高压超高温快速换向阀的传动系统

高压超高温快速换向阀的传动系统李保升，吴尖斌，邵程达（浙江石化阀门有限公司，温州325024）高压超高温快速换向阀的传动系统2015-2-152高压超高温快速换向阀的传动系统李保升，吴尖斌，邵程达（浙江石化阀门有限公司，温州325024）

摘要：介绍了一种高压超高温快速换向阀的传动系统的原理、结构及在启闭状态下的力的计算，详细分析了减振储能系统的特殊功能。

关键词：超高温；快速换向阀；“三高”介质；三层两体式阀芯；保护层；隔热层；四层三体式阀杆；温差梯度；应变梯度；等效应力；减振储能弹簧；阻尼油缸。1.概述高压超高温快速换向阀是空气动力装置（风洞）上用的特殊阀门，阀门的最高工作温度900℃，最高工作压力12MPa，公称通径DN200，换向时间≤2秒。国、内外首创（图1）.技术要求如下：阀芯换向平稳，对阀座无明显撞击现象，换向时间≤2秒； 高温气流流经换向阀的热量损失要小，进出口气流温差≤1℃；阀门壳体的外表温度≤110℃；2015-2-153高压超高温快速换向阀的传动系统阀门的使用寿命，在高温下开关5000次以上；在最高工作压力12MPa和最低工作压力0.3MPa时，阀门均能密封；（6）对阀体、阀芯、阀座、阀杆等主要零件，用有限元进行应力和温度的分析计算；本阀门经过一年半的设计和试制，并请清华大学和天津大学应用有限元对主要零件进行分析计算。产品于2004年底进行验收。2015-2-154高压超高温快速换向阀的传动系统1—阀底座2015-2-155高压超高温快速换向阀的传动系统2—下阀座3—阀芯总成4—阀体5—隔热衬里6—上阀座7—隔热套管8—阀杆总成9—阀盖10—支架11—气动传动总成12—手动传动总成图1

总装图2.传动系统的结构2015-2-156高压超高温快速换向阀的传动系统本阀门的传动链是：气动执行机构→阀杆→阀芯。气缸内活塞的上下运动，通过阀杆，带动阀芯上下运动，分别和上下阀座密封，实现流道的换向。2.1

阀芯的结构阀芯是处于三高（高温、高压、高速）介质的流体中，工作环境恶劣，设计成三层两体式结构（见图2）。最外层和上、下护板为保护层，采用钴基硬质合金；第二层为隔热层，选用硅酸铝纤维布；最里面为阀芯主体，选用高温合金钢GH3128。阀芯外面有两个球形密封面，堆焊Co119，分别和上、下阀座密封面形成密封。阀芯内部上、下各有一个凹球面，分别和阀杆头部的两个凸球面接触，以提高其浮动性。2015-2-157高压超高温快速换向阀的传动系统图2

三层两体式阀芯结构2015-2-158高压超高温快速换向阀的传动系统1—下护板2—下隔热层3—阀芯下部4—外圆防护套5—阀杆头部6—阀芯上部7—上阀芯密封球面8—上护板9—冷却气管10—上隔热层11—上阀芯内球面12—圆周隔热层13—下阀芯内球面14—下阀芯密封球面2.2

阀杆的结构阀杆既承受“三高”介质的冲刷，又要承受传动系统的拉力和压力，是本阀门关键的受力件。为了提高阀杆的强度，必须降低阀杆主体的工作温度。本阀杆设计成四层三体式结构（见图

3），三体是指上阀杆、下阀杆和阀杆头部。所谓四层，是指下阀杆的内外由四层组成，最外层是保护套，一端与阀杆头部焊接，另一端浮2动015-，2-15不会产生热变高压超形高温应快速力换向阀，的传保动系护统

套的外表面堆

9焊钴基硬质合金。第二层为隔热层，可减少保护套对阀杆主体的热传导和热辐射。第三层为阀杆主体，选用4Cr14Ni14W2Mo高强耐热钢。第四层为冷却管，冷却空气从管内进入，流经阀杆头部，再从阀杆主体的内孔，即冷却管的外壁排出。该结构通过有限元分析，阀杆主体的外壁温度538℃，等效应力287MPa，内壁

温度375℃，等效应力166MPa，温差梯度和应变梯度都在材料的许用范围内。2015-2-1510高压超高温快速换向阀的传动系统1-阀杆头部2-阀杆保护套3-阀杆隔热层

4-阀杆主体5-冷却管7-下螺母6-下阀杆顶盖8-锁紧螺母9-对开圆环10-上螺母11-上阀杆13-出气口12-进气口14-上接触球面15-阀芯上部16-下接触球面17-阀芯下部图3四层三体式阀杆结构2015-2-1511高压超高温快速换向阀的传动系统2.3气动控制系统的结构阀门的气动控制系统包括气缸、活塞、减振储能机构气控元件等（详见图4）。气缸设计成单缸双作用气缸，气源压力1.0MPa。气缸的上、下座分别固定58根减振储能弹簧，弹簧分长、中、短三组，分级减振阻尼。气缸内径630mm，用两只德国FESTO公司的3/4“大电磁阀向气缸供气。在气控管路上，还安装两只韩国宇策公司的快速排气

阀，可降低活塞背压，使活塞移动速度达到设计要求。在气缸座的上、下端分别安装8只液动阻尼油缸，阻尼效果可由操作者控制调节阀。2015-2-1512高压超高温快速换向阀的传动系统9—上阀杆10—缓闭油缸11—缓闭油缸活塞12—节流阀13—下气缸座14—活塞15—气缸16—短弹簧17—长弹簧18—上气缸座19—手动机构图4气动控制系统2015-2-1513高压超高温快速换向阀的传动系统传动系统的分析与计算阀杆组件的运动分析在传动系统中，活塞、阀杆及阀芯为一个运动整体，该整体可看作是运动组件，该组件在气缸推力、弹簧力的作用下，克服介质及填料函摩擦阻力向前运动，完成换向阀的换向动作。传动系统的计算阀杆组件运动速度的计算阀杆组件的运动是由气缸内压缩空气推动活塞运动而引起，活塞移动的速度即为阀杆组件的运动速度。活塞移动速度主要由电磁阀供气量来决定，计算如下：2015-2-1514高压超高温快速换向阀的传动系统电磁阀额定流量6000升/分，以4000升/分计算（考虑背压），两只电磁阀8000升/分，即

133升/秒。气缸内径630mm，行程150mm，容积为：0.785×6.32×1.5=46.7（升）充满气缸所用时间为：46.7÷133=0.35（秒）活塞接触弹簧前的移动速度：150mm÷0.35秒=429

mm/秒2015-2-1515高压超高温快速换向阀的传动系统3.2.2

弹簧压缩力的计算弹簧有长、中、短三种，分别以1、2、3三个号码表示，材料均为60Si2CrVA。上、下气缸座分别安装58根弹簧，上气缸座安装长弹簧8根，中弹簧20根，短弹簧30根。下气缸座安装长弹簧12根，中弹簧20根，短弹簧26根。D—弹簧中径：

D1=D2=D3=40mm

(设计给定)d—弹簧钢丝直径：d1=8mm

d2=9mm

d3=10mm

(设计给定)

n—弹簧有效圈数：n1=7.5

n2=6.5

n3=6

(设计给定)2015-2-1516高压超高温快速换向阀的传动系统Ho—弹簧自由高度：

Ho1=109.5mm,Ho2=105mm,Ho3=100mm(设计给定)h—弹簧压缩高度：h1=29.5mm,h2=25mm,h3=20mm (设计给定)式中:G—弹簧材料剪切弹性模量，设计取78.5GPa。查《机械设计手册》表11-1-2

（化学工业出版社）计算得到：dP′42015-2-1517高压超高温快速换向阀的传动系统8

D

3Gd′d—弹簧单圈刚度：P

d1P′

628N

/

mmd

2P′

1006N

/

mmd

3P

′

1533

N

/

mm(1)

单根长弹簧压缩力(抗力)Pk1计算2015-2-1518高压超高温快速换向阀的传动系统(2)

单根中弹簧抗力P

k2计算Pk2=

=154.76×25=3869(N)=395(kgf)(3)

单根短弹簧抗力Pk3计算Pk3==255.5×20=5110(N)=521(kgf)(4)下气缸座弹簧总抗力P下K总计P下K总=Pk1×12+Pk2×20+Pk3×26=239806(N)=24.47(t)P—′弹簧刚度：′d′P

P

/

n1′P

83.7N/

mm′P

2

154.76N

/

mm′P

3

255.5N

/

mm，Pk1=

1

=83.7×29.5=2469(N)=252(kgf)′1P

h22′P

h33′P

h(5)上气缸座弹簧总抗力P上K总计算P上K总=Pk1×8+Pk2×20+Pk3×30=25035(N)=25.546(t)3.2.3

气缸推力的计算式中：PT1—活塞向下推力；

PT2—活塞向上推力；

D—气缸内径630mm；d1—活塞上部阀杆直径80mm

；D2—活塞下部阀杆直径100mm

；P—气体压力1MPa。42015-2-1519高压超高温快速换向阀的传动系统T

1

1P

(D2

d

2

)

P4

d

2

)

P2T

2P

(D

2代入计算：2015-2-1520高压超高温快速换向阀的传动系统3.2.4

介质作用力的计算介质最高压力介质最低压力DZ1——上阀座密封面内径为233mmDZ2——下阀座密封面内径为215mmdF——下阀杆直径为108mm(设计给定)(设计给定)(设计给定)(设计给定)(设计给定)4T

1P

(630

2

80

2

)

1

306543 (

N)

31

.28

(t

)4T

2P

(6302

1002

)

1

303717

(

N

)

30.99(t)

12

MPaP

maxPmin

0.3MPa（1）上阀座关闭时，介质作用力：2015-2-1521高压超高温快速换向阀的传动系统（2）下阀座关闭时，介质作用力：4

0.785

2352

12

520220(N）

53.08(t）maxz1J上maxP

D

2

P4z1

minJ上minP

D

2

P

0.785

2352

0.3

13005(N）

1.33(t）z2

F

maxJ下maxP

(D

2

d

2

)

P

0.785

(2152

1082

)

12

325565(N)

32.22(t)P2z

2J下min

d

2

)

P

0.785

(215

2

108

2

)

0.3

8139

(

N）

0.83(t)F

min4

(

D43.2.5

填料函处摩擦力的计算Q

T

d

T

bT

P（阀门设计计2015-2-1522高压超高温快速换向阀的传动系统(设计给定)(设计给定)(设计给定)式中：

——填料系数，查表得

1.19算手册P162）；dF

——下阀杆直经，108mmbT

——填料宽度，20mmh

T

——填料高度150mm

dT

bT

Pmax

1.19

108

20

12

30845(N)

3.15(t)代入：QT

maxQT

min

dT

bT

Pmin

1.19

108

20

0.3

771(N)

0.79(t)3.2.6

上阀座开启时总作用力（P上开）分析

(1)上阀座开启时，阀杆组件受力情况见附图5。(2)最大工作压下，上阀座开启时的总作用力P上开大

PT1＋P上K总

PJ上max

QT

max=306543+250351-520220-30845=5829(N)结论：能开启2015-2-1523高压超高温快速换向阀的传动系统(3)最小工作压力下，上阀座开启时的总作用力。P上开小

PT

1＋P上K总

PJ上min

QT

min=306543+250351-13005-771=543118(N)结论：能开启3.2.7

上阀座关闭时总作用力（P上关）分析及密封比压（q）计算(1)上阀座关闭时，阀杆组件受力情况见附图62015-2-1524高压超高温快速换向阀的传动系统

PT

22015-2-1525高压超高温快速换向阀的传动系统P上关大

PJ上max

P上K总

QTmax

520220

303717-

250351-

30845

542741(N)结论：能关闭(3)

最小工作压力下，上阀座关闭时的总作用力

PT

2P上关小

PJ上min

P上K总

QT

min

13005

303717-

250351-

771

65600(N结论：能关闭(4)

最大工作压力下，上阀座关闭时的密封比压及挤压强度q上max

P上

关大

b

M

上

max

）

b

M

上

max

（

D

MN

上式中：

——上阀座最大密封比压；2015-2-1526高压超高温快速换向阀的传动系统——上阀座密封面内径，235mm；——上阀座密封面宽度，4mm；q上maxMN

上DM上maxb代入：q上max

542741

3.14

235

4

4

180.（8

MPa）

[q]查《阀门设计计算手册》表4-11,[q]=250(MPa)q上max结论：合格(5)最小工作压力下，上阀座关闭时的密封性能q

上

min

P上

关小

b

M

min

）

b

M

min

（

D

MN

6500

[3.14(235

1.5)

1.5]

58.9(MPa)查《阀门设计计算手册》

表4-10，q

MF

(密封面必须比压)=44

MPa

>，能密封。 结论：合格3.2.8

下阀座开启时总作用力（P下开）分析(1)下阀座开启时，阀杆组件受力情况见附图7。

(2)最大工作压力下，下阀座开启时的总作用力

PT

2P下开

大

P下

K

总

PJ下

max

QT

max

303717

239806-325565-30845

187113(N)结论：能开启2015-2-1527高压超高温快速换向阀的传动系统(3)最小工作压力下，下阀座开启时的总作用力

PT

2P下开小

P下K总

PJ下

min

QT

min

303717

239806

8139

771

53461（3

N）结论：能开启3.2.9下阀座关闭时总作用力（P下关）分析及密封比压(q)计算(1)下阀座关闭时，阀杆组件受力情况见附图8。2015-2-1528高压超高温快速换向阀的传动系统(2)最大工作压力下，下阀座关闭时的总作用力2015-2-1529高压超高温快速换向阀的传动系统P下关大

PJ下max

PT

1

P下K总

QT

max

325565

306543

-

239806

-

30845

361457(N)结论：能关闭(3)最小工作压力下，下阀座关闭时的总作用力

PT1P下关小

PJ下

min

P下K总

QT

min

8139

306543 -

239806 -

771

74105(N)结论：能关闭(4)最大工作压力下，下阀座关闭时的密封比压及挤压2015-2-1530高压超高温快速换向阀的传动系统强度q下

max

P下关大

bM

下max

）

bM

下max

（

DMN

下=361457÷[3.14×(215+4)×4]=131.4(MPa)查《阀门设计计算手册》表4-11,[q]=250(MPa)q下max

<[q]结论：合格(5)最小工作压力下，下阀座关闭时的密封比压及密封2015-2-1531高压超高温快速换向阀的传动系统压)=44MPa

，能密封结论：合格性能q下

min

P下关小

bM

下min

）

bM

下min

（

DMN

下=74105÷[3.14×(215+1.5)×1.5]=72.67(MPa)查《阀门设计计算手册》表4-10,qMF

(密封面必须比q下min>

qMF3.3

气缸内安装弹簧的作用分析2015-2-1532高压超高温快速换向阀的传动系统3.3.1

减振阻尼作用当气缸活塞推动阀杆组件快速移动到接近阀座位置时，见图1，活塞受到弹簧压缩的作用力，该作用力抵消了部分气缸推力，在下阀座关闭时，气缸推力为306543N，弹簧作用力为

239806N，抵消了78%。在上阀座关闭时，气缸推力为303717N，弹簧作用力为250351N，推消了82%。同时弹簧分级阻尼，效果十分明显。3.3.2

帮助气缸开启阀门当阀门需要开启时，见图1，必须克服介质作用力和填料函摩擦力，在下阀座开启时,介质作用力为325565N,填料函摩擦力为30845N，二者合力为356410N,气缸向上的推力为

303717N，小于二者合力，如果没有弹簧抗力的帮助，阀门就不会被开启。要想在没有弹簧的情况下，把阀门打开，只有扩大气缸内径，增大气缸推力。气缸内径必须从Φ630增大至

Φ860。而当气缸增大后，