CN111623142A - 一种性能超高温风道快速换向器的传动系统 - Google Patents

一种性能超高温风道快速换向器的传动系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种性能超高温风道快速换向器的传动系统，包括换向器阀底座、下阀座、换向阀芯总成、阀体、隔热衬里、上阀座、隔热套管、阀杆总成、阀盖、支架、气动传动总成和手动传动总成，所述换向阀芯总成包括下护板、下隔热层、阀芯下部、外圆防护套、阀杆头部、阀芯上部、上阀芯密封球面、上护板、冷却气管、上隔热层、上阀芯内球面、圆周隔热层、下阀芯内球面和下阀芯密封球面，阀杆总成包括阀杆保护套、阀杆隔热层、阀杆主体、下阀杆顶盖、下螺母、锁紧螺母、对开圆环、上螺母、上阀杆、进气口、出气口、上接触球面和下接触球面。本发明阀芯换向平稳，对阀座无明显撞击现象，换向时间小于两秒。

Description

一种性能超高温风道快速换向器的传动系统
技术领域
本发明涉及快速换向器技术领域，尤其涉及一种性能超高温风道 快速换向器的传动系统。
背景技术
高性能风道快速换向器，由于在结构和选材上设计合理，已经经 受了长期的“三高”介质的考验。在传动方面，由于采用了阻尼储能 弹簧和缓闭可调油缸，不仅在操作上振感轻微，而且换向时间稳定在 1.88秒～1.98秒，达到设计要求。该产品的研制成功，不仅在同时 具备“三高”介质的尖端风道换向器的研制上摸索了经验，同时在气 液动传动机构上也探出了新路。
发明内容
本发明提供一种性能超高温风道快速换向器的传动系统设计研 发，解决以往高温气流换向耗时长，操作不安全等诸多问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种性能超高温风道快速换向器的传动系统，包括换向器阀底 座、下阀座、换向阀芯总成、阀体、隔热衬里、上阀座、隔热套管、 阀杆总成、阀盖、支架、气动传动总成和手动传动总成，所述换向阀 芯总成包括下护板、下隔热层、阀芯下部、外圆防护套、阀杆头部、阀芯上部、上阀芯密封球面、上护板、冷却气管、上隔热层、上阀芯 内球面、圆周隔热层、下阀芯内球面和下阀芯密封球面，阀杆总成包 括阀杆保护套、阀杆隔热层、阀杆主体、下阀杆顶盖、下螺母、锁紧 螺母、对开圆环、上螺母、上阀杆、进气口、出气口、上接触球面和 下接触球面，气动传动总成包括上阀杆、缓闭油缸、缓闭油缸活塞、 节流阀、下气缸座、活塞、短弹簧、长弹簧、上气缸座；
本换向器阀门的传动链是：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，换 向器阀芯的设计为三层两体式结构，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，阀芯外面有两个球形密封面，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，阀杆的设计为四层三体式结构，三体是指上阀杆、下阀杆 和阀杆头部。
优选的，冷却空气从管内进入，流经阀杆头部，再从阀杆主体的 内孔，即冷却管外壁排出。
优选的，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，气缸设计成单缸双作用气缸，气缸的上、下座分别固定五十 八根减振储能弹簧，弹簧分长、中、短三组，分级减振阻尼，在气控 管路上，还安装两只的快速排气阀，在气缸座的上、下端分别安装八 只液动阻尼油缸。
优选的，所述活塞、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，克服质及填料函 摩擦阻力向前运动，完成换向阀的换向动作。
与现有技术相比，本发明提供了一种性能超高温风道快速换向器 的传动系统，具备以下有益效果：
1、阀芯换向平稳，对阀座无明显撞击现象，换向时间≤2秒。
2、阀门密封面收到保护，阀门的使用寿命长、稳定。
本发明阀芯换向平稳，对阀座无明显撞击现象，换向时间小于两 秒，满足了人们在生产生活中的使用需求。
附图说明
图1换向器主体总装结构视图；
图2三层两体式阀芯结构；
图3换向器阀杆结构图；
图4气动控制系统结构图；
图5换向器阀杆组件受力情况图；
图6换向器阀杆组件受力图。
图中：换向器阀底座 1、下阀座 2、换向阀芯总成 3、阀体 4、隔 热衬里 5、上阀座6、隔热套管 7、阀杆总成 8、阀盖 9、支架 10、气 动传动总成 11、手动传动总成 12、气缸15、下护板 301、下隔热层 302、阀芯下部 303、外圆防护套 304、阀杆头部 305、阀芯上部306、 上阀芯密封球面 307、上护板 308、冷却气管 309、上隔热层 310、上 阀芯内球面311、圆周隔热层 312、下阀芯内球面 313、下阀芯密封 球面 314、阀杆保护套 801、阀杆隔热层 802、阀杆主体 803、下阀杆 顶盖 804、下螺母 805、锁紧螺母 806、对开圆环 807、上螺母 808、 上阀杆 809、进气口 810、出气口 811、上接触球面 812、下接触球面 813、上阀杆 1101、缓闭油缸 1102、缓闭油缸活塞 1103、节流阀 1104、 下气缸座 1105、活塞 1106、短弹簧 1107、长弹簧 1108、上气缸座 1109。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
参照图1-6，一种性能超高温风道快速换向器的传动系统，本换 向器阀门的传动链是：换向器气动执行机构→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。
换向器阀芯的结构，换向器阀芯是处于三高(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。
换向器阀杆的结构，换向器阀杆既承受“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， 是指下换向器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，另一端浮动，不会产生热变形应力，保护套的外表面堆焊 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4Cr14Ni 14W2Mo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。
换向器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3/4“大电磁阀向气缸供气。在气控管路上，还安装两只的快速排 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。
实施例二
参照图1-6，一种性能超高温风道快速换向器的传动系统，与实 施例一基本相同，更优化的在于：
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，克服质及填料函摩擦阻力向前运动，完成换向阀的换向动作。
换向器阀杆组件运动速度的计算，换向器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： 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＝429mm/ 秒。
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)
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)
P′d—弹簧单圈刚度：
Figure BDA0002383393620000061
式中:G—弹簧材料剪切弹性模量，设计取78.5GPa。
计算得到：P′d1＝628N/mmP′d2＝1006N/mm
P′d3＝1533N/mm
(1)单根长弹簧压缩力(抗力)Pk1计算
Pk1＝P′1·h1＝83.7×29.5＝2469(N)＝252(kgf)
(2)单根中弹簧抗力P k2计算
Pk2＝P′2·h2＝154.76×25＝3869(N)＝395(kgf)
(3)单根短弹簧抗力Pk3计算
Pk3＝P′3·h3＝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)
(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) 气缸推力的计算
Figure BDA0002383393620000071
Figure BDA0002383393620000072
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。
代入计算：
Figure BDA0002383393620000081
Figure BDA0002383393620000082
介质作用力的计算
介质最高压力Pmax＝12MPa(设计给定)
介质最低压力Pmin＝0.3MPa(设计给定)
DZ1——上阀座密封面内径为233mm(设计给定)
DZ2——下阀座密封面内径为215mm(设计给定)
dF——下阀杆直径为108mm(设计给定)
(1)上阀座关闭时，介质作用力：
Figure BDA0002383393620000083
Figure BDA0002383393620000084
(2)下阀座关闭时，介质作用力：
Figure RE-GDA0002604249670000091
Figure BDA0002383393620000086
填料函处摩擦力的计算
QT＝Ψ·dT·bT·P
式中：Ψ—填料系数，查表得Ψ＝1.19(阀门设计手册P162)；
dF——下阀杆直经，108mm(设计给定)
bT——填料宽度，20mm(设计给定)
hT——填料高度150mm(设计给定)
代入：
QTmax＝Ψ·dT·bT·Pmax＝1.19×108×20×12＝30845(N)＝3.15(t)
QTmin＝Ψ·dT·bT·Pmin＝1.19×108×20×0.3＝771(N)＝0.79(t)
上阀座开启时总作用力(P上开)分析
(1)上阀座开启时，换向器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-QTmax
＝306543+250351-520220-30845＝5829(N)
结论：能开启
(3)最小工作压力下，上阀座开启时的总作用力。
P上开小＝PT1+P上K总-PJ上min-QTmin
＝306543+250351-13005-771＝543118(N)
结论：能开启
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6
P上关大＝PJ上max+PT2-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
P上关小＝PJ上min+PT2-P上K总-QTmin
＝13005+303717-250351-771＝65600(N)
结论：能关闭
换向器气缸内安装弹簧的作用分析
减振阻尼作用
当换向器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。
帮助换向器气缸开启阀门
当换向器阀门需要开启时，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，气缸容积增大， 阀杆组件的移动速度减慢，阀门关闭时间达不到要求。
保护阀门密封面，提高阀门使用寿命。
当下阀座关闭时，如果没有弹簧，气缸内径将增加到Φ860，下 阀座承受的密封比压将原来的131.4MPa增加到307MPa，远远大于密 封面的许用比压，必然会损坏阀门密封面，降低阀门使用寿命。一般 弹簧在机构中，基本上是单向起作用，而在该系统中，弹簧吸收能量 和释放能量时，都起作用，即双向起作用，所以该系统的设计新颖独 特，计算精确，功能显著。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改 变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种性能超高温风道快速换向器的传动系统，包括换向器阀底座、下阀座、换向阀芯总成、阀体、隔热衬里、上阀座、隔热套管、阀杆总成、阀盖、支架、气动传动总成和手动传动总成，其特征在于，所述换向阀芯总成包括下护板、下隔热层、阀芯下部、外圆防护套、阀杆头部、阀芯上部、上阀芯密封球面、上护板、冷却气管、上隔热层、上阀芯内球面、圆周隔热层、下阀芯内球面和下阀芯密封球面，阀杆总成包括阀杆保护套、阀杆隔热层、阀杆主体、下阀杆顶盖、下螺母、锁紧螺母、对开圆环、上螺母、上阀杆、进气口、出气口、上接触球面和下接触球面，气动传动总成包括上阀杆、缓闭油缸、缓闭油缸活塞、节流阀、下气缸座、活塞、短弹簧、长弹簧、上气缸座；
本换向器阀门的传动链是：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，换向器阀芯的设计为三层两体式结构，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，阀芯外面有两个球形密封面，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，阀杆的设计为四层三体式结构，三体是指上阀杆、下阀杆和阀杆头部。
2.根据权利要求1所述的一种性能超高温风道快速换向器的传动系统，其特征在于，冷却空气从管内进入，流经阀杆头部，再从阀杆主体的内孔，即冷却管外壁排出。
3.根据权利要求1所述的一种性能超高温风道快速换向器的传动系统，其特征在于，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，气缸设计成单缸双作用气缸，气缸的上、下座分别固定五十八根减振储能弹簧，弹簧分长、中、短三组，分级减振阻尼，在气控管路上，还安装两只的快速排气阀，在气缸座的上、下端分别安装八只液动阻尼油缸。
4.根据权利要求1所述的一种性能超高温风道快速换向器的传动系统，其特征在于，所述活塞、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，克服质及填料函摩擦阻力向前运动，完成换向阀的换向动作。
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