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    重慶普惠斯調節閥
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    氣動通風蝶閥用氣動執行機構的原理與設計

    類別:蝶閥 | 作者:祝捷 | 發布日期:2018-08-08 15:35:11

        氣動通風蝶閥是空調通風系統重要的控制部件,閥門在開關過程中,因沖擊引起的振動較大,噪聲較高。為降低系統管路沖擊振動和環境噪聲,設計了一種具有緩沖性能的氣動執行機構,提高了通風蝶閥的使用壽命,降低了對系統管路的沖擊振動及噪聲。

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    1、工作原理

        氣動執行機構主要由缸筒、活塞(齒條)、齒輪軸、端蓋、四合環和限流緩沖閥等組成(圖1)。氣動執行機構的動作通過三位四通電磁閥控制。當需要關閉蝶閥時,氣動執行機構中間腔進入控制氣壓,推動活塞向兩端運動,通過齒條、齒輪傳動機構將活塞的直線運動轉化為齒輪軸的旋轉運動,齒輪軸帶動蝶閥閥軸關閉蝶閥。當需要開啟蝶閥時,氣動執行機構兩端腔進入控制氣壓,推動活塞向中間運動,齒輪軸反向旋轉,蝶閥開啟。

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        蝶閥在開啟和關閉階段所需轉矩較大,在開啟動作完成后和關閉瞬間產生的沖擊力較大。為減小蝶閥動作噪聲及啟閉沖擊對蝶閥壽命的影響,同時滿足蝶閥啟閉轉矩的需要,增加了關閥緩沖的分段節流結構和開閥單向限流緩沖裝置。 重慶普惠斯

    氣動執行機構示意圖 copyright cqphs.com

    1.調節螺釘2.四合環3.端蓋4.缸筒

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    5.活塞(齒條)6.齒輪軸7.密封圈限流緩沖閥

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    圖1 氣動執行機構 重慶普惠斯閥門

    1.1 關閥緩沖結構

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        關閥初始階段(圖2a)氣源通過活塞(齒條)的環槽進入內腔,蝶閥很快啟動。關閥運行階段(圖2b),進氣孔被活塞柱面遮擋,氣源被節流減壓后進入內腔,蝶閥關閉速度減慢。蝶閥接近關閉階段(圖2c),氣源通過第二道環槽進入內腔,節流被解除,氣缸的關閉轉矩恢復最大值,蝶閥關閉。由于在蝶閥關閉的中間過程轉動變慢,慣性沖擊力減小,關閥過程對閥座的沖擊和噪聲得到了有效控制。 copyright cqphs.com

    關閥門分段節流緩沖狀態 本文來自重慶普惠斯閥門

    (a)初始階段(b)運行階段(c)關閉階段

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    圖2 關閥分段節流緩沖狀態

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        關閥緩沖結構的關健是控制活塞的節流位置,經過計算和驗證,應在蝶閥關閉位置達到20°角時,解除節流,恢復正常流量,否則會出現蝶閥關閉不嚴或不能達到降低噪聲和減小沖擊振動的目的。

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    1.2 開閥緩沖結構 內容來自cqphs.com

        開閥緩沖裝置是通過控制活塞兩端進氣流量控制氣缸開啟速度,使蝶閥的蝶板開啟處在低壓狀態下(氣動執行機構規定的最小工作壓力)。在開閥初始階段(圖3a),氣源壓力經電磁閥進入緩沖裝置,氣壓從裝置的節流閥芯周邊孔隙進入氣缸活塞兩端,推動活塞齒條機構作旋轉動作,此時氣壓未被節流,可以保證氣動執行機構輸出轉矩驅動蝶閥開啟。當氣源壓力增加時,推動節流閥芯克服緩沖彈簧力趨于關閉閥座,流量減小,活塞運動速度降低,氣缸齒輪軸的轉動速度減慢,減小了開閥沖擊噪聲,當氣源壓力達到最大工作壓力,節流閥芯完全關閉(圖3b),通過節流孔輸出壓力,此時進氣流量達到最小,活塞內腔充氣時間增加,降低了活塞運動速度,降低了蝶閥的開啟速度,降低開啟的沖擊振動和噪聲。 重慶普惠斯閥門

    限流緩沖裝置 內容來自cqphs.com

    (a)開閥初始階段,節流閥開啟(b)氣流速度加快后,節流閥關閉 重慶普惠斯閥門

    圖3 限流緩沖裝置

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        限流緩沖裝置可確保氣源壓力在最高工作壓力時和最小工作壓力時,活塞運動速度基本保持一致,確保了蝶閥的開啟速度,降低了開啟時對系統管路的沖擊振動和噪聲。

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        開啟緩沖結構設計關鍵是緩沖彈簧剛度確定,氣流流量與彈簧位移成線性關系,初始預緊力應克服氣源最小工作時對節流閥芯的作用,保證最大流量,在氣源最大工作壓力時,節流閥芯關閉,保證最小流量。

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    2、設計計算

        以DN400通風蝶閥為例,其最大啟閉轉矩為200N·m,為保證氣動通風蝶閥動作的可靠性,氣動執行機構的輸出轉矩按1.3倍的設計余量計算,氣動執行機構的輸出轉矩應>260N·m。 copyright cqphs.com

    2.1 氣動執行機構的缸筒內徑 內容來自cqphs.com

    氣動執行機構缸筒內徑計算公式    (1) copyright cqphs.com

    氣動執行機構缸筒內徑計算公式1    (2) 本文來自重慶普惠斯閥門

    式中 D———氣缸內徑,mm cqphs.com

    P———最小氣源壓力(P=0.8),MPa copyright cqphs.com

    η———活塞機械效率(取η=0.9) 重慶普惠斯閥門

    F———活塞的推力(F=5473.7N),N cqphs.com

    MF———氣缸輸出轉矩(MF=260),N·m

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    ηcl———齒輪與齒條機械效率(ηcl=0.95

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    R———齒輪軸分度圓半徑(設R=0.025),m 重慶普惠斯閥門

    氣動執行機構缸筒的計算內徑為D=98mm,按標準系列D=100mm,氣缸齒輪軸齒輪模數選擇m=2,鑒于本氣動執行機構為雙齒條結構,為保證裝配性能,齒輪軸齒數應為偶數。 copyright cqphs.com

    氣動執行機構齒輪齒數計算公式    (3) 重慶普惠斯

    式中 Z———齒數 cqphs.com

    d———分度圓直徑(計算假定d=50),mm

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    m———模數(m=2) 本文來自重慶普惠斯閥門

    Z=25,實際選取齒數為偶數,取Z=26,根據式(3),則分度圓直徑d=52mm。氣動執行機構的輸出轉矩根據式(1)和式(2),按氣源壓力0.8MPa計算,MF=279N·m,大于蝶閥啟閉必須力矩,滿足要求。

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    2.2 缸筒壁厚 重慶普惠斯閥門

    缸筒最小壁厚δ為

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    缸筒最小壁厚δ計算公式    (4) cqphs.com

    式中   R'———筒體內徑(R'=50),mm

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    Pn———氣缸最大工作壓力(Pn=4.0),MPa 重慶普惠斯

    Sm———材料的基本許用應力強度值(Sm=105),MPa

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    C———腐蝕余量(C=4),mm 內容來自cqphs.com

    由于氣動執行機構采用四合環連接結構,同時考慮氣源通道內置于缸筒壁,取缸筒壁厚δ=10mm,其強度滿足要求。 cqphs.com

    3、試驗

        為檢驗氣動執行機構輸出轉矩、緩沖性能是否滿足設計要求,使被控蝶閥的動作性能、密封性能、動作噪聲、動作壽命等指標達到要求,將執行機構與DN400通徑的蝶閥裝配后進行了各項性能檢測。

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       3.1 動作性能試驗 cqphs.com

        動作性能試驗是檢測氣動執行機構的輸出轉矩和緩沖結構的作用是否達到設計要求。 重慶普惠斯

        動執行機構在氣源壓力分別為1.0MPa和2.0MPa條件下進行了整機動作性能試驗。在試驗過程中,明顯可見蝶閥的蝶板動作速度在緩沖的各階段變化,關閉和開啟噪聲遠低于原蝶閥,采用噪聲測量裝置測量,在氣動執行機構控制壓力2.0MPa時噪聲為75dB,低于系統對噪聲要求。

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        3.2 閥座密封性能試驗

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        閥座密封性能試驗是檢測在控制系統壓力最低(1.0MPa)時氣動執行機構的轉矩是否能將蝶閥的蝶板關閉到位,使蝶閥閥座滿足在0.12MPa的氣壓下密封性要求。閥座密封性試驗是在控制系統壓力1.0MPa、蝶閥閥座試驗壓力為0.12MPa的條件下進行的,關閉后經10min的保壓檢測,閥座無任何泄漏。為檢驗氣動執行機構的設計余量,降低控制系統氣源壓力至0.8MPa,首先進行幾次動作試驗,開關均滿足要求,檢測閥座密封性無任何泄漏。

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        3.3 動作壽命試驗

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        動作壽命試驗是檢測氣動執行機構的緩沖結構是否減小了對閥座的沖擊,使蝶閥的動作壽命明顯提高,同時也檢測氣動執行機構的動作壽命是否滿足要求。蝶閥動作壽命試驗是在氣動執行機構氣源壓力為2.0MPa的條件下進行的,共動作2200次,壽命試驗完成后對整機性能進行了檢驗,均滿足設計要求。 重慶普惠斯

        3.4 拆檢

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        動作壽命試驗結束后對氣動執行機構進行了拆檢,缸筒內壁、活塞表面、齒條齒輪嚙合面均無明顯磨損和擦傷。

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    4、結語

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        氣動執行機構已經過試驗驗證,其輸出轉矩、動作壽命等性能指標完全達到設計要求,并有較大的設計冗余。執行機構的緩沖結構使蝶閥的沖擊噪聲大幅度下降,同時,減小了開關閥過程對閥座及閥軸的沖擊,提高了蝶閥整機的動作壽命。

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