FQ647F-16C氣動(dòng)噴煤球閥DN32設(shè)計(jì)

2013-07-18 高昂 汕頭市閥門廠

1、閥門型號(hào)編排

  閥門型號(hào)通常應(yīng)表示出閥門類型、驅(qū)動(dòng)方式、連接形式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、密封面材料、閥體材料和公稱壓力等要素。閥門型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)閥門的設(shè)計(jì)、選用、銷售提供了方便。當(dāng)今閥門的類型和材料越來越多,閥門的型號(hào)編制也越來越復(fù)雜。我國雖有閥門型號(hào)編制的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),但愈來愈不能適應(yīng)閥門工業(yè)發(fā)展的需要。目前,閥門制造廠一般采用統(tǒng)一編號(hào)方法,凡不能采用統(tǒng)一編號(hào)的方法,各制造廠均按自己的需要制訂編號(hào)方法。FQ647F-16C氣動(dòng)噴煤球閥的型號(hào)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定及汕頭市閥門廠制訂方法如圖1所示。

閥門型號(hào)編排

圖1 閥門型號(hào)編排

2、對(duì)閥門的性能要求

  FQ647F-16C氣動(dòng)噴煤球閥DN32是參考國際先進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)制造的新型結(jié)構(gòu)噴煤專用球閥,是目前冶金系統(tǒng)高爐煤粉噴吹裝置上的專用配件。為適應(yīng)不同規(guī)格、不同鋼種,通過開啟噴煤球閥向高爐噴吹煤粉起到助燃的作用,提高高爐中的溫度,噴煤系統(tǒng)必須隨時(shí)快速開啟、關(guān)閉以達(dá)到溫度的要求,其快速開啟、關(guān)閉是通過電子計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)的。因此,氣動(dòng)噴煤球閥必須具備下面三個(gè)特性:

  (1)響應(yīng)速度快,要求在1~2s內(nèi)完成開啟、關(guān)閉動(dòng)作以適應(yīng)電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的要求;

  (2)為穩(wěn)定壓力管道中的壓力及管道中介質(zhì)的煤粉所附帶有害氣體泄漏現(xiàn)象,故氣動(dòng)噴煤球閥不能泄漏;

  (3)為保護(hù)密封面不被煤粉噴吹沖刷而磨損,不出現(xiàn)密封面拉傷及卡死(轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活)現(xiàn)象,所以使用時(shí)必須全開或全關(guān),禁止作節(jié)流使用。

3、球閥的設(shè)計(jì)

3.1、工作原理

  本球閥由球閥本體和氣動(dòng)裝置兩部分組成。開啟、關(guān)閉動(dòng)作是由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)——氣缸驅(qū)使球閥閥桿轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)球體正反向回轉(zhuǎn)90°來實(shí)現(xiàn)的。

  如需開啟閥門時(shí)(即是使球體通徑與法蘭通徑處在同一軸線上),壓縮空氣從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的A端進(jìn)氣,推動(dòng)活塞向后移動(dòng),活塞通過活塞桿帶動(dòng)曲柄使轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng),而轉(zhuǎn)桿與閥桿之間采用方套連接,即轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng),閥桿跟隨轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)也帶動(dòng)球體順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90°,使閥門處在直通狀態(tài),壓力管道中的介質(zhì)煤粉通過球閥向高爐噴吹煤粉。閥門開時(shí),如圖2所示。

閥門開

圖2 閥門開

閥門關(guān)

圖3 閥門關(guān)

  相反,要關(guān)閉閥門時(shí),從B端進(jìn)氣,活塞向前移動(dòng),驅(qū)使球體逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90°,閥門關(guān)閉,如圖3所示。

  而閥門是否處在全開或全關(guān)狀態(tài),需要調(diào)整氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的兩個(gè)定位調(diào)整螺釘,便可使球閥呈全開或全關(guān)狀態(tài)。

3.2、球閥結(jié)構(gòu)說明

  3.2.1、固定球結(jié)構(gòu)(軸支式)

  為了減少球閥的操作扭矩和增強(qiáng)密封的可靠程度,避免球體受壓后產(chǎn)生位移,并先磨損出口端的密封面,所以本球閥采用固定球的結(jié)構(gòu)形式,其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示,即用球體下軸把球體固定(閥桿、球體及下軸的中心線必須在同一軸線上)。固定球結(jié)構(gòu)形式的球閥都帶有浮動(dòng)閥座,在球體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)或受壓后,閥座產(chǎn)生移動(dòng),密封圈都緊壓在球體上,以保證密封。通常在與球體的上、下軸上裝有自潤滑軸承或銅套軸承,減小操作扭矩。

圖4 固定球結(jié)構(gòu)

  3.2.2、密封結(jié)構(gòu)

密封結(jié)構(gòu)

1.球體 2.密封圈 3.閥座 4.O型密封圈 5.碟形 彈簧 6.調(diào)節(jié)墊片 7.法蘭

圖5 密封結(jié)構(gòu)

  本球閥的密封結(jié)構(gòu)如圖5所示。密封圈2緊裝在閥座3上,閥座3在法蘭7中靠O型密封圈4密封,密封圈2借助于碟形彈簧5預(yù)先壓緊在球體1上,調(diào)整調(diào)節(jié)墊片6,便可調(diào)節(jié)密封面的予緊比壓。采用碟形彈簧的密封結(jié)構(gòu)形式,具有密封帶自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔。密封圈與球體間的密封除靠碟形彈簧預(yù)先壓緊保證密封外,尚靠密封圈內(nèi)徑DWN和閥座外徑DJH所形成的環(huán)面積上的介質(zhì)作用力壓緊球體以達(dá)到密封,密封的可靠性很大程度上取決于密封面的平均直徑DMP與閥座外徑DJH之比。如果DJH/DMP值不夠大時(shí),球閥將不能保證可靠密封;如果DJH/DMP值過大,將造成密封過載,而使閥門的開關(guān)扭矩增加,磨損加快。

  3.2.3、填料函處結(jié)構(gòu)(上密封結(jié)構(gòu))

  閥桿與閥蓋間的密封副稱為填料函處密封結(jié)構(gòu)(上密封結(jié)構(gòu)),結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。即在閥桿1、閥蓋2及閥體3間的填料下4、填料中5、填料上6、填料壓環(huán)7、碟形彈簧8形成密封。其密封依靠閥蓋壓緊兩個(gè)碟形彈簧向填料壓環(huán)施壓,迫使填料變形澎脹,以達(dá)到密封。而兩個(gè)碟形彈簧采用對(duì)合組合方式,這時(shí)兩個(gè)碟形彈簧的負(fù)荷不變(即與單個(gè)彈簧的負(fù)荷相同),變形量和自由高度比單個(gè)彈簧增加一倍,所以能更好的起到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔。在氣體、液體試驗(yàn)中持續(xù)時(shí)間內(nèi)無可見泄漏。

填料函處結(jié)構(gòu)

1.閥桿 2.閥蓋 3.閥體 4.填料下 5.填料中 6.填料上 7.填料壓環(huán) 8.碟形彈簧

圖6 填料函處結(jié)構(gòu)

3.3、主要技術(shù)參數(shù)

  3.3.1、球閥主要技術(shù)參數(shù)

  公稱通徑:DN32mm;公稱壓力:PN1.6MPa;實(shí)際使用壓力:0.2~1.2MPa;

  密封試驗(yàn)壓力:1.6MPa;強(qiáng)度試驗(yàn)壓力:2.4MPa;工作溫度:-20℃≤t≤150℃;

  工作介質(zhì):煤粉。

  3.3.2、氣動(dòng)裝置主要技術(shù)參數(shù)

  操作氣缸直徑:D氣=80mm;

  操作氣缸行程:S=56mm;

  正常操作氣壓:P氣=0.4~0..6MPa;

  密封試驗(yàn)壓力:0.8MPa。

3.4、設(shè)計(jì)計(jì)算

  3.4.1、通道截面直徑的選擇

  本閥門采用不縮徑形式,故通道截面直徑等于通徑,即DN=32mm。

  3.4.2、球體外圓半徑的確定

  根據(jù)結(jié)構(gòu)需要選取R=DN=32mm,即球體直徑為64mm。

  3.4.3、密封圈內(nèi)徑、外徑的確定

  因?yàn)榍蝮w通孔為32mm,再加上球體通徑處為防割傷密封圈,必須倒圓角R=2mm,即密封圈內(nèi)徑DMN≥36mm,根據(jù)結(jié)構(gòu)和密封要求需要,取密封圈內(nèi)徑DMN=38mm=3.8cm,密封環(huán)帶寬度為bm=5mm,即密封圈外徑DMW=48mm=4.8cm。

  3.4.4、密封圈預(yù)緊力(即是碟形彈簧的預(yù)緊力)的計(jì)算

  密封圈與球體接觸環(huán)帶面積:

  預(yù)緊比壓:對(duì)聚四氟乙烯的密封圈,取閥座密封的最小比壓qMymin=0.1p(p——介質(zhì)工作壓力,p=1.6MPa=16kgf/cm2),但不小于2.0MPa,即qMymin=2.0MPa=20kgf/cm2;

  密封圈預(yù)緊力(即是碟形彈簧的預(yù)緊力):

  P=FqMymin=6.75×20=135kgf。

  3.4.5、球閥進(jìn)口處密封圈對(duì)球體作用力的計(jì)算

  球閥進(jìn)口處密封圈對(duì)球體作用力的平衡式:

  式(1)中:

  QQ——密封圈對(duì)球體的壓力;QZJQ——介質(zhì)經(jīng)閥座壓在球體上的力;QMy——閥座密封圈的予緊力(碟形彈簧預(yù)緊力);QJJ——介質(zhì)工作壓力在密封間隙中的作用力。

  式(2)中:DJH——閥座的外徑。

  式(4)中:PJP——密封間隙中的平均壓力

  將式(2)~(4)代入式(1):

  3.4.6、閥座密封面上實(shí)際工作比壓q的計(jì)算閥座密封面上實(shí)際工作比壓:

  式(6)中:N——密封面上的法向壓力

  根據(jù)實(shí)物中密封圈與球體間密封面上的法向壓力角度約為48°30';

  即

  3.4.7、閥座外徑DJH的確定

  當(dāng)工作壓力p=1.6MPa=16kgf/cm2時(shí),若要保證密封面有良好的密封性能,須使其密封比壓滿足:

  上式中:

  bm——密封面寬度

  另一方面,為保證密封不由于過載而加快磨損,在工作壓力p=16kgf/cm2時(shí),密封面的實(shí)際工作比壓必須滿足:

  q≤[q]=15.3MPa=153kgf/cm2

  式中:[q]——密封圈的許用密封比壓,對(duì)于聚四氟乙烯的密封圈,[q]=15.3MPa=153kgf/cm2。

  歸納上面兩個(gè)條件得不等式:

  將式(8)代入(9)式,整理得:5.7cm

  綜合考慮密封性能要求及球閥結(jié)構(gòu)的合理性,取DJH=7cm。

  當(dāng)DJH=7cm,密封圈對(duì)球體的壓力QQ=4πDJH-100.4=515.04kgf,閥座密封面上的實(shí)際工作比壓q=1.86D2JH-14.86=76.28(kgf/cm2),滿足

  45.82kgf/cm2< q ≤ 153kgf/cm2的要求。

  3.4.8、球體在閥座中的摩擦力矩的計(jì)算

  球體在閥座中的摩擦力矩:

  式(10)中:

  MQZ1——閥座予緊力對(duì)球體產(chǎn)生的摩擦力矩;MQZ2——由于介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩。

  式(11)中:

  rMp——球體摩擦半徑的平均值,rMp=R/2(1+cosφ),R為球體半徑,即R=3.2cm。根據(jù)實(shí)物中密封圈與球體間密封面上的法向壓力角度約為48°30',即rMp=2.66。f——摩擦系數(shù),對(duì)聚四氟乙烯的密封圈f=0.05。

  將已知條件代入(11)得:

  將已知條件代入式(12)得:

  故球體在閥座中的摩擦力矩:

  3.4.9、閥桿的扭矩及直徑的確定

  由于本閥門的閥桿用填料密封,其扭矩主要來自閥座預(yù)緊力對(duì)球體產(chǎn)生的摩擦力矩及介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩,為考慮安全系數(shù),閥桿的扭矩取為:

  閥桿的方頭尺寸:

  式中:

  τN——閥桿材料許用剪切應(yīng)力,查設(shè)計(jì)手冊(cè)可知τN=1450kg,即閥桿的方頭取9mm×9mm。閥桿直徑

  即選取閥桿直徑DF=14mm。

  3.4.10、球閥中的軸承摩擦力矩

  軸承摩擦力矩:

  式(13)中:

  f——軸承摩擦系數(shù),取f=0.25;dQJ——球體軸頸直徑,按球體的設(shè)計(jì)dQJ=20mm=2cm;QZJ——作用在球體一個(gè)軸頸上的作用力。

  即

  將已知條件代入式(13)得:

  3.4.11、球閥總摩擦扭矩的計(jì)算

  由于O型密封圈的摩擦力很小,可忽略不計(jì),其球閥總摩擦扭矩由下式確定:

  3.4.12、氣動(dòng)裝置氣缸直徑的確定

  要使氣動(dòng)裝置能驅(qū)動(dòng)球閥開閉,必須滿足條件:

  而氣動(dòng)裝置所產(chǎn)生的扭矩:

  式(14)中:

  L——曲柄力臂長度,為考慮氣缸行程、直徑及成本的合理,故初選用球閥DN25曲柄,即L=3.96cm,Lcos45°=2.8cm為氣缸行程的一半,即行程為56mm;D氣——氣缸直徑;p氣——氣源最小氣壓0.4MPa(4kgf/cm2)。

  將已知條件代入式(14),整理得:

  即取

  D氣=8cm=80mm。

  3.4.13、碟形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

  受閥門結(jié)構(gòu)的限制,彈簧必須滿足以下條件:

  碟形彈簧外徑DDJK=38mm。

  初選彈簧參數(shù):外徑D=64mm,內(nèi)徑d=40mm,厚度δ=1.5mm。

  碟形彈簧的計(jì)算采用阿爾曼和拉茲羅近似方法。

  本球閥采用無支承面碟形彈簧,單個(gè)碟形彈簧時(shí)的計(jì)算:

  (1)依據(jù)單個(gè)碟形彈簧特性曲線,采用h0/δ=1.4的比值,求得極限行程 h0=1.4δ=1.4×1.5=2.1(mm)。

  (2)自由高度H=δ+h0=1.5+2.1=3.6(mm)。

  (3)直徑比

  與C值有關(guān)的輔助值α,查表得α=0.621×10-5 mm2•(kgf)-1。

  (4)錐角φ0的近似求法:

  求得

  φ0≈10°。

  (5)碟形彈簧的負(fù)荷:

  當(dāng)?shù)螐椈傻淖冃瘟縡=h0時(shí),

  當(dāng)f=0.75h0時(shí),即f=1.575

  當(dāng)f=0.45時(shí),

  根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算,碟形彈簧如圖7所示。

圖7 碟形彈簧

4、結(jié)論

  對(duì)此FQ647F-16C氣動(dòng)噴煤球閥DN32的設(shè)計(jì),經(jīng)試制檢驗(yàn),結(jié)果表明,其產(chǎn)品能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。并經(jīng)用戶在冶金系統(tǒng)高爐煤粉噴吹裝置上的使用情況反饋說明,其產(chǎn)品在使用過程中各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均已具有較高的水平,在某些方面已趕上或超過國際先進(jìn)樣機(jī)的水平,主要體現(xiàn)在以下幾方面:

  (1)響應(yīng)速度快,開閉時(shí)間tmax<2s,這是高爐噴煤系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù);

  (2)能自動(dòng)補(bǔ)償,當(dāng)球閥有一定程度的磨損時(shí),仍能保持其密封性能,延長球閥的使用壽命;

  (3)調(diào)整和定位準(zhǔn)確、方便,可保證球閥使用范圍;

  (4)可配置閥門開關(guān)信號(hào)裝置,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制,可滿足微機(jī)自動(dòng)操作的需要。

  本球閥的研制成功,解決了國內(nèi)各冶金系統(tǒng)高爐煤粉噴吹裝置配套設(shè)備的急需,也為其它冶金、化工、石油、紡織等行業(yè)的設(shè)備配套使用提供了方便。