1.概述：

進口氣動楔式閘閥快速啟閉的使用要求，設(shè)計了大型三缸雙作用氣缸和手動 液壓泵操作機構(gòu)，給出了超大型氣缸計算內(nèi)容、加工過程和安裝方法。

進口氣動楔式閘閥是石油化工行業(yè)應(yīng)用最多的閥類，其操縱機構(gòu)有手動、電動、氣動等方式。某工程用氣動帶手動楔式閘閥，最大通徑為DN900，壓力Class600，不僅防爆等級要求高，而且要求閥門在3min 內(nèi)全開。由于楔式閘閥在開啟瞬間，執(zhí)行機構(gòu)要克服閘板和閥座的靜摩擦，提升力很大。閥門開啟后，其提升力明顯降低，所以，執(zhí)行機構(gòu)采用活塞式氣缸。設(shè)計２個增力氣缸，活塞行程為80~100mm， 工作氣缸的活塞行程為855mm。手動操作機構(gòu)可 采用傘齒輪機構(gòu)或手動液壓泵機構(gòu)，因傘齒輪機構(gòu) 需要增加二級正齒輪減速箱，速比大于30才能正常操作。手動、氣動轉(zhuǎn)換機構(gòu)比較復(fù)雜，所以采用了手動液壓泵提升油缸系統(tǒng)。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計：

高壓大口徑楔式閘閥的結(jié)構(gòu)主要包括閥門、氣動傳動系統(tǒng)和手動操作系統(tǒng)（圖 １）。

圖 １ 高壓大口徑楔式閘閥

2.1技術(shù)要求

（１）閥門在高壓差或關(guān)閉時壓差等于最高工作壓力（6.4MPa）的120％時，閥門仍能保持穩(wěn)定地關(guān)閉，并能夠迅速地開啟。

（２）氣源壓力降低至0.4ＭＰａ時執(zhí)行機構(gòu)能正常工作。

（３）開啟時間≤180s。

（４）帶手動操作。⑤閥門開啟推力計算值為2388KN 。若設(shè)計選用單缸雙作用氣缸，則氣缸直徑≥3080mm。為了減小氣缸直徑，設(shè)計了三缸雙作用氣動執(zhí)行機構(gòu)。

2.2　執(zhí)行機構(gòu)

氣動執(zhí)行機構(gòu)主要由氣缸體（３個）、活塞桿、下活塞、中活塞、上活塞、氣缸座、氣缸蓋、下隔環(huán)、中隔環(huán)及連接上、下閥桿的接頭螺母，以及將下活塞、中活塞連為一體的下活塞套和鎖緊螺母等組成。氣缸座和氣缸蓋均有１個進（出）氣螺孔，下隔環(huán)和中隔環(huán)各有２個進（出）氣螺孔，內(nèi)部各設(shè)有向上、向下的通氣孔。從下往上排列，３個氣缸體形成 ３個氣缸室Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，２個增壓氣缸行程為 80~100mm， 工作氣缸行程為855mm。

2.3　活塞

下活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較特殊（圖２），下活塞內(nèi)孔部分帶一個管狀頸部，與中活塞通過凸肩和鎖緊螺母固為一體，能夠同步升降。下活塞的內(nèi)孔安裝有下活塞套，下活塞套由套筒和蓋帽兩部分焊成一體，其外圓和下活塞的內(nèi)孔滑動配合，其內(nèi)孔和活塞桿滑動配合，配合處均設(shè)有Ｏ形圈。下活塞套的頂端有一凸沿，上面放一墊圈，當(dāng)下活塞上升時，頂住凸沿，帶動下活塞套共同上升，又通過墊圈推動上活塞共同上升。當(dāng)增力氣缸的活塞上升80~100mm  時，碰到下隔環(huán)和中隔環(huán)時，下活塞、中活塞、下活塞套全部停止上行，只有上活塞連同活塞桿繼續(xù)上行， 直到閥門全部開啟。

2.4  操作系統(tǒng)

手動操作系統(tǒng)主要由手動液壓泵（柱塞泵）、換 向閥、溢流閥、油箱、操作桿、液壓油缸、活塞、標(biāo)示桿及進出油口等組成。當(dāng)閥門需要手動操作時，換向 閥扳向手動工作位置，操作柱塞泵手柄，即可完成向油缸充進壓力油的動作，壓力油推動活塞移動，帶動閥桿運動，完成閥門的啟閉動作。

3.氣控原理：

氣動傳動系統(tǒng)的控制原理見圖３。氣源接通過濾減壓閥，然后由單作用二位三通電磁閥 Ａ控制單作用二位五通氣控?fù)Q向閥Ｂ，再與３個氣缸的進出口管接頭相連接。當(dāng)閥門需要開啟時，單作用二位三通電磁閥Ａ斷電，單作用二位五通氣控?fù)Q向閥Ｂ彈簧復(fù)位，壓縮空氣經(jīng)換向閥Ｂ分別進入氣缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的３個進氣口 １、２、３，從這３個氣缸的 ４、５、６ 出氣口排氣，直到三個活塞行程到位為止。當(dāng)閥門需要關(guān)閉時，電磁閥 Ａ得電，氣體進入氣控?fù)Q向閥 Ｂ，壓縮彈簧受壓，壓縮空氣分別進入三個氣缸的 ４、 ５、６進氣孔，三個氣缸內(nèi)的氣體分別從 １、２、３三個 出氣孔排出，直到三個活塞行程終止，完成閥門關(guān)閉動作。

圖 ３ 氣控原理

4.設(shè)計計算：

4.1　計算程序

（１）閥門開啟時閥桿總軸向力的計算是設(shè)計氣缸內(nèi)徑的依據(jù)。

（２）氣缸活塞推力的計算，包括１個工作氣缸和２個增壓氣缸合力的計算。

（３）閥門氣動開啟時間的計算，閥門全開時間 ≤１８０ｓ，根據(jù)氣缸總?cè)莘e，選擇先導(dǎo)電磁閥和氣動控制閥的規(guī)格，根據(jù)氣動控制閥的額定流量再進行開啟時間的計算。

（４）校核氣缸拉桿螺柱強度，該項計算是保證設(shè)備安全運行的關(guān)鍵。

4.2　閥門開啟時閥桿總軸向力（表1）

4.3　氣缸活塞推力F

4.4　閥門氣動開啟時間

由氣控原理可知，二位五通氣控?fù)Q向閥Ｂ的一個出口同時向３個氣缸供氣，氣控?fù)Q向閥Ｂ規(guī)格為3/4“ （VSA4140-06），其額定流量為1500dm3/min， 氣缸的總?cè)莘e為2798dm3。閥門開啟時間為約112s ≤180s（規(guī)定開啟時間）。

4.5　氣缸拉桿螺柱強度校核

氣動執(zhí)行機構(gòu)的３個氣缸串聯(lián)，中間由隔環(huán)分開，上、下兩端氣缸蓋和氣缸座通過24根 M30mm的拉桿螺柱固緊。拉桿螺柱選用40Cr材質(zhì)，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，螺柱的許用拉應(yīng)力［σＬ］=257MPa，每根螺柱的許用拉力［ＦＬ］＝119KN，合計許用拉力為2865KN＞2410KN。

氣動超大口徑楔式閘閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜， 由于閥門的公稱通徑大，工作壓力高，所以閥門的提升力很大，如果按照常規(guī)氣動閘閥的設(shè)計，缸徑達到 3.08ｍ，缸體和活塞的加工、安裝都很困難。針對楔式閘閥的工作特點，創(chuàng)新設(shè)計了三缸雙作用氣缸，同時選用手動液壓泵完成手動啟閉，閥門總高為7.1ｍ，手動操作平臺離管道高度約為1.7ｍ，操作過程既方便又安全。