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细长杆泄压阀设计研究

2019/08/06 阅读:

摘要:主要设计了一种全新的专利产品——细长杆泄压阀。该产品可以单独使用又可以和任何种类的主阀配合使用。为了让人更好的了解该产品,从泄压阀的背景及本泄压阀结构原理开始介绍,并用欧拉方程公式编写数学软件计算各个参数,让各个参数达到最优化,同时采用三维建模检验设计的正确及合理性。细长杆泄压阀在结构设计上采用了模块化设计,阀体部分采用小巧多通道的活塞式结构,上部固定细长杆采用可调节的立柱结构,便于细长杆更换安装。本文介绍的细长杆也是通过反复试验选出来的特殊材质,并通过特殊工艺加工而成。该产品具有结构独特、动作灵活、密封精度高等显著特点。

关键词:细长杆;泄压阀;模块化;欧拉公式

引言

目前经常被使用的泄压阀主要有爆破片式、弹簧式、爆破针型泄压蝶阀和先导式柱塞阀等,这些种类的泄压阀虽然在长期的发展中取得了一定的成绩,但因阀门本身的缺点明显与国外先进的设备相比还存在着一定的差距,各个企业在选择阀门的时候还是优先选择国外阀门。从20世纪90年代开始,ASME锅炉及压力容器规范标准将爆破针型泄压阀列为可以采用的非重闭式泄压装置,并在第VIII卷第1册UG篇对其制造、测试和使用作出规定[1]。另外,APIRP520《炼油厂压力泄放装置的定径、选择和安装》中规定了爆破针型泄压阀的设置、尺寸确定和安装[2]。这些标准和规定为新技术的开发奠定了基础。本课题研究的内容是该设计产品能克服现有产品存在的不足,提供一种使用范围广,调节精度高,可重复使用,现场零件更换方便,即可以单独使用又可以和任何种类的主阀配合使用的细长杆泄压阀。

1细长杆泄压阀特点

1.1常规泄压阀结构特点

常规的泄压阀都具有各自的缺点:1)爆破片式不能重复使用,质量不好时容易疲劳导致失效,更换比较麻烦。2)弹簧式载荷随阀瓣升高变化大,性能动作受高温影响大。3)爆破针型泄压蝶阀密封系统比较脆弱,容易导致泄漏,而且泄压触发机构过于复杂,精度不高,成本太高。4)先导式柱塞阀相当复杂,而且与主阀直接相连,有使用局限性,不适合高温和低压场合。

1.2细长杆泄压阀特点

1)本发明充分利用细长杆失稳的欧拉定律,采用使细长杆两端受力的结构,定位性好,精确度能达到±0.01MPa以上。2)本发明加工简单,同轴度高,导向性好,密封部位完全避开阀体内壁上的圆锥螺纹孔,确保阀芯在运动过程中可以密封。3)本发明无论单独使用还是和主阀配合使用都能达到泄压目的,确保在介质小压差下也能顺利推开或关闭阀门,达到现场使用要求。4)本发明结构精巧,介质高压输入通道和介质低压输出通道的外端口均为圆锥螺纹接口,不仅方便与其他设备的方便快速连接,而且可以使泄压阀远离介质,避免受高温介质影响。5)本发明中的各个零件都进行模块化生产,现场不用拆卸阀门就可以更换零件,维修方便,大大缩短检修周期,降低成本。

2细长杆泄压阀结构方案设计

如图1、图2所示长杆泄压阀的结构:图中的细长杆泄压阀主要由阀体1、上阀盖4、底盖7、阀芯2、阀杆3和细长杆10等组成,所述阀体1为一圆筒体,所述上阀盖4通过螺栓密封安装在阀体1顶部,所述底盖7通过螺栓密封安装在阀体1底部,上阀盖4、阀体1和底盖7形成一个封闭的圆柱体型腔;所述阀芯2装配在圆柱体型腔内并可以上下运动,所述阀杆3下端连接阀芯2,阀杆3上端从上阀盖4的中心通孔内穿过,阀杆3顶部与一竖直设置的细长杆10的下端连接,所述细长杆10的上端连接在一支撑架上,所述支撑架固定连接在上阀盖4上;所述底盖7上设有介质高压输入通道14,该介质高压输入通道14的内端口正对阀芯2底部,输入的高压介质对阀芯2底部施加压力,阀芯2再通过阀杆3给细长杆10施加压力;所述阀体1上设有介质低压输出通道15,该介质低压输出通道15的内端口位于阀体1的侧壁上,当输入的高压介质压力不足以使细长杆10失稳时,阀芯2保持不动,介质低压输出通道15的内端口被阀芯2封堵住;当高压介质的压力足以使细长杆10失稳时,阀芯2向上运动,介质低压输出通道15的内端口打开,介质高压输入通道14与介质低压输出通道15连通起来,实现泄压。如图1、图2所示,所述底盖7的内部中心位置设有一圆柱凸台7a,阀芯2的下部中心设有一圆柱孔,圆柱凸台7a密封滑动装配在该圆柱孔内;圆柱凸台7a的轴向中心设有进气通道16,进气通道16的外端口用于连接气源;阀杆3下部设有一可与所述圆柱孔密封滑动配合的密封头3a,当细长杆10未失稳时,所述密封头3a下端面与所述圆柱凸台7a上端面密封接触,将进气通道16的内端口封堵住;当细长杆10失稳时,密封头3a下端面与所述圆柱凸台7a上端面脱离接触,进气通道16的内端口打开,气体由进气通道16进入圆柱孔;圆柱孔与阀芯2的内腔连通,并且圆柱孔的内径小于阀芯2内腔的内径,所述阀芯2内腔侧壁上设有若干个沿周向均布的出气孔2b,阀芯2外周侧壁上设有一环形出气槽2c,若干个出气孔2b均与环形出气槽2c连通;阀体1侧壁上设有出气通道17,环形出气槽2c与出气通道17的内端口连通,出气通道17的外端口用于连接主阀执行机构的气源接口。如图1、图2所示所述支撑架主要由支撑杆5、连接板6、锁紧螺母13、固定螺母12和固定螺栓11组成,支撑杆5下端螺纹连接固定在上阀盖4上,连接板6安装在支撑杆5上端并用锁紧螺母13锁紧固定,固定螺栓11螺装在连接板6上并用固定螺母12锁紧,所述细长杆10的上端连接在所述固定螺栓11的下端。圆柱体型腔的下部设有一环形台阶1a,阀芯2下部设有一与环形台阶1a相匹配的环形肩台2a。这样的结构配合可以提升阀芯2与阀体1间的密封性能,并且同轴度高,导向性好。上阀盖4与阀体1之间夹装有第一缠绕垫8.1,所述底盖7与阀体1之间夹装有第二缠绕垫8.2。所述阀芯2外周面与阀体1内壁面之间设有若干个第一密封圈9.1。所述圆柱凸台7a外周面与圆柱孔内壁面之间设置有第二密封圈9.2。

所述密封头3a下端面镶装有第三密封圈9.3。所述阀芯2上端面镶装有第四密封圈9.4。这些密封件的作用都是用来提升设备的密封性能。如图1、图2所示,所述阀杆3顶部中心设有定位孔,固定螺栓11下端面中心设有定位孔,细长杆10的上下端分别置于定位孔内。这样的结构有利于细长杆10的装配。所述介质高压输入通道14的外端口和介质低压输出通道15的外端口均为圆锥螺纹接口,这样不仅方便本发明与其他设备的方便快速连接,而且可以通过螺纹连接使泄压阀远离介质,避免受高温介质影响。本发明的工作原理及工作过程如下:介质高压输入通道14的外端口连接管道内或者主阀前高压区,当介质压力未超过细长杆10所能承受的力时,泄压阀保持关闭(状态如图1所示);当介质压力高于细长杆10所能承受的力时,细长杆10就会失稳变形,阀芯2和阀杆3会同时向上运动,介质就会进入到阀内,然后从介质低压输出通道15的外端口排出,此时泄压阀开启(状态如图2所示)。当本发明与主阀配合使用时,进气通道16的外端口与气源连通,出气通道17的外端口与主阀执行机构的气源接口连接,当阀芯2和阀杆3向上运动时,进气通道16的内端口打开,高压气体会从出气通道17排出,推动执行机构带动主阀工作。

3细长杆的设计计算

本产品中细长杆的选择是根据欧拉公式编写软件计算所得。按照客户提供的压力和需要阀门大小等参数,先大约确定阀门缸径,计算出使细长杆失稳所需要的力,再根据市面上常见规格选定金属丝的直径,按公式算出长度后,比较细长杆和材质的细长比,根据多次试验设定一个精确的细长杆失稳时的具体参数值。具体计算公式如下:

4结论

本文从泄压阀的现状及细长杆泄压阀的特点开始分析,总结了开发这种细长杆泄压阀的意义及发展趋势及常规泄压阀的特点,又从结构上分析细长杆泄压阀的特点及优势。详细地介绍了细长杆泄压阀的结构方案设计,清晰地阐述阀门工作的原理,通过本文的阅读能充分了解该产品的优点。

作者:宋尚 单位:无锡斯沃特流体控制技术有限公司

细长杆泄压阀设计研究

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