超高壓平衡式空氣截止閥設(shè)計(jì)特點(diǎn)研究

姜 磊 趙金洲 王 倩 陸文權(quán) 艾青青

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 上海201913）

超高壓平衡式空氣截止閥設(shè)計(jì)特點(diǎn)研究

姜 磊 趙金洲 王 倩 陸文權(quán) 艾青青

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 上海201913）

傳統(tǒng)的高壓空氣截止閥存在關(guān)閉力矩大、密封可靠性差等缺點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)形式無(wú)法滿足超高壓空氣系統(tǒng)的要求；而平衡式閥件結(jié)構(gòu)新穎，具有良好操作性和可靠性，較傳統(tǒng)閥件有明顯的優(yōu)勢(shì)。文中介紹了超高壓平衡式空氣截止閥的結(jié)構(gòu)與原理，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)高壓空氣截止閥與超高壓平衡式空氣截止閥的啟閉受力分析和密封形式比較，來(lái)說(shuō)明平衡式截止閥的先進(jìn)性，并對(duì)其發(fā)展方向提出建議。

超高壓；平衡式；空氣截止閥；受力分析；密封形式

引 言

隨著船舶高壓空氣儲(chǔ)能需求的升高，高壓空氣截止閥的壓力等級(jí)也相應(yīng)提高。然而，傳統(tǒng)高壓空氣截止閥（壓力等級(jí)為25 MPa，以下簡(jiǎn)稱“傳統(tǒng)閥件”）在使用性能方面存在關(guān)閉力矩大、密封可靠性差等缺點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)形式無(wú)法滿足超高壓空氣系統(tǒng)的要求。目前，國(guó)內(nèi)外已成功研制出新型超高壓平衡式空氣截止閥（壓力等級(jí)為40 MPa，以下簡(jiǎn)稱平衡式閥件），并在某型船上成功應(yīng)用，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的高壓空氣截止閥。本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)閥件與平衡式閥件的比較，闡述了平衡式閥件的工作原理及其優(yōu)點(diǎn)。

1 平衡式閥件結(jié)構(gòu)與原理

1.1 結(jié)構(gòu)與組成

平衡式截止閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由閥體、閥蓋、閥桿、襯套組成。閥體、閥蓋可選用力學(xué)性能和耐腐蝕性能較好的鎳黃銅HNi56-3、雙相不銹鋼HDR等材料；閥桿可選用鋁青銅QAl10-3-1.5、馬氏體沉淀硬化型不銹鋼17-4PH等材料［1］。

圖1 平衡式截止閥結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

如圖1所示，平衡式閥件工作原理為：通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，帶動(dòng)上閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，上閥桿帶動(dòng)套筒上下移動(dòng)，套筒帶動(dòng)下閥桿上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閥件的開(kāi)啟和關(guān)閉。與傳統(tǒng)閥件不同的是，平衡式閥件增加了一個(gè)平衡腔，在閥件關(guān)閉過(guò)程中，介質(zhì)經(jīng)下閥桿上的引流孔進(jìn)入平衡腔，形成作用于小襯套上表面的壓力，抵消了介質(zhì)對(duì)下閥桿底部的作用力，大大減小了閥件開(kāi)啟或關(guān)閉所需的操作力矩，增強(qiáng)了閥件的可操作性，同時(shí)也減小了關(guān)閉狀態(tài)下作用在閥桿上的介質(zhì)附加阻力，增強(qiáng)密封的可靠性。

2 閥桿受力分析比較

2.1 平衡式閥件受力分析

2.1.1 下口受壓時(shí)閥桿受力分析

圖2為壓力P的介質(zhì)從下口進(jìn)入，在閥門剛關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)對(duì)閥桿產(chǎn)生的軸向附加阻力受力分析，計(jì)算公式為：

式中：F1為介質(zhì)作用在下閥桿下表面的力，N；F2為介質(zhì)作用在平衡腔小襯套上表面上的力，N；D1為密封面的外徑，mm；D3為小襯套的外徑，mm；D4為小襯套的內(nèi)徑，mm；P為介質(zhì)的壓強(qiáng)，MPa。

由圖2可知，截止閥剛關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)通過(guò)平衡腔作用在閥桿上向下的力為F2，向上的力為F1。關(guān)閉閥件需要克服來(lái)自介質(zhì)的作用力為F1-F2，決定其大小的因素為：密封面的外徑D1、小襯套的外徑D3、小襯套的內(nèi)徑D4。由式（3）可以看出，當(dāng)越小時(shí)，介質(zhì)對(duì)閥門關(guān)閉產(chǎn)生的阻力就越小。

2.1.2 側(cè)口受壓時(shí)閥桿受力分析

圖3為壓力P的介質(zhì)從側(cè)口進(jìn)入，在閥門剛開(kāi)啟時(shí)，介質(zhì)對(duì)閥桿產(chǎn)生的軸向附加阻力受力分析，計(jì)算公式如下：

式中：F1為下閥桿下表面所受的力，N；F2為下閥桿上表面所受的力，N；D1為密封面的外徑，mm；D2為下閥桿的外徑，mm；P為介質(zhì)的壓強(qiáng)，MPa。

圖3 側(cè)口受壓時(shí)閥桿受力分析

由圖3可知，介質(zhì)作用在閥桿上向下的力為F2，向上的力為F1。開(kāi)啟閥件需要克服來(lái)自介質(zhì)的作用力為F1-F2（正值：方向向上，負(fù)值：方向向下），而決定其大小的因素為：密封面的外徑D1與下閥桿的外徑D2。由式（4）可以看出，D22-D12越小，介質(zhì)對(duì)閥門開(kāi)啟產(chǎn)生的阻力就越??；當(dāng)D1等于D2、閥門開(kāi)啟時(shí)，來(lái)自介質(zhì)的附加阻力就可以完全消除。

2.2 傳統(tǒng)閥件受力分析

圖4為CB589-95的傳統(tǒng)型高壓空氣截止閥［2］，設(shè)計(jì)壓力為25 MPa。從受力分析可以看出，關(guān)閉閥件需要克服由介質(zhì)產(chǎn)生的軸向力。通過(guò)與平衡式閥件的比較可以看出，由于沒(méi)有平衡式結(jié)構(gòu)，介質(zhì)產(chǎn)生的附加力完全作用于閥桿上。

圖4 傳統(tǒng)閥件受力分析

3 密封形式

3.1 平衡式閥件與傳統(tǒng)閥件密封比壓比較

表1 不同材料密封比壓計(jì)算公式

式中：q為計(jì)算的實(shí)際比壓 ，MPa；qMF為密封面必須比壓 ，MPa；bm為密封面寬度，mm；PN為介質(zhì)工作壓力 ，MPa。

由表1所列的計(jì)算公式可以看出：對(duì)于同種材料，介質(zhì)壓強(qiáng)越大，密封面寬度越窄，所需的必須密封比壓越大；對(duì)于不同材料，材料硬度越小，所需的密封比壓越小。

平衡式閥件密封面材料為聚酰亞胺，由于與聚四氟乙烯一樣同為高分子材料且性能相近，其密封比壓公式可參照表1中序號(hào)3；傳統(tǒng)閥件密封面材料為鋁青銅QAl10-3-1.5，其密封比壓公式按照表1中序號(hào)1。同樣由表1可以看出，相同介質(zhì)工作壓力下，同樣寬度的密封面，聚酰亞胺的必須比壓為，明顯小于鋁青銅密封的必須比壓

3.2 傳統(tǒng)閥件與平衡式閥件密封形式比較

3.2.1 傳統(tǒng)閥件

由圖4可以看出，傳統(tǒng)閥件的密封采用旋壓式硬密封，對(duì)于高壓空氣介質(zhì)來(lái)說(shuō)，旋壓式硬密封有以下缺點(diǎn)：

（1）對(duì)密封材料要求高：由于介質(zhì)壓強(qiáng)大，需要的密封比壓就大，硬度低的材料無(wú)法滿足密封比壓要求，但是硬度高的金屬所需要的擰緊力就大。

（2）可靠性差：硬密封是通過(guò)閥頭與閥體壓緊形成密封，由于密封壓緊力大，因此硬度低的一方很容易磨損。

（3）對(duì)介質(zhì)清潔度要求高：介質(zhì)中如果含有固體顆粒等雜質(zhì)，會(huì)在高速氣流的帶動(dòng)下對(duì)密封面產(chǎn)生撞擊，造成密封面的損傷；如果雜質(zhì)粘附在密封面上，很容易造成閥件滲漏或密封失效。

3.2.2 平衡式閥件

由圖1可見(jiàn)，平衡式閥件采用線性平面軟密封結(jié)構(gòu)，下閥桿的密封面由聚酰亞胺直接澆注然后精加工而成，相對(duì)于傳統(tǒng)的旋壓式硬密封有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）密封面材料性能好。聚酰亞胺具有強(qiáng)度高，耐磨性能好、耐壓性能好等優(yōu)點(diǎn)，且在高溫和真空下穩(wěn)定、揮發(fā)物少，不溶于有機(jī)溶劑和不受酸的侵蝕等優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)物理性能均衡，綜合性能突出。

（2）可靠性高。具有較好的耐磨性能，且所需密封比壓較硬密封小，這就極大地降低了密封面的磨損，保證了密封的可靠性。

（3）對(duì)介質(zhì)清潔度要求較低。由于聚酰亞胺具有很好的彈性形變能力，這就使得其對(duì)介質(zhì)中的固體顆粒等雜質(zhì)不太敏感，即使粘附在密封面的固體顆粒太大，也僅會(huì)出現(xiàn)輕微滲漏，降低使用效率，不會(huì)因此引起密封失效。

3.3 平衡式閥件閥桿密封設(shè)計(jì)

平衡式閥件的閥桿密封采用O形圈密封，O形圈及其安裝溝槽的設(shè)計(jì)為常規(guī)設(shè)計(jì)，其具體尺寸可以從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中直接查出。以GB3452的O形圈［4］為例，首先根據(jù)GB3452.1，由閥桿直徑和襯套直徑選取O形密封圈內(nèi)徑和橫截面直徑，然后根據(jù)確定的O形圈的內(nèi)徑和橫截面直徑從GB3452.3中查出O形圈相應(yīng)溝槽［5］的設(shè)計(jì)尺寸。

4 實(shí)例分析

由第2節(jié)的閥桿受力分析可以看出，平衡式閥件能否消除介質(zhì)產(chǎn)生的附加軸向力，其關(guān)鍵在于密封面的外徑、小襯套的外徑、內(nèi)徑以及閥桿直徑的合理匹配，設(shè)計(jì)過(guò)程中如果沒(méi)有根據(jù)閥桿受力情況對(duì)這些尺寸進(jìn)行匹配計(jì)算，只對(duì)閥桿強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核，可能還是會(huì)造成操作力矩過(guò)大，從而影響閥件正常使用。下面舉兩個(gè)設(shè)計(jì)中因忽略上述尺寸匹配而造成設(shè)計(jì)失誤的實(shí)例：

4.1 設(shè)計(jì)實(shí)例1

密封面外徑D1=38 mm，小襯套外徑D3=42 mm，小襯套內(nèi)徑D4=25 mm，螺桿為Tr22×5（查實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：當(dāng)溫度為120℃，鉻不銹鋼-青銅的干摩擦系數(shù)為0.30時(shí)， Tr22×5螺紋的關(guān)閉摩擦半徑RFM=0.381 cm［3］），介質(zhì)壓力P=40 MPa。

由公式（3）可知，壓力為P的介質(zhì)從下口進(jìn)入。在閥門剛關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)對(duì)閥桿產(chǎn)生的軸向附加阻力為：F1-F2=×［0.0382-(0.0422-0.0252)］×40×106= 9 581.86 N；轉(zhuǎn)化為閥桿螺紋摩擦力矩［3］為：MFL= QFZ×RFM= 9 581.86×0.003 81= 36.5。

而經(jīng)過(guò)計(jì)算修正以后的尺寸為：密封面外徑D1=38 mm，小襯套外徑D3=42 mm，小襯套內(nèi)徑D4=17.9 mm；此時(shí)閥件關(guān)閉時(shí)介質(zhì)產(chǎn)生的附加力矩為F1-F2=×［0.0382-(0.0422-0.017 92)］×40×106=12.88 N；轉(zhuǎn)化為閥桿螺紋摩擦力矩為：基本上可以忽略不計(jì)。目前該閥件已經(jīng)通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)，并裝船使用，閥門的關(guān)閉力矩約為25

4.2 設(shè)計(jì)實(shí)例2

密封面外徑D1=38 mm，閥桿直徑D2=20 mm， 螺桿為Tr 22×5（當(dāng)溫度為120℃，鉻不銹鋼-青銅的干摩擦系數(shù)為0.30時(shí)，Tr 22×5螺紋的開(kāi)啟摩擦半徑RFM=0.208 cm［3］），介質(zhì)壓力P=40 MPa。

由式（4）可知，壓力為P的介質(zhì)從側(cè)口進(jìn)入，在閥門剛開(kāi)啟時(shí)，介質(zhì)對(duì)閥桿產(chǎn)生的軸向附加阻力為方向向下，轉(zhuǎn)化為閥桿螺紋摩擦力矩為：

經(jīng)過(guò)計(jì)算修正以后的尺寸為：密封面外徑D1=38 mm，閥桿直徑D2=38 mm。此時(shí)，閥件開(kāi)啟時(shí)介質(zhì)產(chǎn)生的阻力為：介質(zhì)附加力矩可以完全消除。目前該閥件已經(jīng)通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)，并裝船使用，閥門的開(kāi)啟力矩約為25

以通徑DN32的高壓閥件在選用標(biāo)準(zhǔn)手輪情況下，一般要求操作力矩不超過(guò)35。由上面兩個(gè)設(shè)計(jì)失誤的例子可以看出，由于設(shè)計(jì)尺寸不匹配而產(chǎn)生的介質(zhì)附加操作力矩已經(jīng)超出人力可操作范圍，若采用機(jī)械方式開(kāi)啟，很有可能損壞傳動(dòng)部件或密封面。此時(shí)，在不改變其他尺寸參數(shù)的情況下，只需對(duì)小襯套內(nèi)外徑和閥桿的直徑進(jìn)行匹配修正，就可以達(dá)到消除介質(zhì)附加力矩的目的。由此可見(jiàn)，密封面的外徑、小襯套的外徑、內(nèi)徑以及閥桿直徑的合理匹配舉足輕重，其匹配校核在超高壓平衡式空氣截止閥設(shè)計(jì)中必不可少。

5 發(fā)展方向

平衡式閥件較之于傳統(tǒng)閥件，性能已大幅提高且優(yōu)點(diǎn)突出，然而有些方面尚待完善，比如密封材料選用聚酰亞胺，常溫下雖然密封效果很好，但是由于屬于工程塑料，因此防火性能不夠理想。

高壓空氣系統(tǒng)是船舶上最重要的系統(tǒng)之一，特別對(duì)于某些船舶，高壓空氣系統(tǒng)可以稱為生命系統(tǒng)，關(guān)鍵時(shí)刻一旦癱瘓，可能會(huì)引起重大事故，影響整個(gè)船舶的安全。因此，平衡式閥件應(yīng)考慮增強(qiáng)密封材料的耐火性能，萬(wàn)一火災(zāi)發(fā)生后，保證閥件的密封效率不低于一定的值，以確保滿足高壓空氣系統(tǒng)的最低運(yùn)行要求，避免發(fā)生因閥件密封失效引起的高壓空氣系統(tǒng)的癱瘓。

此外，平衡式閥件下閥桿的密封面由聚酰亞胺直接澆注而成，無(wú)法單獨(dú)更換。一旦密封面磨損嚴(yán)重，需更換整個(gè)下閥桿，成本較高。因此，可以考慮聚酰亞胺密封面獨(dú)立安裝。當(dāng)密封面磨損嚴(yán)重時(shí)，只需更換聚酰亞胺密封面，維修方便且節(jié)約成本。

6 結(jié) 論

平衡式閥件結(jié)構(gòu)新穎，具有良好的操作性和可靠性，較傳統(tǒng)閥件有明顯優(yōu)勢(shì)，在實(shí)船應(yīng)用中反響良好。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，增加關(guān)鍵尺寸的匹配校核，便可有效地消除介質(zhì)附加阻力。該設(shè)計(jì)思路可以推廣應(yīng)用到其他高壓閥件上，為高壓閥件的結(jié)構(gòu)形式提供了一種新的理念和參考，有助于推動(dòng)高壓閥件整體技術(shù)的進(jìn)步。

［1］ 曾正明.機(jī)械工程材料手冊(cè) 金屬材料［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 中國(guó)船舶總公司第七○四研究所. CB589-95.帶有安裝板高壓空氣直角截止閥規(guī)范［S］. 1995.

［3］ 陸培文.閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］ 化學(xué)工業(yè)部西北橡膠工業(yè)制品研究所. GB3452.1-92.液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈 尺寸系列及公差［S］. 1992.

［5］ 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院液壓研究所.GB/T3452.3-2005.液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸 ［S］. 2005.

［6］ 李銀濤.全壓式LPGC液貨艙安全閥選型［J］.船舶，2010（6）：23-28.

［7］ 鄭志敏，施健，張嘉慧.閥門遙控系統(tǒng)的探討［J］.船舶，2011（5）：50-54.

Research of design characteristic of the balance stop valve with hyperpressure air

JIANG Lei ZHAO Jin-zhou WANG Qian LU Wen-quan AI Qing-qing
(Jiangnan Shipyard (group). Co., Ltd. Shanghai 201913, China)

Structure of traditional air stop valve cannot meet the requirements of hyperpressure air system due to its drawbacks of great close moment, poor sealing reliability, etc. However, a balance valve has obvious advantages of original structure, great maneuverability and high reliability. This paper introduces the structure and principle of the balance stop valve with hyperpressure air, and illustrates its advantages by comparison of open and close force analysis and sealing style between the traditional air stop valve and the balance stop valve with hyperpressure air. It also gives advices for the development of the balance stop valve with hyperpressure air.

hyperpressure ; balance; air stop valve; force analysis; sealing style

U664.84+2

A

1001-9855（2014）03-0061-05

2013-12-02 ；

2013-12-25

姜 磊（1983-），男，工程師，主要從事船舶系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。

趙金洲（1978-），男，高級(jí)工程師，主要從事船舶系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)及審核工作。

王 倩（1973-），女，工程師，主要從事船舶系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。

陸文權(quán)（1984-），男，工程師，主要從事船舶系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。

艾青青（1983-），男，工程師，主要從事船舶系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。