、限力矩摩擦聯(lián)軸器、閥桿、楔形閘板、閥蓋、閥體、軸承等組成。而電驅(qū)動(dòng)裝置由屏蔽電機(jī)、行星輪系減速器組成，屏蔽電機(jī)的屏蔽套將電機(jī)軸與閥桿、閘板密封在一個(gè)密封腔內(nèi)，閥門開關(guān)過程中無動(dòng)密封環(huán)節(jié)，徹底實(shí)現(xiàn)了無泄漏開關(guān)閥門。圖1為設(shè)計(jì)的屏蔽式電動(dòng)閘閥結(jié)構(gòu)原理圖。屏蔽電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過行星輪系減速器減速后，帶動(dòng)限力矩摩擦離合器主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，通過摩擦離合器帶動(dòng)滾珠絲杠回轉(zhuǎn)副的螺母旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)閥桿(絲杠)和閘板軸向移動(dòng)，完成閥門的開關(guān)動(dòng)作。閥門是否開關(guān)到位由位置指示器顯示，位移傳感器為電機(jī)變頻控制提供閥門開或關(guān)過程中閘板位置信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)屏蔽電機(jī)的有效控制。

圖1 屏蔽式電動(dòng)閘閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure schematic diagram of shielded electric gate valve

2 屏蔽式電驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)企業(yè)設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)能力為40 N·m，開關(guān)閘閥時(shí)間在30 s之內(nèi)。閥門屏蔽式驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：定子屏蔽套將轉(zhuǎn)子與定子隔離，轉(zhuǎn)子、行星輪系減速器、輸出軸均工作在介質(zhì)中。轉(zhuǎn)子軸與減速器輸入軸共用一個(gè)軸，提高了轉(zhuǎn)子與減速器的同心度，傳動(dòng)更平穩(wěn)，有利于減震降噪[5-7]。電驅(qū)動(dòng)裝置與閘閥的閥蓋靜密封連接，結(jié)構(gòu)上沒有動(dòng)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(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of electrical drive device

3 限力矩摩擦離合器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的限力矩摩擦離合器結(jié)構(gòu)如圖3所示。主動(dòng)端由主動(dòng)軸、調(diào)節(jié)螺母、碟形彈簧、支撐板、摩擦片構(gòu)成。從動(dòng)端由雙排鏈條、摩擦盤(鏈輪1)、絲杠螺母(鏈輪2)構(gòu)成。通過調(diào)節(jié)螺母和碟形彈簧使摩擦元件壓緊產(chǎn)生摩擦力矩來傳遞扭矩，傳遞扭矩大小可通過調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)。

圖3 限力矩摩擦離合器結(jié)構(gòu)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(cè)面帶有反向的斜面凸棱，如圖4所示。離合器只限制關(guān)閥時(shí)螺母力矩的大小，即關(guān)閉閥門時(shí)，如扭矩超過限定值摩擦片與摩擦盤可以打滑。開閥時(shí)摩擦片與摩擦盤由于凸棱作用一起旋轉(zhuǎn)，不能打滑。這樣就保證了關(guān)閥門時(shí)力矩可控，不損壞閘板和閥桿，同時(shí)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(cè)面結(jié)構(gòu)Fig.4 Structures of friction plate and friction disc side

根據(jù)關(guān)閉閘閥時(shí)所需的最大絲杠螺母力矩來設(shè)定摩擦離合器的最大傳遞扭矩，保證使閥門有效關(guān)閉的同時(shí)，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(shè)計(jì)計(jì)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(qiáng)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(xiàn)象。

4.1 開關(guān)閥門時(shí)閘板受力

在閘閥采用單面強(qiáng)制密封時(shí)，且在有介質(zhì)狀態(tài)下，關(guān)閉閥門受力圖如圖5所示，開啟閥門受力圖如圖6所示。設(shè)Q′、Q″分別為關(guān)閉和開啟時(shí)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(guān)閉時(shí)受力圖Fig.5 Forced diagram of closing gate

根據(jù)圖5的受力分析，可得關(guān)閉閘閥時(shí)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(jù)圖6的受力分析，可得開啟閘閥時(shí)閘板處需要的向上的力Q″[10]。

圖6 開啟時(shí)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(dá)到必需比壓時(shí)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(shè)計(jì)給定)為密封面內(nèi)徑，bm=8 mm(設(shè)計(jì)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(zhì)作用力，兩個(gè)力的作用方向均垂直于密封面。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)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(guān)閉瞬間閘板與閥座間摩擦為動(dòng)摩擦，取密封面摩擦系數(shù)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(shù)f″M=f′M+0.1=0.3。對(duì)應(yīng)的摩擦角分別為ρ′、ρ″。

通常楔式閘板半楔角φ=5°，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)中，計(jì)算得Q′=9 988 N，Q″=11 789 N，此時(shí)閥門的開啟力大于關(guān)閉力。

4.2 閘板楔角改進(jìn)

閥門長期關(guān)閉，由于溫度變化會(huì)引起閘板與閥座間作用力增大，加之介質(zhì)在閘板與閥座間的物理化學(xué)作用，也會(huì)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(fā)生，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作。在式(1)、式(2)中，QMF、QMJ是系統(tǒng)設(shè)計(jì)所決定的不可變的參數(shù)，摩擦角ρ′、ρ″也是由材料所決定的參數(shù)，只有楔角φ是可改變的參數(shù)。φ的改變會(huì)對(duì)Q′、Q″有較大的影響。很顯然增大楔角φ會(huì)使開啟力減小。

為了使開啟和關(guān)閉閥門時(shí)電機(jī)負(fù)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(guān)閉力大于開啟力。

4.3 閘板關(guān)閉的自鎖性

在φ=8.5°時(shí)，當(dāng)閥門關(guān)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(yīng)該小于Q″，才能保證關(guān)閉的可靠性，因此需要計(jì)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(guān)閉后應(yīng)有

(5)

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)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(shù)值得Q=-6 681 N，Q為負(fù)值說明閥桿受力是向下的，也即閘板具有自鎖性，不會(huì)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(huì)由于液體壓力作用而開啟。

4.4 閘板強(qiáng)度校核

4.4.1 閘板厚度計(jì)算

彈性閘板單面強(qiáng)制密封時(shí)，閘板根部所受應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力，應(yīng)力按式(7)計(jì)算[10]。

(7)

式中：SB為閘板計(jì)算厚度，mm，P=6.5 MPa為設(shè)計(jì)壓力，R=36.5 mm為閘板平均半徑(設(shè)計(jì)給定)，d=32 mm為彈性閘板彈性連接軸，由插值法可知K1系數(shù)取1.592，K2系數(shù)取0.488[10]，[σW]為120 ℃材料的許用彎曲應(yīng)力，[σW]=125 MPa，C為考慮鑄造偏差，工藝性和介質(zhì)腐蝕等因素而附加的裕量，取C=3 mm，可求得SB=16 mm。而設(shè)計(jì)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(jì)算

如圖6所示，單面強(qiáng)制密封有介質(zhì)壓力時(shí)，閘板右側(cè)密封面壓力最大。σS=125為許用屈服應(yīng)力，密封面的許用比壓[q]按式(8)計(jì)算[11]。

[q]=K[σS]=0.95×125=118.75 MPa

(8)

密封面的實(shí)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(zhì)壓力情況下，滿足密封條件時(shí)的應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力發(fā)生在閘板中間的彈性連接部位。

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

5 閥桿設(shè)計(jì)計(jì)算及分析

閥桿是閘閥的主要零件之一，其軸向移動(dòng)帶動(dòng)閘板開關(guān)閥門，在閥門開關(guān)瞬間閥桿受較大的軸向力，閥桿的抗拉強(qiáng)度和受壓時(shí)的穩(wěn)定性直接影響閥門的可靠性和穩(wěn)定性。

5.1 閥桿驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

電驅(qū)動(dòng)裝置的輸出驅(qū)動(dòng)力矩為T=30 N·m，也即絲杠副螺母所受扭矩為30 N·m。假設(shè)開啟閥門是電裝電機(jī)滿負(fù)荷工作，這時(shí)負(fù)載包括：絲杠軸向移動(dòng)負(fù)載、滾珠副滾動(dòng)摩擦負(fù)載、止推軸承滾動(dòng)摩擦負(fù)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(jù)絲杠副的工作原理，當(dāng)絲杠勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺母作用到絲杠上的軸向力可以發(fā)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(qū)動(dòng)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(dòng)摩擦系數(shù)，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(dòng)摩擦系數(shù)；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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下N=37 747.6 N，F(xiàn)=37 681.7 N，M=23.5 N·m?？梢?，閥桿所受軸向力F大于閘閥開啟所需的力Q″(φ=8.5°時(shí)，Q″=10 720 N)，閥桿能夠帶動(dòng)閘板開啟閥門。同理，可計(jì)算關(guān)閉閥門時(shí)，閥桿所受軸向力F大于閘閥關(guān)閉所需的力Q′(φ=8.5°時(shí)，Q′=10 776 N)，閥桿也能夠帶動(dòng)閘板關(guān)閉閥門。

5.2 閥桿強(qiáng)度校核

閥桿結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。其危險(xiǎn)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(qiáng)度校核

同理，設(shè)B-B截面的拉應(yīng)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(jì)算得SBL=28.9 MPa。

所以SBL≤Sm，滿足要求。

5.2.2A-A截面抗扭強(qiáng)度校核

5.3 閥桿彎曲(失穩(wěn))分析

按照RCC-MB3556.3a[12]準(zhǔn)則要求，在設(shè)計(jì)條件下閥桿彎曲分析應(yīng)使閥桿實(shí)際軸向力Q′不超出臨界計(jì)算壓力。這里采用歐拉理論校核。

計(jì)算閥桿的柔度λ[10]：

λ=μLF/i

(13)

式中：μ=1為閥桿支承狀態(tài)有關(guān)的長度系數(shù)；LF=380 mm為閥桿的計(jì)算長度；i=dm/4為閥桿的慣性半徑，計(jì)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(wěn)定。

σY≤(a-bλ)/n

(14)

(15)

式中：σY為閥桿的壓應(yīng)力，MPa；a、b為與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，MPa[10]；n=2.5為穩(wěn)定安全系數(shù)。帶入數(shù)值有σY=40.33 MPa<74.11 MPa，顯然閥桿穩(wěn)定。

5.4 閥桿疲勞分析

根據(jù)RCC-MB3556.3a[12]準(zhǔn)則，必須進(jìn)行閥桿疲勞計(jì)算，在設(shè)計(jì)條件下A級(jí)準(zhǔn)則其疲勞使用系數(shù)lt不大于1，lt按下式計(jì)算。

lt=n/Na

(16)

式中：n為要求的循環(huán)次數(shù)，n=10 000次(設(shè)計(jì)要求)，Na為許用循環(huán)次數(shù)，可從圖標(biāo)ZI4.2[12]中查得

Na=5×105

lt=n/Na=0.02

所以lt<1，滿足要求。

6 結(jié) 論

對(duì)屏蔽式電動(dòng)閘閥進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，為了控制電動(dòng)閘閥在關(guān)閉瞬間作用于閘板的關(guān)閉力的大小，設(shè)計(jì)了限力矩摩擦離合器，實(shí)踐證明限力矩摩擦離合器可有效控制閘板關(guān)閉力，防止關(guān)閉力過大，損壞閘板或使閥門無法開啟。優(yōu)化了閘板楔角，使開關(guān)閥門閥桿受力更加均衡，屏蔽電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行電流更加平穩(wěn)。對(duì)閘板和閥桿兩個(gè)主要零件的受力情況進(jìn)行了計(jì)算和有限元仿真分析，證明了設(shè)計(jì)的屏蔽式電動(dòng)閘閥的閥桿、閘板滿足設(shè)計(jì)要求，通過具體條件下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了閥門總體設(shè)計(jì)的可行性。設(shè)計(jì)對(duì)提高電動(dòng)閘閥運(yùn)行的可靠性和閥門的綜合性能具有重要的意義。實(shí)驗(yàn)證明關(guān)閉閥門時(shí)無反彈現(xiàn)象，開啟閥門時(shí)無卡頓現(xiàn)象。