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  • 进口真空蝶阀介绍及性能试验
    发布日期:2016-12-6


    1 前言   

        在气体分离领域,对真空变压吸附分离设备的需求正在向大型化发展,与之配套的阀门产品也有了新的要求,阀门的口径增大,性能要求更高。在国外,大型真空变压吸附设备的切换阀,采用大口径蝶阀,其密封副均为球面密封,加工复杂,成本高。而国内配套的阀门使用寿命达不到要求,主要依靠进口。为了提高设备的配套自制能力,针对大型真空变压吸附制氧设备VSAO-900研制出DN500mm PN0.1MPa大口径变压吸附阀。

    2 使用工况

        在真空变压吸附流程中,阀门的使用压力为-73~80kPa,开启气源为0.35MPa,使用温度-40~+100℃,启闭动作时间<3s,切换周期为3min

    3 结构及工作原理

        根据使用工况条件,该阀采用气动杠杆式启闭结构,平面密封,蝶板材料为不锈钢,阀座为填充玻璃纤维的聚四氟乙烯。

    3.1 杠杆式启闭结构

        当蝶阀关闭时,主轴用锥销紧固杠杆,绕O点按逆时针旋转,杠杆用销带动蝶板AB,由压缩弹簧推动蝶板固定在杠杆的支点N上,随主轴杠杆的转动而转动。当蝶板上端B点与阀座接触时(图1),逐渐压缩弹簧,使蝶板密封面与阀体密封面全部接触而达到密封。开启过程正好相反。在启闭过程中,密封面间相对滑动很小,减小相对磨损,在关闭状态为轴向压力密封,保证真空密封度。

    3.2 连杆增力式执行机构

        由于采用杠杆式结构,蝶板的偏心大,阀门在开启或关闭瞬间需要很大的力矩。对于大口径阀门,如果用普通的执行机构,体积较大,结构失调。为此,该阀门采用连杆增力机构。该机构活塞在气源压力的作用下向右移动(图2),活塞杆带动力臂于箱体内滑动,连杆牵动摇杆顺时针转动,输出扭矩。而连杆与摇杆长度相同,均等于箱体槽心至输出轴中心的距离。箱体槽壁承受侧向推力F,分力P牵动摇杆转动。其力的分析为

         

        α=sin-11-sinβ
           
    1

        式中P— 摇杆转动的力,N
        Qs—
    气源压力,
    N
        h—
    连杆(摇杆)尺寸,
    mm
        M
    连杆P点输出扭矩,N•m

        由式(1)可知,β角减小,α角增大,M扭值随之增加。当β=0°α=90°时(蝶阀处于关闭状态),驱动装置输出最大扭矩。对大口径蝶阀来说,这种驱动装置整体结构简单,体积小,成本低,满足蝶阀关闭或开启状态密封力矩大,启闭过程中驱动力矩小的要求,并且蝶阀在关闭状态具有自锁性能,工作安全可靠。

    3.3 平面密封结构

        气动蝶阀密封副一般采用球面密封,密封压力是径向挤压作用力,其密封过盈量不能任意调整,密封性能取决于密封材料和过盈量,因此,设计中选择密封材料及其过盈量就显得十分重要。采用橡胶密封圈时,在工作中,橡胶的线性膨胀系数很大,受温度变化影响,过盈量很难确定。如果过盈量大,不但增加摩擦力,而且易损坏。过盈量小,则出现泄漏。即使过盈量选择合理,由于变压吸附用阀门切换频繁,经过一段时间运行后会因磨损而失效。若采用非橡胶弹性密封材料,由于其弹性变形很小,径向密封过盈量很难控制,制造复杂,成本高。

        由于蝶板的运动机构采用杠杆形式,当蝶板关闭后,蝶板与阀座成为平面接触密封,其后杠杆相当于凸轮机构, 如果主轴继续旋转,蝶板将前移并达到力的平衡,因此除了保证密封可靠性外,还具有自动补偿密封磨损量的特性,从而保证了阀门的使用寿命。

    3.4 密封材料

        该阀启闭频繁,密封要求真空度高,而且空气中含有很多杂质,为了防止腐蚀和磨损,阀瓣采用不锈钢材料, 既满足使用性能要求,又可作为非易损件,降低阀门成本。阀座采用聚四氟乙烯密封材料,它具有极高的耐腐蚀性、不粘性、耐热性、耐磨性和绝缘性,摩擦系数小,其密封透气性比氟橡胶小,加工性能好,成本低。但是聚四氟乙烯的尺寸稳定性差,考虑到各种因素,采用填充玻璃纤维聚四氟乙烯。

    3.5 变形量计算

    根据工程力学,密封圈的压缩变形量为

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    式中Δl—密封圈压缩变形量,mm
    E—
    密封材料的弹性模量,
    MPa
    D—
    密封圈外径,
    mm
    d—
    密封圈内径,
    mm
    Q′—
    作用在密封圈上的力,
    N
    L—
    密封圈厚度,
    mm
    A—
    密封面面积,mm2

    q—密封比压,MPa

        根据密封条件q<qMF<[qMF]计算出变形量,再根据实际情况调整压缩量,使之既能密封,又能保证密封的弹性变形。

    4 试验

    试验条件为

    气源压力 0.35MPa

    动作次数 30000次(要求1.6×105/a

    轴端密封 抽真空<0.1MPa,保压30min,无泄漏

    主密封面 抽真空<0.1MPa,保压30main,无泄漏

    动作启闭时间 2s

      经过试验后,对各个部件进行检查,主密封面无磨损。执行机构的运动部件及阀内运动部件完好, 且整体动作灵活,运行可靠。

    5 结论

        通过性能试验,大口径真空变压吸附阀各项指标均达到要求,满足真空变压吸附设备工艺流程要求。该阀制造简单,价格便宜,也适应普通设备的技术要求,已经供给用户使用。

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