炼钢转炉用气动蝶阀结构设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)许昌学院电气信息工程学院 作者:胡万强

  阀杆轴心同时偏离蝶片中心及本体中心,且密封副为斜椎的蝶阀称为三偏心蝶阀。三偏心蝶阀因具有无死区设计、双重安全构造、本体阀座构造等特点,广泛应用于介质温度小于425℃的治金、电力、石油化工以及给排水和市政建设等工业管道上,作调节流量和载断流体使用。三偏心蝶阀自问世以来,为满足日益严酷的工况要求,其本身也在经历着自我完善和不断发展的过程。即使最基本的零泄漏,理论上三偏心蝶阀都可以做到,但实际上还是有赖于周密的设计和精密的制造。此次设计的蝶阀即为三偏心蝶阀,采用双作用气缸驱动,主要用于钢铁厂转炉炉气的回收,也可用于化工、电站、石油等行业。

1、三偏心蝶阀主要零件设计

  作者所设计的三偏心蝶阀如图1所示,该阀主要由阀体、阀杆、蝶板、蝶柱、支架、支座等零件组成。此阀的工作原理是:气缸通过阀杆带动蝶板转动,蝶板与阀体密封面吻合,将通道切断,即为关闭;真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为反之,则为开启。

  1.1、阀体结构设计

  阀体是蝶阀中重要零件之一,其质量通常占整个阀体总质量的70%左右。根据转炉炼钢产生一氧化碳、二氧化碳、氮气、氢气、水蒸气、少量的氧气及微量的甲烷等废气这一特点,阀体选用球墨铸铁QT400,它有足够的强度、刚度和耐腐蚀性,可以满足设计要求。

三偏心蝶阀结构图

图1 三偏心蝶阀结构图

  根据参考资料,查得相应的公称压力pg=2.5×105Pa,由公称通径DN=100mm和公称压力即可确定蝶阀的法兰类型为铸铁双法兰连接,查相关文献可得阀体的结构总长为L=150mm,宽度为K=160mm。根据阀门的流通能力和流体的阻力系数要求,确定阀体的流动通道为100mm。

  阀体最小壁厚可根据以下公式计算:

炼钢转炉用气动蝶阀结构设计

  式中:p'为关闭瞬间前后的压力差,p'=317.52Pa。将相关数据代入以上公式,可得T≥12.37mm,圆整后取T=15mm。

  设计的阀体结构图见图2。

阀体结构图

图2 阀体结构图

  1.2、蝶板的设计计算

  (1)蝶板大端直径D的确定

  根据GB/T12238-2008,由公称通径可得出蝶板大端的直径即蝶阀阀座的最小通径D=94mm。

  (2)蝶板中性面长短半径的确定

  蝶板中性面的长半径

炼钢转炉用气动蝶阀结构设计

  短半径

炼钢转炉用气动蝶阀结构设计

  式中:A0为蝶阀阀座最小通径的一半;α为偏心角,根据密封副材料,偏心角取目前阀门制造商广为采用的参数,选α=15°;E为蝶板中性面,取值10mm。将相关数据代入以上公式中,得RA=45.56mm,RB=43.89mm。

  1.3、蝶阀密封比的确定

  由参考文献可得蝶阀密封比的公式为:

炼钢转炉用气动蝶阀结构设计

  式中:pj为计算压力,pj=pg+p';m为比例系数,取值为1;α为外圆半径,取值35mm;c为内圆半径,取1mm;b为密封副接触宽度,取值27.2mm。将以上数据代入公式,得:qh=22.74×105Pa,对于刚性密封面,qh按公式计算出来的值降低25%,即qh=17.05×105Pa。

  1.4、蝶阀的轴向和径向偏心距设计计算

  经过计算,径向偏心距e满足0

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  将相关数据代入上式中,得e<11.16mm,根据实际要求,可取e=8mm。设阀杆直径为d,为了保证蝶阀具有完整、连续的密封表面,则轴向偏心距c还应满足下面公式:

炼钢转炉用气动蝶阀结构设计

  。为了增加阀杆的刚度,阀杆的直径值应取大些,经综合考虑,取c=20mm,代入上式,计算得阀杆直径d=24mm。

2、传动方案的设计及分析

  由于该蝶阀主要用于钢铁转炉,对精度和声音的要求不高,故采用气动驱动方式,气缸采用双作用式普通单气缸。三偏心蝶阀通过阀杆带动蝶板转动,如果蝶板与阀体密封面吻合,将通道切断,即为关闭;反之,则为开启。气动系统见图3所示。

气动系统图

图3 气动系统图

3、结束语

  气动蝶阀主要是由气动执行器和蝶阀组成,气动蝶阀是用随阀杆转动的圆形蝶板做启闭件,以实现启用动作的气动阀门,主要用作截断阀使用。而三偏心蝶阀作为比较高级的一种蝶阀,因其独特的性能在国民生产和生活中得到比较广泛的应用。作者针对钢铁转炉系统设计了一种三偏心蝶阀,并对其主要零件进行了设计计算。

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