氣動(dòng)控制截止閥氣缸力計(jì)算 上海申弘閥門有限公司 之前介紹高壓減壓閥，現(xiàn)在介紹氣動(dòng)控制截止閥氣缸力計(jì)算氣動(dòng)控制截止閥一般為全開全閉式。從流量特性考慮，截止閥和球閥具有啟閉行程短，速度快，密封可靠，啟閉靜態(tài)力矩小等特點(diǎn)，因而兩類產(chǎn)品都得到應(yīng)用。但從可靠性考慮，主流產(chǎn)品仍然是氣動(dòng)截止閥。近年來隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展,球面密封結(jié)構(gòu)氣動(dòng)截止閥在航天試驗(yàn)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。航天氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)(以下簡稱試驗(yàn)系統(tǒng))有些部分處于低溫或高壓工作環(huán)境中,操作介質(zhì)主要有液氧、液氮和液氫等低溫介質(zhì)及其他一些易燃有毒介質(zhì)。所以試驗(yàn)系統(tǒng)中截止閥的閥座一般采用不銹鋼或鋁合金等耐低溫材料,而閥瓣一般采用F4、F46、聚酰亞胺或銅合金等材料。由于非金屬密封材料在高壓下工作時(shí)泄漏嚴(yán)重,所以試驗(yàn)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用了金屬密封結(jié)構(gòu)。本文以閥瓣為銅合金球形結(jié)構(gòu),閥座為不銹鋼錐形結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)截止閥為例,介紹氣動(dòng)截止閥氣缸力計(jì)算方法。 氣動(dòng)控制裝置的氣缸為定型產(chǎn)品，依作用方式可分單作用和雙作用兩種。單作用產(chǎn)品帶復(fù)位圓柱彈簧，具有失氣自動(dòng)復(fù)位功能，即失氣時(shí)氣缸活塞（或膜片）在彈簧作用下，驅(qū)動(dòng)氣缸推桿回復(fù)到氣缸初始位置（行程的原始位置）。雙作用氣缸無復(fù)位彈簧，推桿進(jìn)退須依靠變換氣缸氣源的進(jìn)出口位置。氣源從活塞上腔進(jìn)時(shí)，推桿向下運(yùn)動(dòng)。氣源從活塞下腔進(jìn)時(shí)，推桿向上運(yùn)動(dòng)。由于不帶復(fù)位彈簧，雙作用氣缸對比同徑單作用氣缸具有更大的推力，但不具備自動(dòng)復(fù)位功能。顯然不同的進(jìn)氣位置使推桿有不同的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)氣位置在推桿的背腔時(shí)，進(jìn)氣使推桿前進(jìn)，這種方式稱為正作用氣缸。反之進(jìn)氣位置在推桿同側(cè)時(shí)，進(jìn)氣使推桿后退，這種方式稱反作用氣缸。氣動(dòng)截止閥因?yàn)橐话阈枰獗Ｗo(hù)功能，通常選用單作用氣缸。 
一、氣動(dòng)控制截止閥氣缸力計(jì)算氣動(dòng)截止閥的密封原理分析
在氣動(dòng)截止閥中為保證流體的密封性,必須在密封表面間有一個(gè)相互作用的力(圖1),即在密封表面上產(chǎn)生一定的比壓,引起密封面微觀不平度的變形,如果變形是在材料的彈性極限范圍內(nèi),并造成不大的殘余變形,那么接觸面上的比壓大于必須比壓時(shí),即可以保證其密封性。而在球面密封中,球面與錐面在氣缸力作用下,根據(jù)接觸表面的粘著理論,在簡單載荷作用下真實(shí)接觸點(diǎn)上的接觸應(yīng)力足以產(chǎn)生塑性變形,形成小的平面接觸直到接觸面承受全部載荷為止。由于銅合金球面的屈服強(qiáng)度比不銹鋼閥座的屈服強(qiáng)度低,易于發(fā)生塑性變形。所以球面密封的形成過程就是球面和錐面之間相互接觸發(fā)生彈塑性變形的過程,變形材料的塑性流動(dòng)使接觸面上的微觀空隙逐漸填滿,達(dá)到密封效果。
二、氣動(dòng)截止閥的氣缸設(shè)計(jì)
在氣源壓力一定時(shí)氣動(dòng)截止閥的氣缸力主要與氣缸內(nèi)徑有關(guān),氣缸內(nèi)徑主要與閥桿的受力有關(guān)。氣動(dòng)截止閥閥桿軸向受力有介質(zhì)靜壓力QMJ、密封力QMF、摩擦力QT和閥桿自重G等。對閥桿進(jìn)行初期受力分析時(shí),可以忽略摩擦力和自重的影響,待氣缸內(nèi)徑確定后再復(fù)驗(yàn)氣缸力是否能夠克服摩擦力。介質(zhì)靜壓力在截止閥口徑、壓力和密封結(jié)構(gòu)確定的條件下為已知力,密封力需要計(jì)算。在已有資料中,球面密封的線接觸比壓ql只有在工作壓力P≤2.5MPa的情況下才有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可以借鑒,高于該壓力的情況目前沒有可以參考的數(shù)據(jù)。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥從分析可知，當(dāng)閥門保護(hù)方式為失氣打開時(shí)，必須選擇單作用的正作用氣缸。當(dāng)閥門的保護(hù)方式為失氣關(guān)閉時(shí)，必須選擇單作用的反作用氣缸。單作用的正作用氣缸在閥門關(guān)閉時(shí)必須維持持久的穩(wěn)定氣源壓力，對氣源的穩(wěn)定性和持久性要求較高常閉閥盡可能地避免選擇這種設(shè)計(jì)，此結(jié)構(gòu)適用于常開閥。單作用的反作用氣缸適用于常閉閥，但對于彈簧的要求較高，應(yīng)具有穩(wěn)定持久的彈力。
(1) 彈性閘板和閥座密封可靠，零滲漏。且彈性閥座流阻小，水頭損失少。 (2) 氣動(dòng)- 手動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)裝在氣缸蓋的上部，在閘閥開啟和關(guān)閉過程的任何位置上，都可十分方便地轉(zhuǎn)動(dòng)操作手柄，直接地進(jìn)行由氣動(dòng)至手動(dòng)或由手動(dòng)至氣動(dòng)的操作方式轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換操作手柄采用定位銷式自鎖設(shè)計(jì)，定位可靠。電磁閥及其控制電路或供風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不需其他輔助工具，即可迅速轉(zhuǎn)換成手動(dòng)操作狀態(tài)，保證線路正常運(yùn)行，避免事故發(fā)生。在新建工程的自控系統(tǒng)未完成之前，本系列閘閥可以作為手動(dòng)閘閥使用，操作時(shí)靈活輕快。 (3) 關(guān)閥時(shí)間可調(diào)，通過調(diào)整安裝在隔板上的緩沖機(jī)構(gòu)，還可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整閘閥關(guān)閉的時(shí)間。 (4) 可以配用電的或氣的回訊器，用以發(fā)送閥門開關(guān)狀態(tài)信息( 其中防爆行程開關(guān)有國產(chǎn)和進(jìn)口兩種) 。因此，使用本閥可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制和自動(dòng)控制。 (5) 的氣缸選用無縫鋼管制造，內(nèi)表面鍍鉻，并經(jīng)拋光處理，具有摩擦力小、不易銹蝕、高硬度和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 (6) 氣缸中的密封圈采用耐油橡膠O 形圈，密封性能可靠，維修時(shí)更換方便。 
氣缸推力計(jì)算 除了作用方式的選擇，計(jì)算所選氣缸推力是計(jì)的重要工作，以常見的常閉式氣動(dòng)截止閥（圖2）為例分析。因壓力較高，為盡可能選擇較小的氣缸，采用了上進(jìn)流（倒流）的閥門設(shè)計(jì)方式。為提高密封比壓，采用了錐形密封面。 1．氣動(dòng)截止閥氣缸的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
由于球體與平面接觸時(shí),在接觸應(yīng)力的作用下發(fā)生彈塑性變形,球體上會出現(xiàn)一個(gè)小的錐形帶狀密封面。假定密封寬度為b,可以確定必須密封比壓qMF和氣缸直徑。根據(jù)確定的氣缸直徑驗(yàn)算密封面的實(shí)際比壓q是否大于必須密封比壓qMF且小于許用比壓〔q〕,氣缸力是否能夠克服閥桿摩擦力,如果不能滿足要求,重新假定b值直到滿足要求為止。舉例,工作壓力P=10MPa,截止閥公稱直徑D=65mm,密封面直徑DP=71.48mm,錐半角α=15°,氣缸操縱氣壓力Pg=5MPa,球體材料為H62(屈服強(qiáng)度σsT=160MPa,許用比壓〔q）=80MPa),閥體材料為0Cr18Ni9(屈服強(qiáng)度σsG=205MPa),法蘭式截止閥氣缸內(nèi)徑<115mm,介質(zhì)從閥瓣下方流入。假定密封面寬度b=3mm,計(jì)算qMF、QMJ和QMF。 
氣動(dòng)截止閥傳統(tǒng)氣缸的氣缸力設(shè)計(jì)方法
式中：qMF———密封面上的必需比壓,MPa
C———與密封面材料有關(guān)的系數(shù)(C=3)
K———介質(zhì)壓力對比壓值的影響系數(shù)(K=1)
P———工作壓力(P=10),MPa
b———密封面寬度(b=0.3),cm
QMJ———介質(zhì)靜壓力,N
Dp———密封面中徑(Dp=71.48),mm
QMF———密封面上密封力,N
α———錐半角,(°)
fm———密封面摩擦系數(shù)(fm=0.2)
將數(shù)值帶入式得到qMF=23.7MPa,QMJ=40109N,QMF=7213N。在忽略摩擦力的情況下得到閥桿軸向力QMZ=QMJ+QMF=47322N。閥桿軸向力即為氣缸力F。
F=0.785D2P(4)
式中：F———氣缸力,N
D———氣缸內(nèi)徑,mm
Pg———氣缸操縱氣壓力(Pg=5),MPa
將數(shù)值代入式(4),得D=109mm。取D=115mm。依該直徑對密封面比壓進(jìn)行校核,取摩擦力QT=3000N。
氣動(dòng)截止閥密封比計(jì)算方法示意圖
由計(jì)算結(jié)果知道,假定密封面寬度b=3mm時(shí),滿足qMF<q<[q]的要求。實(shí)際測量2臺已經(jīng)使用的手動(dòng)截止閥,其密封面寬度分別為2.4mm與2.6mm,與計(jì)算結(jié)果接近,證明該計(jì)算方法具有一定的科學(xué)性。
2．氣動(dòng)截止閥的彈塑性分析
由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)之初對于假定密封面沒有依據(jù),只能是隨意假定后經(jīng)過試差取得滿意的結(jié)果,這樣計(jì)算試差的次數(shù)比較多也比較繁瑣。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的簡化和使得密封面的假定更有理論依據(jù)少走彎路,筆者進(jìn)行了研究并通過大量的數(shù)學(xué)計(jì)算,在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了假設(shè)。既然普遍認(rèn)為在球形密封結(jié)構(gòu)中的球體在接觸應(yīng)力的作用下發(fā)生了彈塑性變形,也正是球體的彈塑性變形實(shí)現(xiàn)密封性能。那么截止閥空載時(shí)在氣缸力的作用下(即管道沒有介質(zhì),截止閥為常閉狀態(tài)時(shí)),密封面上的應(yīng)力就不應(yīng)該大于材料的屈服極限,如果大于屈服極限,塑性變形勢必會繼續(xù)加大,直到密封面的應(yīng)力等于或小于屈服極限。以此理論為依據(jù)對截止閥受力進(jìn)行分析。首先是根據(jù)介質(zhì)靜壓力QMJ估算氣缸直徑并圓整,再根據(jù)氣缸直徑計(jì)算密封面寬度b,根據(jù)密封面寬度b計(jì)算必須比壓qMF,確定實(shí)際比壓q。如果實(shí)際比壓q不能滿足qMF<q<〔q〕的要求,則對氣缸重新假設(shè),重復(fù)以上計(jì)算過程直到滿足要求為止。舉例,由傳統(tǒng)計(jì)算方法知介質(zhì)靜壓力QMJ=40109N,F=QMJ,計(jì)算氣缸內(nèi)徑D=101mm,取D=115mm進(jìn)行試算(試差過程省略)。
氣動(dòng)截止閥彈塑性分析法示意圖
計(jì)算結(jié)果滿足qMF<q<[q]的要求,密封面寬度3.19mm與實(shí)際測量值2.4mm和2.6mm的誤差分別為25%和18.5%。筆者認(rèn)為造成該結(jié)果的原因應(yīng)該主要是材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定H62的屈服強(qiáng)度為zui低要求,而實(shí)際材料均高于該值要求。以工作壓力P=20MPa,密封面直徑DP=73.36mm,錐半角α=30°,氣缸內(nèi)徑<=180mm,其他條件相同的氣動(dòng)氣動(dòng)截止閥為例進(jìn)行計(jì)算(計(jì)算過程先忽略所有摩擦力)。介質(zhì)靜壓力QMJ=84492N,F=QMJ,計(jì)算氣缸內(nèi)徑D=147mm,取D=180mm,QT=6000N,試差過程省略。則F=127170N,b=5.16mm,qMF=32.0MPa,q=45.8MPa,計(jì)算結(jié)果滿足qMF<q<[q]的要求。
在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和彈塑性分析方法中均沒有考慮氣缸效率,所以相應(yīng)對截止閥加工精度要求較高,并且在氣缸與活塞之間涂抹了潤滑油,實(shí)際摩擦力很小。現(xiàn)在在設(shè)計(jì)該類截止閥時(shí)均引入了氣缸效率η,這樣使得截止閥氣缸內(nèi)徑增大,設(shè)計(jì)完成以后需要校核不考慮氣缸效率時(shí)在工作狀態(tài)密封面的實(shí)際比壓,使之小于材料的許用比壓。
三、編后語
設(shè)計(jì)過程中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法直接假定密封面寬度進(jìn)行氣缸設(shè)計(jì),而彈塑性分析法以粘著理論為依據(jù)認(rèn)為球體發(fā)生了彈塑性變形,也正是球體的彈塑性變形實(shí)現(xiàn)了密封性能,所以彈塑性分析法是實(shí)際計(jì)算密封面寬度。與本文相關(guān)的論文：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的開關(guān)量控制
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