圆顶阀DN300及其控制系统设计

吕育壮

（汕头市阀门厂，广东汕头 515041）

0 引言

本文设计的圆顶阀采用气包密封圈充气后与球体表面紧密接触的形式，以保证密封，进一步提高了阀门的使用寿命。此阀门在冶金系统高炉煤粉喷吹、卸灰装置的管道上使用，使用时必须全开或全关，禁止作节流使用。

1 结构型式及工作原理

1.1 结构型式

（1）球体的支撑方式

采用固定球（轴支式）结构[1-2]，如图1所示。

（2）密封形式

采用压缩空气气封式密封圈结构，不易被介质冲刷，并且有效降低了阀门开闭的力矩，从而提高了阀门的密封性能和使用寿命。

（3）驱动形式

单气缸双作用气动装置，可保证阀门快速启闭和准确到位的要求，在气源压力满足0.4～0.6 MPa的前提下，利用电动控制及气动控制原理相结合，阀门可在2～3 s内启闭，实现开关灵活、迅速的功能。

图1 圆顶阀示意图

1.2 工作原理

密封装置在阀门转动时，都先放气收缩，开关过程中球体与气包密封圈之间保持有约3 mm的间隙，使得球体与密封圈可以以无接触的方式运动，目的是为了使得球体与密封圈之间不产生摩擦，减少磨损，运行阻力小，转动灵活、可靠，阀门的气动执行元件为全密直线气缸，回转输出，性能可靠，输出扭矩大，直接驱动球体转动，有效防止了灰尘进入其中造成磨损、泄漏等现象的发生。当阀门处于关闭状态时，气包密封圈充气膨胀，紧紧压在球体表面上，其结合面呈带状，从而形成一个牢固的压力密封环带，密封严密，阻止了管道内物料的流动。

2 设计计算

2.1 阀体壁厚的确定

式中：P为计算压力，设计给定为1.6 MPa；Dn为阀体内径，设计选定480 mm；[σL]为许用拉应力，查表[1]得80 MPa；C为腐蚀余量，设计给定为4 mm。

2.2 阀杆所受总扭矩计算

式中：Mt为填料与阀杆间的摩擦力矩；MC为轴承的摩擦力矩。

阀杆与填料间的摩擦力矩：

式中：df为阀杆与填料接触部分直径，设计给定70 mm；Z为填料圈数，设计给定6圈；h为单圈填料高度，设计给定10 mm。

将已知条件代入式（3）中，得Mt=88 665.696 N·mm。

阀杆轴承摩擦转矩：

式中：dZJ为轴颈直径，设计给定90 mm； μC为滑动轴承摩擦因数，查表[3]得0.16。将已知条件代入式（4）中，得MC=44 332.848 N·mm。

将已知条件代入式（2）中，得阀杆所受总扭矩Mr=132 998.544 N·mm。

图2 阀杆

2.3 阀杆强度校核

式中：Mr为阀杆所受总扭矩，见2.2节，Mr=132 998.544 N·mm；WI为Ⅰ-Ⅰ断面处的抗扭系数。

式中：dt为阀杆直径，如图2所示，设计给定70 mm；d0为销的平均直径，设计给定16 mm。将已知条件代入式（6）中，得WI=51 927.75 mm3。

将已知条件代入式(5)中，得τI-I=2.56 MPa。

根据阀杆材质，[τ]为材料许用扭应力，查表[4]得145 MPa，τI-I＜[τ]，故合格。

2.4 销联接的剪切强度校核

式中：T为转矩，阀杆所受总扭矩(T=Mr)，Mr=132 998.544 N·mm；d为销的平均直径，设计给定16 mm；τp为销的许用剪切应力，对于销的常用材料，查表可[5]得τp=80 MPa。

将已知条件代入式（7）中，得τ=9.454 5 MPa≤τp。满足设计要求。

2.5 气动装置的设计计算

要使气动装置能驱动球阀开闭，气缸输出转矩必须满足条件：

图3 气动装置

式中，D为活塞直径，如图3所示，设计给定135 mm；PS为气源压力，设计给定0.4 MPa；η为考虑摩擦阻力影响引入的系数[5]，取0.8。

将已知条件代入式（8）中，得FT=4 578.12 N。

活塞拉力：

活塞推力：

式（9）中，d2为活塞杆直径，设计给定40.5 mm。将已知条件代入式中，可得FL=5 207.612 N。

气缸输出转矩[6]：

式中，FT为活塞的推力，见式（8）；L为曲柄力臂长度，设计给定245 mm；β为气缸的摆角，设计给定45°。

将已知条件代入式（10）中，得M气=793118.83 N·mm。

结论：M气＞Mr，设计符合要求。

3 控制系统

本阀门由球阀本体、气动装置、电动控制及气动控制原理相结合，启闭动作是由气动装置驱使球体正反回转90°来实现的[7]。气控系统线路如图4所示。

圆顶阀关闭时，接近开关发出关闭信号后，延时一定时间，密封圈再充气。密封圈排气后，延时一定时间，圆顶阀再打开，起到保护密封圈的作用[8]。电控线路图如图5所示。

图4 气控线路图

图5 电控线路图

当圆顶阀处于开启状态需要关闭时，电磁阀得电，气源从气动头进气口进入，气缸杆推动半球体转动至阀门全关位置，阀杆上的拨叉压住机械阀，机械阀通气控制三通球阀转动，气源通过三通球阀向气包密封圈内输入压缩空气(压缩空气的驱动压力要比管道介质的实际压力大1.3倍)，使气包密封圈在充入的压缩空气作用下鼓胀并与球体严密贴紧，从而实现密封的目的，产生良好的密封效果，实现阀门的关闭。当阀门处于关闭状态需要开启时，电磁阀失电，三通球阀转动，气包密封圈内的压缩空气快速卸压，气包密封圈在自身具有的弹力作用下收缩并与半球体分离，使气包密封圈与半球体完全脱离接触，然后再由气动装置驱动半球体转动90°至阀门通径全开的开启位置。

4 结束语

圆顶阀常用于冶金系统高炉煤粉喷吹、卸灰装置的管道上，客户使用反馈表明该结构阀门密封效果以及使用寿命优于普通球阀，有效地解决了气力输送系统因物料热膨胀发生阀门卡滞现象、物料对密封圈的磨损及其阀门密封不可靠和使用寿命短等一系列问题。具有开闭灵活、不易卡涩、设计简单、维护量低、球体无冲刷等特点，有很好的市场前景。