淺析電動(dòng)閘閥閘板反彈

李志杰

（沈陽盛世高中壓閥門有限公司，遼寧 沈陽 110025）

電動(dòng)閘閥彈性閘板反彈現(xiàn)象出現(xiàn)于試驗(yàn)與使用環(huán)節(jié)，當(dāng)彈性閘板依靠電傳動(dòng)裝置提供的動(dòng)力源、滾珠絲杠的直線驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行電動(dòng)閘閥閉合動(dòng)作時(shí)，原本下降的彈性閘板出現(xiàn)異?；貜棳F(xiàn)象。經(jīng)過與電傳動(dòng)裝置專家、電動(dòng)閘閥專業(yè)維修人員的交流發(fā)現(xiàn)，DN50口徑電傳動(dòng)裝置僅依靠減速器齒輪進(jìn)行機(jī)械限位，彈性閘板環(huán)形堆焊槽過深，可能會(huì)發(fā)生彈性閘板反彈。同時(shí)，對(duì)彈性閘板啟閉過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，查詢流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等相關(guān)書籍對(duì)彈性閘板反彈進(jìn)行深層次原因探析。本文設(shè)計(jì)參數(shù)如下：?jiǎn)㈤]時(shí)，閘閥中流動(dòng)介質(zhì)壓力17.16MPa，溫度260℃，閥體密封面內(nèi)徑48mm、密封面寬度5mm，電傳動(dòng)裝置過載輸出扭矩120N·m。

1 電動(dòng)閘閥工作原理及重要件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

電動(dòng)閘閥是由電傳動(dòng)裝置作為動(dòng)力源，滾珠絲杠副作運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，從而使閘板密封面與閥體密封面分離與貼合，完成電動(dòng)閘閥啟閉動(dòng)作。涉及本文的主要為電傳動(dòng)裝置、滾珠絲杠副、閘板、閥體。電動(dòng)閘閥示意圖見圖1。

電傳動(dòng)裝置與步進(jìn)電機(jī)工作原理類似，由減速器、定子、轉(zhuǎn)子等組成。滾珠絲杠副是將電傳動(dòng)裝置中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)，由滾珠、絲杠等組成。閘板、閥體主要由基體+硬質(zhì)合金層組成，基體承受來自外界力的作用，硬質(zhì)合金層提供表面耐磨、耐蝕性等。

2 彈性閘板反彈原因分析

2.1 電傳動(dòng)裝置影響因子

電傳動(dòng)裝置作為電動(dòng)閘閥的動(dòng)力源，是造成彈性閘板反彈的根本原因。根據(jù)楊源泉版《閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》表4-88計(jì)算得出，楔式彈性閘板開啟力矩60N·m，關(guān)閉力矩55N·m，電傳動(dòng)裝置過載輸出扭矩滿足計(jì)算要求。在排除設(shè)計(jì)選用因素前提下，還有以下幾種影響因子：

（1）電傳動(dòng)裝置由減速器齒輪帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，考慮齒輪配比受齒形磨損影響較大，可能造成輸出扭矩降低，無法一次使電動(dòng)閘閥關(guān)閉，從而造成反彈。

圖1 電動(dòng)閘閥組成示意圖

（2）電傳動(dòng)裝置未設(shè)置自鎖功能，導(dǎo)致彈性閘板反彈時(shí)不能鎖死，甚至出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（3）根據(jù)牛頓第一定律，電傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，斷電時(shí)，減速器齒輪運(yùn)行慣量越大，導(dǎo)致彈性閘板反彈概率越大。

2.2 滾珠絲杠副影響因子

滾珠絲杠副是將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為帶動(dòng)彈性閘板的升降運(yùn)動(dòng)。為了保證升降運(yùn)動(dòng)的流暢性、穩(wěn)定性，選擇傳動(dòng)效率高的滾珠、絲杠組合。雖然滿足了電動(dòng)閘閥啟閉時(shí)的傳動(dòng)要求，但同時(shí)，也增加了彈性閘板反彈時(shí)的流暢性（彈性閘板可近似看作電動(dòng)閘閥瞬時(shí)開啟過程）。

2.3 彈性閘板、閥體密封面貼合的影響因子

電動(dòng)閘閥工作原理為彈性閘板、閥體密封面貼合，從而形成密封比壓，阻斷介質(zhì)流通。因此，彈性閘板反彈機(jī)理主要在于彈性閘板密封面與閥體密封面處的力學(xué)分析。

本文以關(guān)閉后電動(dòng)閘閥形成雙面強(qiáng)制密封效果，然后，在施加進(jìn)口單向介質(zhì)力、進(jìn)出口雙向介質(zhì)力時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單力學(xué)分析，然后，進(jìn)行瞬時(shí)耦合場(chǎng)簡(jiǎn)析，從而找出彈性閘板反彈機(jī)理。

（1）電動(dòng)閘閥在正常介質(zhì)流通時(shí)進(jìn)行關(guān)閉，關(guān)閉后，電動(dòng)閘閥中腔存留一定量介質(zhì)（電動(dòng)閘閥關(guān)閉過程中，進(jìn)出口側(cè)類似節(jié)流閥原理，出口側(cè)流速高于進(jìn)口側(cè)，因此，當(dāng)電動(dòng)閘閥關(guān)閉到位時(shí)，不可能存在中腔滿介質(zhì)情況）。假設(shè)此時(shí)閥門進(jìn)口端通介質(zhì)壓力，力學(xué)分析圖見圖2。根據(jù)力學(xué)分析圖得出以下公式：

式中，F(xiàn)MC為摩擦力，fMC摩擦系數(shù)，F(xiàn)N正壓力，F(xiàn)MJ介質(zhì)力，F(xiàn)MF密封力，θ楔角，F(xiàn)FT反彈力。

由（1）、（2）、（3）得出結(jié)論：

由公式（4）得出，當(dāng)楔角θ在0～10°范圍內(nèi)，反彈力FFT永遠(yuǎn)小于摩擦力，即在閘板閘死（彈性閘板密封面與閥體密封面完全貼合狀態(tài)）情況下，無其他外力作用，只在介質(zhì)力作用下時(shí)，閘板不會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

（2）更換一中假設(shè)條件：假設(shè)此時(shí)閥門進(jìn)出口端均通介質(zhì)，力學(xué)分析圖見圖2。因公式與一類似，因此，不再敘述，根據(jù)力學(xué)分析圖得出結(jié)論：

由公式（5）得出，當(dāng)楔角θ在0～7°范圍內(nèi)，反彈力FFT永遠(yuǎn)小于摩擦力，即在閘板閘死（彈性閘板密封面與閥體密封面完全貼合狀態(tài)）情況下，無其他外力作用，只在介質(zhì)力作用下時(shí)，閘板不會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

圖2 單/雙向介質(zhì)力學(xué)分析圖

（3）根據(jù)一、二結(jié)論發(fā)現(xiàn)無外力作用，閘板不可能反彈，因此，需進(jìn)一步考慮耦合效應(yīng)。彈性閘板在閉合瞬間受溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、微觀粒子場(chǎng)等相互作用，由沖量定理公式（6）得出，閉合瞬間通道內(nèi)介質(zhì)流速與中腔介質(zhì)流速急劇變化，產(chǎn)生新的外合力使得彈性閘板反彈。流速變化越劇烈，反彈效果越明顯。

彈性閘板在完全閉合后，如果在進(jìn)口側(cè)持續(xù)升壓，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化理論，通道內(nèi)與中腔內(nèi)產(chǎn)生壓力差值并在中腔方向產(chǎn)生分量，因此，通道內(nèi)與中腔內(nèi)壓差足夠大時(shí)，即便閉合狀態(tài)的閘板也會(huì)發(fā)生反彈。能量參考轉(zhuǎn)換見公式（7），本文不再細(xì)述。

彈性閘板受溫度場(chǎng)影響對(duì)閘板反彈可大可小，主要影響效果分為兩種：一種是冷態(tài)關(guān)閉彈性閘板，熱態(tài)開啟時(shí)，會(huì)造成開啟力過大甚至無法打開；另一種是熱態(tài)關(guān)閉彈性閘板，關(guān)閉力會(huì)增加甚至出現(xiàn)無法關(guān)閉現(xiàn)象。兩種情況產(chǎn)生的原因與金屬內(nèi)部微觀粒子場(chǎng)變形趨勢(shì)有關(guān)。

綜上，耦合場(chǎng)影響是復(fù)雜多樣的，對(duì)反彈影響最大的是：在介質(zhì)高溫、高流速、持續(xù)加壓狀態(tài)下，對(duì)彈性閘板進(jìn)行關(guān)閉。以上一、二、三針對(duì)濕摩擦進(jìn)行分析，干摩擦分析時(shí)，需要考慮摩擦因數(shù)的變化。

3 彈性閘板反彈消除設(shè)想

根據(jù)彈性閘板反彈原因分析，提出以下幾點(diǎn)消除設(shè)想：

（1）增加電裝電流自鎖功能，增加電裝減速器齒輪硬度及耐磨性，更換具備自鎖功能的渦輪，蝸桿減速機(jī)構(gòu)等、建議額定輸出扭矩不得小于過載扭矩的70%，降低減速器齒輪配比。

（2）彈性閘板關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)溫度應(yīng)選取實(shí)際使用溫度與常溫的中間值，本文可選取140～160℃。

（3）電動(dòng)閘閥閉合時(shí)，介質(zhì)壓力應(yīng)在小范圍波動(dòng)。

（4）彈性閘板不應(yīng)在介質(zhì)滿流量狀態(tài)或者流速過高狀態(tài)下關(guān)閉。

（5）嘗試更改彈性閘板楔角，按照閥門公式（4）或者（5）定量確定，根據(jù)計(jì)算本文選取楔角4°。

（6）干摩擦因數(shù)比濕摩擦因數(shù)要大得多，且每次電動(dòng)閘閥啟閉時(shí)，彈性閘板密封面與閥體密封面均不會(huì)受到介質(zhì)在密封面形成的表面張力保護(hù)，多次在干摩擦下閉合會(huì)對(duì)密封面造成刮傷，容易引起反彈，因此，不建議在無介質(zhì)時(shí)，對(duì)電動(dòng)閘閥進(jìn)行啟閉操作。

（7）滾珠絲杠副增加自鎖裝置，詳見《滾珠絲杠副與自鎖裝置》書中158-251頁。

4 結(jié)語

彈性閘板反彈問題是影響電動(dòng)閘閥使用性能的一環(huán)，經(jīng)過對(duì)彈性閘板耦合場(chǎng)的分析，最終確定影響反彈的三大因素：溫度、壓力、速度。本文最后依據(jù)專業(yè)人才的經(jīng)驗(yàn)對(duì)電動(dòng)閘閥使用要求提出規(guī)范化建議，并結(jié)合理論知識(shí)在電動(dòng)閘閥設(shè)計(jì)理念上提出新的想法。