真空回潮機(jī)氣動球閥無法開啟故障分析與修復(fù)

董曉斌，姚明笙，劉 文，潘增林，王 爽

（紅塔集團(tuán)玉溪卷煙廠，云南 玉溪 653100）

1 真空回潮機(jī)簡介

真空回潮機(jī)是利用真空泵抽吸真空箱體內(nèi)的空氣，使箱體內(nèi)達(dá)到預(yù)定的真空度，然后由加濕系統(tǒng)將蒸汽和水混合以后低壓濕蒸汽的形式送入箱體內(nèi)，增加煙葉水分、提高煙葉溫度、增強(qiáng)煙葉的韌性、殺死蟲卵、去除煙葉青雜味，以便于下道工序的加工。

圖1 真空回潮機(jī)工作示意圖

真空回潮機(jī)采用四級真空噴射泵對箱體進(jìn)行抽空，其原理是利用蒸氣流動的靜壓能與動能相互轉(zhuǎn)換的氣體動力學(xué)原理使箱體內(nèi)形成真空環(huán)境。該系統(tǒng)由4 臺蒸氣噴射器、2 臺冷凝器、1 臺組合式真空水箱、2 件消音器、1 臺蒸氣分配器和1 只水分配器組成，其抽氣過程如下：

被抽氣體從真空箱→DN200 氣動蝶閥（真空閥）→1 級噴射器→1 號冷凝器→二級噴射器→2 號冷凝器

其中,一、二、三、四級真空泵的開啟與關(guān)閉均由4 個氣動球閥執(zhí)行。氣動球閥在使用過程中，啟閉頻繁，介質(zhì)為高溫高壓的蒸氣[1]。

2 故障現(xiàn)象

在生產(chǎn)過程中真空回潮機(jī)出現(xiàn)無法抽空問題，出現(xiàn)此問題的原因可能有：（1）蒸氣壓力不夠；（2）箱體上方重力式安全閥關(guān)閉不嚴(yán)，造成真空箱體與外界直接相通；（3）箱體門關(guān)閉不嚴(yán)；（4）冷卻系統(tǒng)異常，如冷卻泵未正常運(yùn)行,冷卻水溫過高；（5）壓縮空氣壓力不足；（6）控制系統(tǒng)PLC 故障等[2]。

上述故障原因一一排除后，在手動試機(jī)的過程中發(fā)現(xiàn)一級和二級真空泵的氣動球閥不能正常開啟，經(jīng)檢查，氣動球閥執(zhí)行器的壓縮空氣供給氣壓正常，氣管接頭密封良好，無漏氣現(xiàn)象，減小蒸氣壓力或關(guān)斷蒸氣時，球閥能夠正常啟閉。

3 原因分析

在關(guān)斷蒸氣條件下球閥能夠正常啟閉，表明氣動球閥機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)無斷裂和異常，可能因為背壓過大造成氣動球閥不能正常開啟，由于抽真空需要額定的蒸氣壓力才能夠抽到工藝所要求的真空度。故背壓問題無法解決。

從氣動球閥結(jié)構(gòu)和工作原理來分析，真空回潮機(jī)使用的氣動球閥為活塞式雙作用氣動球閥（圖2），具有快速啟閉、遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程控制和經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)。

圖2 氣動球閥

（1）氣動球閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和球閥組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是球閥的推力部件，通過接入壓縮空氣產(chǎn)生推力推動球閥，球閥直接與介質(zhì)接觸，控制介質(zhì)的流量及通斷。

（2）氣動球閥工作原理為氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用壓縮空氣作動力源，通過活塞的運(yùn)動帶動曲臂進(jìn)行90°回轉(zhuǎn)，使閥門自動啟閉。它的組成部分為：調(diào)節(jié)螺栓、執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體、曲臂、氣缸體、氣缸軸、活塞、閥桿。

因為氣動球閥在蒸氣壓力低或未通蒸氣的情況下能正常開啟，排除氣動球閥機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷裂，分析是由于氣動執(zhí)行器活塞與氣缸壁摩擦較大造成球閥開啟困難[3]。

拆下氣動球閥并解體檢查，氣動執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)見圖3，手動推動活塞時，活塞與汽缸壁之間潤滑良好，齒輪齒條嚙合正常，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動靈活，O 型圈密封良好，壓縮空氣進(jìn)出通道暢通，氣動執(zhí)行器功能正常。于是排除氣動執(zhí)行元件故障。

圖3 氣動執(zhí)行器

隨即拆開球閥閥體，發(fā)現(xiàn)球閥中密封圈磨損嚴(yán)重，見圖4（左邊圈內(nèi)為磨損變形的密封圈，右邊為新的密封圈），磨損嚴(yán)重的密封圈與閥體中的密封球面接觸面增大，而且具有明顯的變形（蠕變），這就造成了閥體與密封圈接觸面不光滑。

圖4 變形的密封圈

由摩擦力公式f=μN(yùn)，式中μ 為動摩擦因數(shù)，也叫滑動摩擦系數(shù)，它跟材料、接觸面粗糙程度有關(guān)，N為正壓力，在相同壓力的蒸汽環(huán)境下，正壓力N不變，由于接觸面不光滑，動摩擦因素μ 增大，摩擦力f隨即增大，從而導(dǎo)致球閥開啟困難。其中一級泵的氣動球閥由于密封圈磨損嚴(yán)重以至閥芯與閥座直接接觸而導(dǎo)致閥芯卡死。

在拆開二級泵氣動球閥時發(fā)現(xiàn)，在球閥的出口端密封圈不僅磨損嚴(yán)重，而且已經(jīng)斷裂和變形，圖5為斷裂的密封圈[4]。

圖5 斷裂的密封圈

造成密封圈變形的原因是使用的氣動球閥的球體是浮動的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6，在蒸氣介質(zhì)壓力作用下，球體能產(chǎn)生一定的位移并緊壓在出口端的密封面上，保證出口端密封，在不斷的啟閉過程中，球體不斷沖擊出口端密封，造成密封圈變形，從而使閥芯球體卡住，無法開啟。

圖6 浮動球閥結(jié)構(gòu)圖

密封圈材料為聚四氟乙烯，它能耐幾乎所有的常用強(qiáng)腐蝕、氫氧化物，同時還具有耐高溫的特點(diǎn)，但是聚四氟乙烯是典型的軟而弱聚合物，大分子間的相互引力較小，剛度、硬度、強(qiáng)度都較小，在長時間連續(xù)載荷作用下發(fā)生塑性變形(蠕變)，在真空回潮機(jī)上，聚四氟乙烯密封圈長時間承受著高壓蒸氣，在這種作用力下發(fā)生蠕變，從而卡死密封球。

部分氣動球閥由于密封圈磨損較為嚴(yán)重，導(dǎo)致密封球面與閥座直接接觸，以導(dǎo)致密封球面被刮出毛刺和條紋（圖7）。

圖7 表面被刮出毛刺和條紋的球體

4 解決辦法

由于聚四氟乙烯密封圈的蠕變性能，考慮更換能經(jīng)受劇烈交變的溫度和壓力的石墨密封圈，隨即更換相同型號的石墨密封圈（圖8）。

圖8 石墨密封圈

用砂紙打磨密封球面被刮出的毛刺和條紋，恢復(fù)其光滑表面，完成以上步驟后安裝調(diào)試。

調(diào)試過程中，由于新的密封圈與球芯沒有經(jīng)過研磨，剛開啟的幾次摩擦力較大，這時可以在氣缸允許的壓力范圍內(nèi)，加大壓縮空氣源的壓力，開關(guān)幾次后，密封圈和球芯經(jīng)過幾次磨合后，再把壓縮空氣的壓力調(diào)整到正常的壓力范圍，就能順利啟閉閥門了。至此真空回潮機(jī)抽空正常，機(jī)器恢復(fù)正常使用。

5 結(jié) 論

（1）聚四氟乙烯磨損性能不理想，在用做較大負(fù)荷、高溫球閥密封時，磨損較大，而且易發(fā)生蠕變現(xiàn)象，從而影響球閥的正常開啟。

（2）石墨密封圈在密封球體轉(zhuǎn)動時候能夠起到一定的潤滑作用，在摩擦過程中，形成一層潤滑膜，減少了密封球體的磨損，另外，石墨性能穩(wěn)定，能夠承受高溫高壓，在真空回潮機(jī)啟動球閥中能夠滿足其生產(chǎn)要求。