全封闭电动闸阀的结构分析

2013-08-08 祝捷海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室

1、概述

　　应用于船舶和舰艇等回路系统中的阀门，由于受安装空间及其使用条件的限制，要求阀门必须具有结构紧凑、体积小、质量轻、耐倾斜摇摆、抗冲击、工作性能可靠、使用寿命长和便于维修等特点。全封闭电动闸阀是我国自主研发设计的一种零外泄漏、免维护和结构紧凑的电动闸阀。适用于船舶和舰艇等高温高压及有害介质的回路中，作启闭用装置。

2、性能参数

　　公称压力 2810MPa；公称通径 20～65mm；最高工作温度 300℃；最高工作压力 17.2MPa；连接形式焊接；清洁度 A类；承压件设计使用寿命 30a；无故障开关次数 > 2000次。

3、结构分析

3.1、密封结构

　　(1)中法兰密封结构

图1 中法兰垫片密封

　　普通电动闸阀的中法兰通常采用垫片密封结构(图1)。优点是密封可靠，易于加工，需用的螺栓力矩小。缺点是易损坏，需定期更换。

图2 中法兰无垫片硬密封

　　全封闭电动闸阀采用无垫片硬密封结构(图2)。此种密封结构性能可靠，不受温度波动的影响，保证高温高压介质工况下的密封性能，避免了因垫片疲劳或超过寿命期限等引起的介质泄漏，减少污染。缺点是需用的螺栓力矩大，不易加工。

　　(2)阀杆密封结构

图3 阀杆采用填料密封

　　普通电动闸阀阀杆采用填料密封结构(图3)或波纹管与填料双层密封结构。对于填料密封结构，由于电动闸阀的动作原理使阀杆与填料之间有相对运动以及阀内介质压力或温度变化对填料的影响，随着阀门启闭次数的增加，便会从填料处产生泄漏。对于波纹管密封结构，由于闸阀启闭行程长，波纹管如满足行程要求，则需将阀盖加长，整机高度增加，重心上移，不利于阀门在舰船上回路系统中使用。

图4 阀杆采用无填料全封闭密封

　　全封闭电动闸阀阀杆采用无填料密封结构(图4)。整个阀门包括屏蔽电传动装置内均有介质，其外密封为螺栓连接静密封动结构。与阀杆采用填料动密封相比，此结构免填料更换，免维护，不受温度波动及压力变化的影响。

3.2、传动结构

图5 梯形螺纹副

　　普通电动闸阀(图5)通常采用梯形螺纹传递力及力矩，使阀门达到启闭的目的。这种结构简单，易于制造，成本低，承载能力大，并具有自锁能力，介质压力及波动不能任意改变阀门预先设定的启闭位置。缺点是传动摩擦力大，传动效率较低。

图6 滚珠丝杠副

　　全封闭电动闸阀(图6)采用内循环滚珠丝杠副结构。在高温高压介质润滑条件下，可防止介质中的腐蚀性异物进入丝杠副中使阀门运行时出现声音异常现象。滚珠丝杠副由丝杠、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，由于滚珠丝杠副的丝杠与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，减少了摩擦力矩，使传动力矩亦随之减小，可选用功率较小的驱动机构，所以能得到较高的运动效率。通常滚珠丝杠副传动效率是梯形螺纹的3倍。缺点是加工制造复杂，成本高，自锁能力差。

3.3、屏蔽式电传动装置

　　对于船舶和舰艇用阀门，由于其工作环境和工作条件的要求，使阀门电装的重心尽可能靠近中轴，减少由于电装重心偏移在倾斜摇摆冲击条件下对阀门的损坏。

图7 屏蔽式电传动装置

　　全封闭电动闸阀采用屏蔽式电传动装置(图7)。该电装主要由屏蔽式电动机和减速机构两个部分组成，屏蔽式电动机通过转子轴向减速机构提供扭矩，减速机构再将扭矩传递给阀门，以控制阀门的启闭，从而达到操作阀门开关的目的。因所有密封处均为静密封，从而实现了整机无泄漏。屏蔽式电传动装置机座采用整体式结构，屏蔽式电动机和减速机装置通过结构分析设计和力学计算，同置于一个整体机座体内，使整机尺寸减小，可靠性、可维护性更高。

　　在满足输出力矩要求的同时，选取合适的模数参数及传动比。使电装尽可能体积小、质量轻。经过优化设计，解决了阀门在开启、关闭过程中的惯性能量问题，实现了通过电传动装置通电指令信号来准确控制闸阀开关位置的技术难题。可减小电传动装置能量损耗，使效率提高。

4、阀门自重及力矩

　　全封闭电动闸阀整机壳体内均有介质，且为无填料结构。与普通电动闸阀相比，全封闭电动闸阀不受介质作用于滚珠丝杠副(阀杆)上的力以及阀杆与填料之间的摩擦力，而滚珠丝杠副与丝杠螺母之间的摩擦力矩远小于梯形螺纹摩擦力矩。通过分析计算和比较，相同设计参数、闸板结构形式均为楔式的全封闭电动闸阀与普通电动闸阀其整机质量和所需力矩值见表1。数据证明，相同设计参数下全封闭电动闸阀整机质量轻，所需力矩远小于普通电动闸阀的力矩，其屏蔽电传动装置重心偏移小，耐冲击性强，操作灵活，安全可靠。

表1 整机质量和力矩