XJFH-5×35型气动绞车阀门耐极低温性能优化设计

袁琦，郭志平，张艳锋，武文亮

(1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特010051；2.内蒙古工业大学 机械工程学院，内蒙古 呼和浩特010051）

0 引言

气动绞车作为吊装设备的驱动装置，由于自身能够在易燃、易爆等恶劣的工作环境下安全可靠地工作，在矿井、石油钻井平台、管道铺设、锚杆装卸等众多行业得到了较为广泛的使用。极低温气动绞车是指工作于-65℃极低温环境中的气动绞车。目前，国内外生产的气动绞车一般适用于温度不低于-20℃的工作环境，不能满足极寒地区，特别是俄罗斯市场的使用要求。随着北极、南极的勘探与开发活动的增加，也需要能适应这些地区极低温的气动设备。

阀门是气动绞车的关键部件，直接影响着气动绞车的工作性能与使用可靠性，阀芯是配气系统各阀体的核心部件，在极低温下，阀芯的工作性能和可靠性决定着整个系统的工作性能与可靠性。本文通过对XJFH-5×35型气动绞车（见图1）阀门的阀体与阀芯之间装配间隙的优化设计，使其具有在极低温环境下良好工作的能力，保证了气动绞车在极低温环境下的使用性能。

图1 XJFH-5×35型气动绞车

1 气动绞车配气系统

本文主要针对气动绞车配气系统关键部件手动阀、主阀、供气阀、换向阀、分配阀进行优化设计，如图2、图3、图4所示[1]。这些阀门的阀体与阀芯存在着相对转动的配合面，阀体上的阀孔与阀芯之间的气体密封性能直接影响气动马达的配气效率，影响气动马达的输出转速与扭矩，当阀体上的孔与阀芯之间形成完全密封的油膜后，气体泄漏量降到最低。

图2 手动阀结构图

图3 主阀结构图

图4 配气系统阀门

2 分析与措施

低温环境中材料内部组织会发生一定的变化，进而金属体积发生变化，金属实体的缩小可能导致有相互运动的两个实体卡死。阀体与阀芯在低温环境中，都会发生一定量的收缩，导致直径变小，当阀孔孔径的缩小值大于阀芯直径缩小值时，配合间隙变小。当配合间隙小于油膜厚度时，阀芯的运动必然破坏油膜，形成半干摩擦或干摩擦，从而影响阀芯的运动。当形成完全干摩擦时，阀孔与阀芯出现卡死现象。

引起阀芯与阀孔卡死的另一个重要原因是随着配合间隙变小，配气阀与分配阀对气体中的固体杂质的敏感度提高。原来并不卡死阀体与阀芯的固体杂质，在配合间隙小于杂质颗粒尺寸时，阀芯卡死的几率倍增。防止阀体与阀芯卡死的主要措施有以下几点。

（1）合理选择配合间隙

国内外研究成果表明，对在-25℃以上工作的阀体，不必考虑其配合间隙，而在此温度以下工作的阀体的配合间隙根据其使用工况，应按一定规律增大。

（2）尽量采用一级同心的阀体结构

多级同心的阀体结构，由于低温下各级配合之间存在间隙变化的不均匀性，容易引起阀体卡死，应尽量避免选用多级同心的液压阀。

（3）选用合理的阀体、阀芯材料组合

（4）控制气源杂质含量

气动马达在极低温环境下，阀体部件之间配合间隙变小，使其对气源中的杂质更为敏感。因此，控制气源中杂质的种类与数量十分必要。

本文采取改变阀体与阀芯的装配尺寸，来优化气动绞车阀门在低温下的工作性能，使现有产品经过简单的再加工，就能达到极低温环境下的使用要求。

3 装配间隙计算

为了保证气阀在极低温下的正常配合间隙，由式1、式2可计算其在极低温环境中的工作间隙与装配间隙，计算结果见表1。

原有的XJFH-5×35的尺寸偏差与配合是以温度-20℃为基础的，因结合件材料的线膨胀系数不同，配合间隙（或过盈）需进行修正计算，以选择比较正确的配合类别。

表1 极低温环境中气阀工作间隙与装配间隙

式中 xzmax，xzmin——最大与最小装配间隙，mm

tk，tz——孔和轴的工作温度，℃

xGmax，xGmin——最大与最小工作间隙，mm

t——装配时环境的温度，℃

d——配合的公称直径，mm

ak，az——孔和轴材料的线胀系数，℃-1

4 结论

通过对极低温下，阀体与阀芯装配间隙的计算，重新得出了它们的装配尺寸，并对现有气动绞车阀门的阀体与阀芯的尺寸进行了优化加工。经过试验验证，上述分析正确，完全满足各项设计要求，避免了阀门气密性降低或者严重情况下阀体卡死的情况发生。该方法效果良好，具有经济、简便优势。