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技術(shù)文章

機械密封裝置在壓力調(diào)節(jié)閥上的應(yīng)用

一、簡介

壓力調(diào)節(jié)閥門是裝在泵出口處的壓力調(diào)節(jié)裝置，是使泵正常工作的保護裝置，閥出口、入口分別聯(lián)接在泵入口、出口處。正常工作時，泵出入口壓差一定，閥關(guān)閉。當(dāng)泵出口管線堵塞或其他原因造成出口管路系統(tǒng)壓力升高時，泵出口壓力會超出泵的出口設(shè)計壓力，導(dǎo)致泵出入口壓差增大不能正常工作時，閥打開，使泵出口介質(zhì)返回入口，降低泵出口壓力，將壓差控制在允許范圍內(nèi)，保證泵的正常工作。

閥改造前工作示意圖如圖1所示，K面為閥工作面，靠調(diào)節(jié)A處大小調(diào)整彈簧壓力，正常工作時入口側(cè)壓力與彈簧力之和等于出口壓力。當(dāng)入口處壓力大于彈簧力和出口壓力之和時K面打開，介質(zhì)通過K面流入出口端，平衡兩側(cè)壓差。

二、調(diào)節(jié)閥失效原因分析

原閥因結(jié)構(gòu)上的缺陷，使用周期較短，分析其失效原因主要有以下幾點，同時對閥結(jié)構(gòu)進行了針對性的設(shè)計。

   （1）該閥失效表現(xiàn)為泵無法正常保壓，泵振動往往是閥失效的一個原因。經(jīng)現(xiàn)場觀察，泵運行時泵體如振動較大，若振動頻率與彈性元件的固有頻率接近，則閥會出現(xiàn)磨損式疲勞損傷，導(dǎo)致端面失效。
   （2）原閥端面為楔型端面，雖工作過程兩端面接觸較好，但端面無法研磨（無合適研磨器具進行研磨）經(jīng)分析，該裝置為靜止兩端面接觸，工作時兩端面并無相對運動，只需端面貼和好，保證平面度，就可以正常工作。故可將楔型端面改為可研磨的平端面。
   （3）經(jīng)分析為端面處失效，拆開后發(fā)現(xiàn)端面有傷痕，是泵內(nèi)雜質(zhì)在端面處壓傷端面。因原閥為整體閥，端面與閥體鑄造在一起，無法進行部分更換，只好整體更換。維修成本太高，加工周期長，急需改造。

三、閥的針對性改造

   （1）將原楔型端面改為平端面，兩端面間接觸面積盡量減小，使雜質(zhì)壓在端面間的機會減小，萬一雜質(zhì)夾到端面間壓傷端面，可將端面卸下在一般密封研磨臺上進行研磨，零件可修復(fù)再利用。
   （2）原閥體為整體閥，閥內(nèi)端面在閥中部靠后，維修極不方便，現(xiàn)改為閥體兩分式，將閥體端面夾在兩部分閥體中間，靠兩個密封圈與閥體連接，既保證了端面的防抽空，又使端面有一定的浮動性，可以更好的同另一端面配合，*可取的一點是閥體密封端面可拆卸，可維修，可更換。
   （3）原閥體為鑄造件，為大批量生產(chǎn)的*優(yōu)化生產(chǎn)方案，而小批量生產(chǎn)，鑄造成本非常高，為降低成本，將原鑄造件改為焊接件，降低成本。

四、閥設(shè)計步驟及參數(shù)選擇

1. 設(shè)計依據(jù)

   （1）工況條件以公稱直徑為DN50mm的調(diào)節(jié)閥為例，額定調(diào)壓范圍0.2~0.8MPa，溫度：40℃。
    （2）原閥的設(shè)計理論。
    （3）力平衡原理。
    （4）改造閥的可維修性。
    （5）原閥的結(jié)構(gòu)。

2. 設(shè)計程序

    （1）根據(jù)該閥的工作原理及安裝方式，新改造的閥外形及工作原理同以前相似。
    （2）根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)，合理選用閥體材質(zhì)，選用該材質(zhì)完全能滿足該閥的使用要求。
    （3）調(diào)壓范圍的確定

原調(diào)壓范圍定為0.2~0.8MPa，為使整個閥體安裝過程中彈簧力不影響安裝，即彈簧自由狀態(tài)小于彈簧座與動環(huán)之間*大距離，設(shè)計時將范圍底限0.2MPa降至0，這樣并不影響整個閥的工作，而且組裝閥時也比較省力。

（4）基本結(jié)構(gòu)的確定

閥內(nèi)存在兩個端面，閥本身有出口和入口接在泵上，閥本身使端面貼合的力由彈簧提供，彈簧力的調(diào)節(jié)由調(diào)整螺栓調(diào)節(jié)，如圖2。

以將該閥設(shè)計為可拆卸更換端面式為設(shè)計思路，將原整體閥改為兩部分，用螺栓聯(lián)接在一起，以定位銷定位，保證出入口兩法蘭平面度，閥兩部分結(jié)合處安裝閥內(nèi)端面，端面與閥體間安裝密封圈（材質(zhì)聚四氟乙烯），既可防止入口壓力高將端面壓出，又增加了端面的浮動性，使閥工作時兩端面間為柔性接觸，密封更可靠。

運動端面靠導(dǎo)向柱導(dǎo)向，導(dǎo)向柱和動環(huán)之間用螺紋聯(lián)接，維修時將導(dǎo)向柱卸下，可以直接研磨端面進行修復(fù)。導(dǎo)向柱螺紋**做成尖角，旋緊后以尖角鎖緊，防止泵振動過程中將導(dǎo)向柱振松。

（5）端面位置的確定

因本閥出入口位置已確定，法蘭位置一定要在兩口之間，才能保證端面在兩口之間，為使螺栓聯(lián)接方便，盡量把法蘭設(shè)在兩口中間，同時為了使彈簧有更大的使用空間，盡量把端面靠近入口，如圖2。

3.主要結(jié)構(gòu)的幾何尺寸確定及技術(shù)要求

（1）端面寬度

為使兩端面間接觸面積盡量減小，使雜質(zhì)壓在端面間的機會減小，又讓端面受壓強不至于太高，端面寬度取b=3mm。

（2）端面尺寸

確定根據(jù)原閥體外形尺寸大小，新設(shè)計閥體不能大于原閥體，否則安裝時可能和泵外接管線干涉，去掉閥體壁厚及法蘭空間，端面尺寸基本確定在φ58.5mm以內(nèi)。為減少介質(zhì)在端面附近沉積，端面附近設(shè)計成大倒角尺寸以減少介質(zhì)沉積，初步確定尺寸為φ36mm×φ30mm。

（3）確定閥調(diào)壓范圍內(nèi)壓力調(diào)節(jié)范圍

端面受壓面積：

式中S--端面面積，單位為mm²；
R--端面半徑，單位為mm。

*大彈簧力（閥受壓0.8MPa時端面應(yīng)受閉合力）：

F₁=pS=0.8×1017=813.5N

式中F₁---*大彈簧力，單位為N；
p ---閥體*大壓力，單位為MPa。

即該閥正常工作時額定壓力調(diào)整范圍為0~813.5N。

（4）設(shè)計彈簧

   長度：總長應(yīng)小于或等于閥內(nèi)彈簧空間才能使安裝時螺釘聯(lián)接省力，經(jīng)計算，L≤108mm。
    *大工作長度：f應(yīng)小于閥帽內(nèi)空間（去除兩端螺釘頭和螺母），經(jīng)計算，f≤33mm。
    外徑：整根彈簧應(yīng)能裝在閥體內(nèi)，所以φ外<φ58.5，暫時設(shè)定中徑D₂=45mm

①選取材料和許用應(yīng)力

屬一類彈簧，材料選用0Cr17Ni14Mo2，由《機械設(shè)計手冊》表30.2-4查得τ_p=324MPa。

②求彈簧鋼絲直徑

按《機械設(shè)計手冊》彈簧設(shè)計用公式（30.2-6）