FQ647F-16C氣動(dòng)噴煤球閥DN32設(shè)計(jì)

1、閥門(mén)型號(hào)編排

　　閥門(mén)型號(hào)通常應(yīng)表示出閥門(mén)類(lèi)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(chēng)壓力等要素。閥門(mén)型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)閥門(mén)的設(shè)計(jì)、選用、銷(xiāo)售提供了方便。當(dāng)今閥門(mén)的類(lèi)型和材料越來(lái)越多，閥門(mén)的型號(hào)編制也越來(lái)越復(fù)雜。我國(guó)雖有閥門(mén)型號(hào)編制的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但愈來(lái)愈不能適應(yīng)閥門(mén)工業(yè)發(fā)展的需要。目前，閥門(mén)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定及汕頭市閥門(mén)廠制訂方法如圖1所示。

圖1 閥門(mén)型號(hào)編排

2、對(duì)閥門(mén)的性能要求

　　FQ647F-16C氣動(dòng)噴煤球閥DN32是參考國(guó)際先進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)制造的新型結(jié)構(gòu)噴煤專(zhuān)用球閥，是目前冶金系統(tǒng)高爐煤粉噴吹裝置上的專(zhuān)用配件。為適應(yīng)不同規(guī)格、不同鋼種，通過(guò)開(kāi)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(kāi)啟、關(guān)閉以達(dá)到溫度的要求，其快速開(kāi)啟、關(guān)閉是通過(guò)電子計(jì)算機(jī)控制來(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　如需開(kāi)啟閥門(mén)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(guò)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?lè)较蛐�轉(zhuǎn)90°，使閥門(mén)處在直通狀態(tài)，壓力管道中的介質(zhì)煤粉通過(guò)球閥向高爐噴吹煤粉。閥門(mén)開(kāi)時(shí)，如圖2所示。

圖2 閥門(mén)開(kāi)

圖3 閥門(mén)關(guān)

　　相反，要關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，從B端進(jìn)氣，活塞向前移動(dòng)，驅(qū)使球體逆時(shí)針?lè)较蛐�轉(zhuǎn)90°，閥門(mén)關(guān)閉，如圖3所示。

　　而閥門(mén)是否處在全開(kāi)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(kāi)或全關(guān)狀態(tài)。

3.2、球閥結(jié)構(gòu)說(shuō)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(rùn)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)

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)淖饔谩Ｃ芊馊εc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(guò)大，將造成密封過(guò)載，而使閥門(mén)的開(kāi)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(chēng)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(wú)可見(jiàn)泄漏。

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(chēng)通徑：DN32mm;公稱(chēng)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(mén)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(guò)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(mén)的閥桿用填料密封，其扭矩主要來(lái)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(kāi)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(zhǎng)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(mén)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(wú)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)�形彈簧的變形量f=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(shuō)明，其產(chǎn)品在使用過(guò)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(guò)國(guó)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(kāi)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(zhǎng)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(mén)開(kāi)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(guó)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。