一种升降式阀门装置的设计
2018-01-03朱中亮
朱中亮
（云南锡业股份有限公司冶炼分公司，云南个旧 661000）
一种升降式阀门装置的设计
朱中亮
（云南锡业股份有限公司冶炼分公司，云南个旧 661000）
一种结构简单，操作、维修方便，适用于冶金炉窑烟气流量控制的升降式阀门装置。装置的主要结构组成和工作原理，对涡轮提升机中蜗杆的自锁性、稳定性进行校核。
冶金炉窑；升降式阀门；涡轮提升机；腐蚀；螺旋传动
10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.36
0 前言
云南锡业股份有限公司冶炼分公司冶金炉窑出口烟气通过烟气经收尘系统和尾气塔预洗涤后，最终到达制酸系统被吸收转化，冶金炉窑出口以及引风机前后通过安装钟罩阀来控制烟气的流量。因为原料以及生产工艺等原因，沸腾炉及烟化炉出口烟气中含有大量SO2气体，除此之外，烟气中还含有水分以及F-和Cl-。现有的钟罩阀阀芯以及跟阀芯接触的阀座虽然都采用316L不锈钢材料制作，但在使用过程中并不能防止腐蚀。阀芯和阀座的接触面被腐蚀后，密封性大大降低，阀门关闭不严，会出现漏风和串气等问题。针对于此，专门设计一套升降式阀门装置替代现有的钟罩阀。
1 阀门装置的设计及结构构成
1.1 功能需求
为保证环保和工艺生产需求，要设计的阀门装置必须满足3个功能：①具备良好的密封性，能有效控制烟气的流量；②阀芯和阀座的接触面具有抗腐蚀的能力；③通过电气开关能准确控制阀门的关闭和开启的高度。
1.2 结构组成
升降式阀门装置主要由电机、涡轮提升机、阀杆、触头、限位器支架、阀体、阀芯等部分组成（图1）。
图1 升降式阀门结构
电机和涡轮提升机之间通过三角皮带连接，实现动力输出。涡轮提升机安装在阀体上盖以槽钢为主体的机架上。在涡轮提升机底部与阀体上盖之间装有橡胶密封块，如图2所示。阀杆主体部分为螺杆，穿过密封块的螺纹孔以及阀体上盖，与阀芯相连。密封块厚度略大于槽钢安装的高度，涡轮提升机地脚螺栓在调紧的过程中，可以减小阀杆螺纹与密封块孔螺纹之间的间隙，起到一定密封的作用。
触头通过螺栓固定在阀杆顶部，阀芯安装在阀杆底部，触头、阀杆、阀芯组成一个整体，在升降过程中，通过触头与限位器支架上的限位开关接触，实现阀门的开关。
阀芯顶面左右对称位置安装2块矩形板，矩形板端头开槽，在阀体内部的相应位置垂直固定两块角钢，角钢的一面焊接在阀体内表面，角钢另一面嵌入矩形板槽口内，如图2所示。该结构的设计有2个作用：①导向。使阀芯在阀体内能平稳地上下移动，阀芯下端面最终能准确与阀体内部的阀座接触。②固定。防止阀芯在升降过程中发生旋转。
阀芯底面装有一块环形密封垫，如图3所示。因为烟气温度在120℃左右，同时又有稀硫酸（SO2与H2O混合产生）的腐蚀，该密封垫选用氟橡胶制作。阀门关闭时，阀芯与阀座之间通过环形密封垫的挤压可以达到良好的密封效果。整套装置与烟气直接接触部分（主要指阀体内壁以及阀芯表面）均外衬防腐材料。
2 工作原理
阀体的底部法兰与进口烟气管道连接，侧面法兰与出口烟气管道连接。阀杆主体部分的螺杆与涡轮提升机中涡轮的内部螺纹孔组成滑动螺旋副，如图4所示，涡轮的回转运动转变为螺杆的直线运动，同时传递运动和动力，即阀芯连同阀杆的升降通过螺旋传动实现。
（1）阀门开启过程。电机得到上升的动作信号，通过三角皮带带动涡轮提升机运转，使阀杆连同阀芯向上移动，使阀芯与阀座产生距离，阀体的进口端和出口端连通，当阀杆顶部的触头与限位器支架上端限位开关接触，自动关闭动作信号，阀杆停止上升。
图2 阀芯顶面局部结构
图3 阀芯底面局部结构
图4 滑动螺旋副局部结构
（2）阀门关闭过程。电机得到下降动作信号，通过三角皮带带动涡轮提升机运转，使阀杆连同阀芯向下移动，当阀杆顶部的触头与限位器支架下端限位开关接触，阀芯底面的环形密封垫与阀座接触并产生一定挤压，将进口端和出口端的烟气截断。
3 螺旋传动自锁性及稳定性校核
虽然涡轮提升机中的蜗杆传动已经具备自锁功能，但从设备安全以及稳定性方面考虑，需再对螺杆（即阀杆的主体部分）的自锁性进行校核。同时，螺杆的长径比较大，也需对它的稳定性进行校核。
3.1 螺杆自锁性的计算
螺杆选用梯形螺纹Tr55×9，是单线螺纹，螺纹升角ψ的计算见式（1）。
式中 n——螺纹的螺旋线数目，取值1
P———螺距，取值 9
d2——螺纹中径，取值 50.5mm
π—圆周率，取值3.14
式（1）带入数据求得 ψ=3.25。
当量摩擦角的计算见式（2）。
式中 f——摩擦因数，螺杆的材料为304不锈钢，螺母的材料
为青铜，摩擦因数取值0.08
β——牙侧角。牙侧角β=α/2，其中α为牙形角，按照标
准，梯形螺纹的牙形角为30°，故β=15°
式（2）带入数据求得 φV=4.73°。
因ψ＜φV，螺旋副满足自锁条件。
3.2 螺杆稳定性的计算
对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失稳定性。螺杆的稳定性条件见式（3）。
式中 Ssc——螺杆稳定性的计算安全系数
Ss———螺杆稳定性安全系数，装置为传力螺旋，取值（3.5～5）
Fcr———螺杆的临界载荷，N
F——螺杆所受的轴向压力，主要来自于螺杆以及阀芯的重力，取值1250 N
临界载荷Fcr可按欧拉公式（公式4）计算。
式中 E——螺杆材料的抗压弹性模量
I——螺杆危险截面的惯性矩，取值201 186.91mm4
μ——螺杆的长度系数，根据结构取值0.6
l——螺杆的工作长度，当阀芯正好与阀座接触时，螺杆
工作长度最大，根据该装置设计的尺寸，取值1160mm
式（4）式带入数据求得Fcr=843 544.03 N。
式（3）带入数据求得Ssc=674.84。
通过对比可知，螺杆稳定性的计算安全系数大于螺杆稳定性安全系数，即Ssc＞S，满足稳定性要求。
4 结语
升降式阀门装置由电机驱动，通过法兰盘结构连接进出口烟管。此装置主要特点：①占用空间小，操作方便；②运功过程简单，稳定性较高；③密封性好，满足工艺要求的同时还能保证环保；④结构合理，易于拆装，方便维修。
该装置是专门针对有腐蚀性气体的冶金炉窑设计，但同样适用于其他类似环境，有广泛的用途。
［1］濮良贵，纪明刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2008.
［2］徐灏.密封［M］.北京：冶金工业出版社，2005.
［3］成大先.机械设计手册［S］.北京：化学工业出版社.2002.
TL353
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〔编辑 李 波〕
