朱中亮

（云南錫業(yè)股份有限公司冶煉分公司，云南個(gè)舊 661000）

一種升降式閥門裝置的設(shè)計(jì)

朱中亮

（云南錫業(yè)股份有限公司冶煉分公司，云南個(gè)舊 661000）

一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作、維修方便，適用于冶金爐窯煙氣流量控制的升降式閥門裝置。裝置的主要結(jié)構(gòu)組成和工作原理，對(duì)渦輪提升機(jī)中蝸桿的自鎖性、穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

冶金爐窯；升降式閥門；渦輪提升機(jī)；腐蝕；螺旋傳動(dòng)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.36

0 前言

云南錫業(yè)股份有限公司冶煉分公司冶金爐窯出口煙氣通過(guò)煙氣經(jīng)收塵系統(tǒng)和尾氣塔預(yù)洗滌后，最終到達(dá)制酸系統(tǒng)被吸收轉(zhuǎn)化，冶金爐窯出口以及引風(fēng)機(jī)前后通過(guò)安裝鐘罩閥來(lái)控制煙氣的流量。因?yàn)樵弦约吧a(chǎn)工藝等原因，沸騰爐及煙化爐出口煙氣中含有大量SO2氣體，除此之外，煙氣中還含有水分以及F-和Cl-。現(xiàn)有的鐘罩閥閥芯以及跟閥芯接觸的閥座雖然都采用316L不銹鋼材料制作，但在使用過(guò)程中并不能防止腐蝕。閥芯和閥座的接觸面被腐蝕后，密封性大大降低，閥門關(guān)閉不嚴(yán)，會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)和串氣等問(wèn)題。針對(duì)于此，專門設(shè)計(jì)一套升降式閥門裝置替代現(xiàn)有的鐘罩閥。

1 閥門裝置的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)構(gòu)成

1.1 功能需求

為保證環(huán)保和工藝生產(chǎn)需求，要設(shè)計(jì)的閥門裝置必須滿足3個(gè)功能：①具備良好的密封性，能有效控制煙氣的流量；②閥芯和閥座的接觸面具有抗腐蝕的能力；③通過(guò)電氣開(kāi)關(guān)能準(zhǔn)確控制閥門的關(guān)閉和開(kāi)啟的高度。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

升降式閥門裝置主要由電機(jī)、渦輪提升機(jī)、閥桿、觸頭、限位器支架、閥體、閥芯等部分組成（圖1）。

圖1 升降式閥門結(jié)構(gòu)

電機(jī)和渦輪提升機(jī)之間通過(guò)三角皮帶連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。渦輪提升機(jī)安裝在閥體上蓋以槽鋼為主體的機(jī)架上。在渦輪提升機(jī)底部與閥體上蓋之間裝有橡膠密封塊，如圖2所示。閥桿主體部分為螺桿，穿過(guò)密封塊的螺紋孔以及閥體上蓋，與閥芯相連。密封塊厚度略大于槽鋼安裝的高度，渦輪提升機(jī)地腳螺栓在調(diào)緊的過(guò)程中，可以減小閥桿螺紋與密封塊孔螺紋之間的間隙，起到一定密封的作用。

觸頭通過(guò)螺栓固定在閥桿頂部，閥芯安裝在閥桿底部，觸頭、閥桿、閥芯組成一個(gè)整體，在升降過(guò)程中，通過(guò)觸頭與限位器支架上的限位開(kāi)關(guān)接觸，實(shí)現(xiàn)閥門的開(kāi)關(guān)。

閥芯頂面左右對(duì)稱位置安裝2塊矩形板，矩形板端頭開(kāi)槽，在閥體內(nèi)部的相應(yīng)位置垂直固定兩塊角鋼，角鋼的一面焊接在閥體內(nèi)表面，角鋼另一面嵌入矩形板槽口內(nèi)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有2個(gè)作用：①導(dǎo)向。使閥芯在閥體內(nèi)能平穩(wěn)地上下移動(dòng)，閥芯下端面最終能準(zhǔn)確與閥體內(nèi)部的閥座接觸。②固定。防止閥芯在升降過(guò)程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

閥芯底面裝有一塊環(huán)形密封墊，如圖3所示。因?yàn)闊煔鉁囟仍?20℃左右，同時(shí)又有稀硫酸（SO2與H2O混合產(chǎn)生）的腐蝕，該密封墊選用氟橡膠制作。閥門關(guān)閉時(shí)，閥芯與閥座之間通過(guò)環(huán)形密封墊的擠壓可以達(dá)到良好的密封效果。整套裝置與煙氣直接接觸部分（主要指閥體內(nèi)壁以及閥芯表面）均外襯防腐材料。

2 工作原理

閥體的底部法蘭與進(jìn)口煙氣管道連接，側(cè)面法蘭與出口煙氣管道連接。閥桿主體部分的螺桿與渦輪提升機(jī)中渦輪的內(nèi)部螺紋孔組成滑動(dòng)螺旋副，如圖4所示，渦輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁輻U的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，即閥芯連同閥桿的升降通過(guò)螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

（1）閥門開(kāi)啟過(guò)程。電機(jī)得到上升的動(dòng)作信號(hào)，通過(guò)三角皮帶帶動(dòng)渦輪提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使閥桿連同閥芯向上移動(dòng)，使閥芯與閥座產(chǎn)生距離，閥體的進(jìn)口端和出口端連通，當(dāng)閥桿頂部的觸頭與限位器支架上端限位開(kāi)關(guān)接觸，自動(dòng)關(guān)閉動(dòng)作信號(hào)，閥桿停止上升。

圖2 閥芯頂面局部結(jié)構(gòu)

圖3 閥芯底面局部結(jié)構(gòu)

圖4 滑動(dòng)螺旋副局部結(jié)構(gòu)

（2）閥門關(guān)閉過(guò)程。電機(jī)得到下降動(dòng)作信號(hào)，通過(guò)三角皮帶帶動(dòng)渦輪提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使閥桿連同閥芯向下移動(dòng)，當(dāng)閥桿頂部的觸頭與限位器支架下端限位開(kāi)關(guān)接觸，閥芯底面的環(huán)形密封墊與閥座接觸并產(chǎn)生一定擠壓，將進(jìn)口端和出口端的煙氣截?cái)唷?/p>

3 螺旋傳動(dòng)自鎖性及穩(wěn)定性校核

雖然渦輪提升機(jī)中的蝸桿傳動(dòng)已經(jīng)具備自鎖功能，但從設(shè)備安全以及穩(wěn)定性方面考慮，需再對(duì)螺桿（即閥桿的主體部分）的自鎖性進(jìn)行校核。同時(shí)，螺桿的長(zhǎng)徑比較大，也需對(duì)它的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

3.1 螺桿自鎖性的計(jì)算

螺桿選用梯形螺紋Tr55×9，是單線螺紋，螺紋升角ψ的計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中 n——螺紋的螺旋線數(shù)目，取值1

P———螺距，取值 9

d2——螺紋中徑，取值 50.5mm

π—圓周率，取值3.14

式（1）帶入數(shù)據(jù)求得 ψ=3.25。

當(dāng)量摩擦角的計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中 f——摩擦因數(shù)，螺桿的材料為304不銹鋼，螺母的材料

為青銅，摩擦因數(shù)取值0.08

β——牙側(cè)角。牙側(cè)角β=α/2，其中α為牙形角，按照標(biāo)

準(zhǔn)，梯形螺紋的牙形角為30°，故β=15°

式（2）帶入數(shù)據(jù)求得 φV=4.73°。

因ψ＜φV，螺旋副滿足自鎖條件。

3.2 螺桿穩(wěn)定性的計(jì)算

對(duì)于長(zhǎng)徑比大的受壓螺桿，當(dāng)軸向壓力大于某一臨界值時(shí)，螺桿就會(huì)突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失穩(wěn)定性。螺桿的穩(wěn)定性條件見(jiàn)式（3）。

式中 Ssc——螺桿穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù)

Ss———螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，裝置為傳力螺旋，取值（3.5～5）

Fcr———螺桿的臨界載荷，N

F——螺桿所受的軸向壓力，主要來(lái)自于螺桿以及閥芯的重力，取值1250 N

臨界載荷Fcr可按歐拉公式（公式4）計(jì)算。

式中 E——螺桿材料的抗壓彈性模量

I——螺桿危險(xiǎn)截面的慣性矩，取值201 186.91mm4

μ——螺桿的長(zhǎng)度系數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)取值0.6

l——螺桿的工作長(zhǎng)度，當(dāng)閥芯正好與閥座接觸時(shí)，螺桿

工作長(zhǎng)度最大，根據(jù)該裝置設(shè)計(jì)的尺寸，取值1160mm

式（4）式帶入數(shù)據(jù)求得Fcr=843 544.03 N。

式（3）帶入數(shù)據(jù)求得Ssc=674.84。

通過(guò)對(duì)比可知，螺桿穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù)大于螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，即Ssc＞S，滿足穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

升降式閥門裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)法蘭盤結(jié)構(gòu)連接進(jìn)出口煙管。此裝置主要特點(diǎn)：①占用空間小，操作方便；②運(yùn)功過(guò)程簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較高；③密封性好，滿足工藝要求的同時(shí)還能保證環(huán)保；④結(jié)構(gòu)合理，易于拆裝，方便維修。

該裝置是專門針對(duì)有腐蝕性氣體的冶金爐窯設(shè)計(jì)，但同樣適用于其他類似環(huán)境，有廣泛的用途。

［1］濮良貴，紀(jì)明剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［2］徐灝.密封［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［S］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2002.

TL353

B

〔編輯 李 波〕