引言

閥門是流體管道的控制裝置，其基本功能是連接或切斷管道介質(zhì)的循環(huán)，改變介質(zhì)的流向，保護(hù)管道設(shè)備的正常運(yùn)行。合理選擇閥門，安裝在正確的位置，是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行和維護(hù)管理的重要保證。

某種設(shè)備的生活廢物處理系統(tǒng)應(yīng)配備一個(gè)閥門，用于控制破碎后生活廢物的排放。閥門的工作介質(zhì)是海水和食品廢物（顆粒大?。?~5mm）、空氣混合物。工作壓力為3.5MPa，閥門通徑為50mm，閥門的使用壽命不得小于30萬次。由于原系統(tǒng)中使用的金屬硬密封氣動(dòng)蝶閥經(jīng)常出現(xiàn)密封松散、維護(hù)困難等問題，極大地影響了設(shè)備的正常使用。因此，選擇一個(gè)符合系統(tǒng)功能要求、可靠性高、維護(hù)良好的閥門部件來取代原蝶閥尤為重要。

1 閥門選型

1.1 閥門選擇原則

在選擇閥門時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

（1）安全可靠原則。確保閥門安全可靠、技術(shù)成熟、價(jià)格合理；

(2)性能優(yōu)先原則。優(yōu)先選用性能先進(jìn)、使用壽命長、密封性能好、開啟靈活、開啟合理的閥門；

(3)結(jié)構(gòu)緊湊的原則。在相同的性能條件下，體積小、重量輕的閥門優(yōu)先；

(4)維護(hù)方便的原則。優(yōu)先選用可靠性好、維護(hù)簡單、維護(hù)簡單的閥門；

(5)防腐優(yōu)先原則。同等性能條件下，防腐性能好、自潔能力強(qiáng)的閥門優(yōu)先。

1.2 比較各種閥門的性能特性

根據(jù)生活廢物處理系統(tǒng)的使用要求，閥門的選擇應(yīng)首先具有與蝶閥相同的控制功能，主要包括截止閥、閘閥、旋塞閥、球閥、隔膜閥、蝶閥等。其次，還應(yīng)滿足使用介質(zhì)、工作壓力和直徑的要求。從船舶標(biāo)志和國內(nèi)外市場的工業(yè)產(chǎn)品來看，只有截止閥、閘閥、球閥和蝶閥才能滿足系統(tǒng)的工作壓力和直徑要求。為了選擇滿足使用要求和最佳技術(shù)性能的閥門，表1分別比較了每個(gè)閥門的特性。

表1 閥門特性對比分析表

從閥門特點(diǎn)的對比分析發(fā)現(xiàn)，球閥具有流體阻力小、體積小、重量輕、密封性能好、維修方便等特點(diǎn)，可作為該系統(tǒng)首選方案。

1.3 球閥選型

1）選型方案

根據(jù)市場調(diào)研，選擇氣動(dòng)軟密封球閥作為系統(tǒng)球閥的首選方案，綜合考慮使用介質(zhì)、使用壓力、使用壽命，特別是維護(hù)質(zhì)量。

2)組成和工作原理

氣動(dòng)球閥主要由球閥、雙作用氣缸、電磁換向閥、限位開關(guān)等組成，其中球閥由左閥體、右閥體、球體、密封座、墊片等組成。

圖1 氣動(dòng)球閥外觀圖和局部視圖

圖2 球閥組成示意圖

工作原理：工作時(shí)，打開電源，換向電磁閥，將壓縮空氣送至氣缸開啟閥腔，推動(dòng)活塞桿，打開球閥。球閥全開位置設(shè)有限位開關(guān)。當(dāng)活塞桿伸出到位時(shí)，限位開關(guān)動(dòng)作。限位開關(guān)指示面板上的指針指向100%開啟閥位置，表示閥門已完全打開。相反，關(guān)閉閥門時(shí)，斷開電源。電磁閥由彈簧復(fù)位，壓縮空氣反向推動(dòng)氣缸并關(guān)閉閥門。同時(shí)，活塞桿收縮到位后，限位開關(guān)動(dòng)作控制箱面板上的關(guān)閥指示燈亮，限位開關(guān)指示面板上的指針指向100%關(guān)閥位置，表示閥門已關(guān)閉。

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3)主要部件受力分析

氣動(dòng)球閥的主要受力部件是閥座，由左閥體和右閥體組成，由316不銹鋼制成（ASTMA351型CF8M），其屈服強(qiáng)度σ_0.2為205MPa，為分析其強(qiáng)度和變形是否符合要求，對其進(jìn)行有限元計(jì)算分析，建立三維模型和有限元模型(圖3)，在閥座內(nèi)腔施加壓力5.25MPa（1.5倍工作壓力)，分析其應(yīng)力和應(yīng)變，見圖4、圖5。

圖3 閥座三維模型和有限元模型

圖4 閥座應(yīng)與云圖4相匹配

圖5 閥座變形云圖

閥座從應(yīng)力和應(yīng)變云圖中應(yīng)用5.25MPa內(nèi)壓最大應(yīng)力為56.12MPa，屈服強(qiáng)度小于205MPa，最大變形量為0.0203mm，在使用材料的彈性變形范圍內(nèi)。

4）密封分析

球閥選型的關(guān)鍵技術(shù)在于密封副的選擇。氣動(dòng)球閥球體和閥座的材料為316L，密封座采用Peek(聚醚酮)制造，Peek與316匹配，親和力好，耐磨、自潔、使用壽命好。

對球閥密封性能的分析主要是評估球閥密封副的接觸狀態(tài)和接觸應(yīng)力（比壓力）。為了分析球閥的密封性能，對球閥密封副的初始組裝進(jìn)行有限元分析，建立了簡化的2D軸對稱幾何模型(圖6)和有限元模型(圖7)，殼體和球體材料為鋼材，密封座材料為人造橡膠，材料參數(shù)為初始剪切模量Mu為0.1MPa，不可壓縮參數(shù)D1為0.15MPa^-1。密封座與球體、密封座與殼體的接觸類型為：摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.1。

圖6 球閥密封副2D軸對稱幾何模型

圖7 球閥密封副2D軸對稱有限元模型

圖8 球體Y兩個(gè)載荷步的位移載荷方向

基于已建立的有限元模型，假設(shè)圖7中上方的外殼固定，密封座的預(yù)壓縮量不大于5%，先對球施加Y 方向的位移0.4 mm(如圖8所示)，然后施加下殼Y方向的位移1.1mm(如圖9所示) 。

圖9 下殼Y兩個(gè)載荷步的位移載荷方向

經(jīng)過上述4個(gè)載荷步和多次迭代（如圖10所示）后，結(jié)果收斂。

圖10 FEA收斂過程圖計(jì)算結(jié)果

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評估密封座的接觸狀態(tài)（如圖11所示）。從圖中可以看出，下密封座與球體和殼體滑動(dòng)（Sliding），除了球體和殼體之外，上面的密封座還會(huì)滑動(dòng)（Sliding），它還與殼體粘連（Sticking）。然后觀察密封座的穿透情況。如圖12所示，密封座與閥體和球體之間的大部分間隙為0。只有密封座與閥體接觸處變形較大的區(qū)域會(huì)有較小的間隙，最大間隙為0.00119mm，密封性能不受影響。

圖11 球閥密封座的接觸狀態(tài)

圖12 球閥密封座的穿透狀態(tài)

對密封座接觸副的接觸應(yīng)力進(jìn)行評圖13和圖14所示。

圖13 球閥密封座接觸壓應(yīng)力分布云圖

圖14 球閥密封座的接觸壓應(yīng)力相對于載荷步的曲線圖

從上圖13可以看出，密封座與球體的接觸產(chǎn)生了密封座唇部最大接觸應(yīng)力0.115MPa，滿足密封要求。

5）試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證氣動(dòng)球閥的性能參數(shù)，對氣動(dòng)球閥原型機(jī)進(jìn)行了機(jī)架試驗(yàn)，主要包括：濕氣密性試驗(yàn)、濕水密性試驗(yàn)、干氣密性試驗(yàn)、干水密性試驗(yàn)和長期開關(guān)試驗(yàn)。

圖15 試驗(yàn)臺(tái)架原理圖

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表2 氣動(dòng)球閥啟閉試驗(yàn)記錄表

氣動(dòng)球閥密封試驗(yàn)記錄表3

試驗(yàn)結(jié)論：氣動(dòng)球閥在啟閉試驗(yàn)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，工作可靠，無卡滯。在緊密性試驗(yàn)中，氣動(dòng)球閥啟閉試驗(yàn)前的緊密性試驗(yàn)為水壓4.8MPa下保壓10min無泄漏、濕緊密性試驗(yàn)和干緊密性試驗(yàn).8MPa下保壓10min無泄漏，氣壓0.6MPa下保壓10min無外漏。

2結(jié)論

新型氣動(dòng)球閥具有良好的防腐性能和自清潔性能，可靠性高，維護(hù)良好，有效解決了原系統(tǒng)閥部件可靠性低、維護(hù)困難等問題，提高了生活廢物處理系統(tǒng)的性能。