機(jī)械密封裝置在壓力調(diào)節(jié)閥上的應(yīng)用

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(hù)裝置，閥出口、入口分別聯(lián)接在泵入口、出口處。正常工作時(shí)，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(shí)，泵出口壓力會(huì)超出泵的出口設(shè)計(jì)壓力，導(dǎo)致泵出入口壓差增大不能正常工作時(shí)，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。
　　
　　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(diǎn)，同時(shí)對(duì)閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)。
　　
　　（1）該閥失效表現(xiàn)為泵無(wú)法正常保壓，泵振動(dòng)往往是閥失效的一個(gè)原因。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，泵運(yùn)行時(shí)泵體如振動(dòng)較大，若振動(dòng)頻率與彈性元件的固有頻率接近，則閥會(huì)出現(xiàn)磨損式疲勞損傷，導(dǎo)致端面失效。
　　
　?。?）原閥端面為楔型端面，雖工作過(guò)程兩端面接觸較好，但端面無(wú)法研磨（無(wú)合適研磨器具進(jìn)行研磨）經(jīng)分析，該裝置為靜止兩端面接觸，工作時(shí)兩端面并無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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。
　　
　?。?）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(wú)法進(jìn)行部分更換，只好整體更換。維修成本太高，加工周期長(zhǎng)，急需改造。
　　
　　三、閥的針對(duì)性改造
　　
　?。?）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(jī)會(huì)減小，萬(wàn)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(tái)上進(jìn)行研磨，零件可修復(fù)再利用。
　　
　?。?）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?jī)蓚€(gè)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(dòng)性，可以更好的同另一端面配合，最可取的一點(diǎn)是閥體密封端面可拆卸，可維修，可更換。
　　
　?。?）原閥體為鑄造件，為大批量生產(chǎn)的最優(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(jì)步驟及參數(shù)選擇
　　
　　1.設(shè)計(jì)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℃。
　　
　?。?）原閥的設(shè)計(jì)理論。
　　
　?。?）力平衡原理。
　　
　?。?）改造閥的可維修性。
　　
　?。?）原閥的結(jié)構(gòu)。
　　
　　2.設(shè)計(jì)程序
　　
　?。?）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。
　　
　?。?）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。
　　
　?。?）調(diào)壓范圍的確定
　　
　　原調(diào)壓范圍定為0.2~0.8MPa，為使整個(gè)閥體安裝過(guò)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(dòng)環(huán)之間最大距離，設(shè)計(jì)時(shí)將范圍底限0.2MPa降至0，這樣并不影響整個(gè)閥的工作，而且組裝閥時(shí)也比較省力。
　　
　　（4）基本結(jié)構(gòu)的確定
　　
　　閥內(nèi)存在兩個(gè)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)。
　　
　　以將該閥設(shè)計(jì)為可拆卸更換端面式為設(shè)計(jì)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(dòng)性，使閥工作時(shí)兩端面間為柔性接觸，密封更可靠。
　　
　　運(yùn)動(dòng)端面靠導(dǎo)向柱導(dǎo)向，導(dǎo)向柱和動(dòng)環(huán)之間用螺紋聯(lián)接，維修時(shí)將導(dǎo)向柱卸下，可以直接研磨端面進(jìn)行修復(fù)。導(dǎo)向柱螺紋尖端做成尖角，旋緊后以尖角鎖緊，防止泵振動(dòng)過(guò)程中將導(dǎo)向柱振松。
　　
　?。?）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(shí)為了使彈簧有更大的使用空間，盡量把端面靠近入口。
　　
　　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(jī)會(huì)減小，又讓端面受壓強(qiáng)不至于太高，端面寬度取b=3mm。
　　
　?。?）端面尺寸
　　
　　確定根據(jù)原閥體外形尺寸大小，新設(shè)計(jì)閥體不能大于原閥體，否則安裝時(shí)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(jì)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。
　　
　　最大彈簧力（閥受壓0.8MPa時(shí)端面應(yīng)受閉合力）：
　　
　　F1=pS=0.8×1017=813.5N
　　
　　式中F1---最大彈簧力，單位為N；
　　
　　p---閥體最大壓力，單位為MPa。
　　
　　即該閥正常工作時(shí)額定壓力調(diào)整范圍為0~813.5N。
　　
　?。?）設(shè)計(jì)彈簧
　　
　　長(zhǎng)度：總長(zhǎng)應(yīng)小于或等于閥內(nèi)彈簧空間才能使安裝時(shí)螺釘聯(lián)接省力，經(jīng)計(jì)算，L≤108mm。
　　
　　最大工作長(zhǎng)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(jì)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(shí)設(shè)定中徑D2=45mm
　　
　?、龠x取材料和許用應(yīng)力
　　
　　屬一類彈簧，材料選用0Cr17Ni14Mo2，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表30.2-4查得τp=324MPa。
　　
　?、谇髲椈射摻z直徑
　　
　　按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》彈簧設(shè)計(jì)用公式（30.2-6）
　　
　　查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》彈簧設(shè)計(jì)用圖30.2-4得C=7.4；
　　
　?、矍笥行?shù)
　　
　　按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》彈簧設(shè)計(jì)用公式30.2-5
　　
　　按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》彈簧設(shè)計(jì)用公式30.2-5
　　
　?、苡?jì)算其余尺寸參數(shù)
　　
　　總?cè)?shù)n1=n+1.5=6
　　
　　最大工作載荷下的變形量
　　
　　壓并載荷及壓并變形量根據(jù)彈簧工作區(qū)應(yīng)在全變形量20%~80%的條件，取f1=0.8fb，則
　　
　　表明f1滿足工作區(qū)的條件。
　　
　　壓并高度Hb=（n1-0.5）d=（6-0.5）×6=33mm
　　
　　自由高度H0=Hb+fb=33+33=66mm
　　
　　節(jié)距
　　
　　螺旋角
　　
　　γ=5.13°，滿足5°~9°的要求，彈簧設(shè)計(jì)完成。
　　
　　4.主要參數(shù)
　　
　　本閥主要工作原理是當(dāng)出入口介質(zhì)壓差與彈簧壓力之合力波動(dòng)時(shí)，由彈簧控制端面間力大小，所以只要控制彈簧力合適，就可使閥正常工作。即只要控制A尺寸大?。ㄒ妶D2）就可控制整個(gè)閥的工作。
　　
　　根據(jù)公式p=FS=Δlks得
　　
　　由此計(jì)算各壓力范圍時(shí)A尺寸大小，如圖3：
　　
　　按照此圖可直接使用本閥。
　　
　　五、改造后的效果
　　
　?。?）因?qū)㈤y密封面由楔形面改成了平面，延長(zhǎng)了運(yùn)行壽命，改造后此閥壽命一般都在10000h以上，大大超出原閥3200h的使用壽命。
　　
　　（2）維修方便，易損件為動(dòng)靜環(huán)端面，如動(dòng)靜環(huán)磨損，可拆下密封環(huán)進(jìn)行研磨，維修周期短，節(jié)約購(gòu)買閥的費(fèi)用。