1、作者简介:路兰卿()女河北唐县人正高级工程师从事压力容器、压力管道、阀门及其他管路附件等非标设备的研究文章编号:()气动球阀用拨叉式驱动装置力学特性研究路兰卿董航喆(北京航天试验技术研究所 北京)摘要 介绍了几种气动球阀用驱动装置并针对拨叉式驱动装置中的偏置型和重合型拨叉进行受力分析并得到其在关闭、半开、全开三个状态下的力学特性 当阀门处于关闭状态时拨叉式驱动装置能提供的启动力矩较大全开位置次之半开位置最小关键词 驱动装置拨叉力学特性中图分类号:文献标志码:():.:概述在介质的贮存和输送过程中会应用到各种各样的阀门而球阀因为其结构简单、开关迅速、操作方便尤其是其低流阻的特点使其在流体输运过程
2、中应用广泛 适用于低温、高压以及粘度大的介质不适宜用作调节流量用同样在航天发动机试车台中也应用着大量的球阀这些球阀的操作方式有手动也有气动气动操作阀门由于动作快、控制简便、工作可靠所以不管是试车台的输配气系统、配气台、还是工艺介质的输送系统气动球阀都有着广泛的使用 但是试车台上的气传动与一般工业用气传动有一定的区别一般工业用气动方式的气源压力为 而试车台用气动阀门的气源压力一般为 左右 气源作为操纵气对于球阀来说有很大优势高的气源压力可以大大扩大球阀的应用范围大多数手动阀门的启闭需要将阀杆转动几圈而球阀启闭过程只需要转动球体的/圈可以更快速的切断管路阀杆少量转动就将阀门全部打开因而需要气缸提供
3、的力矩值也大而采用 气源时可以使球阀的操纵机构 气缸设计的更小巧 所以 气源的气缸应用在大口径、高压系统时可以大大缩减其驱动装置的结构尺寸 气动驱动装置的形式根据驱动装置传动的结构特点其形式主要有:曲柄连杆式传动、齿轮齿条式传动、拨叉式传动、螺旋式活塞传动、桨叶式传动等 其中使用比较广泛的有齿轮齿条传动和拨叉式传动(结构见图)由于其传动方式的不同所以其对球阀输出力矩的特点也不相同齿轮齿条式由于在气缸往复运动过程中齿条始终处于水平与齿轮的啮合点位置没有变化输出力矩也不会变化始终是一个尺寸 而拨叉式因为其拨叉与力矩销钉轴之间的相对位置不断随着阀门旋转角度的不同始终都在变化所以其输出力 年第 期阀
4、门矩也时刻在变化 拨叉式气缸的输出力学特性拨叉式气缸的力学特性在阀门处于不同位置时所输出的力矩并不相同阀门由关闭半开全开的过程中其输出力矩由大小大的变化 而长期处于关闭状态时其启闭阻力加大并直接导致开启载荷加大因此经常会造成力矩输出不足的故障为了防止这种事故的发生我们需要掌握拨叉式气缸的力学特性 下面以实例形式介绍输出力矩的变化情况()曲柄连杆传动图()齿轮齿条传动图()拨叉传动图()拨叉传动图图 驱动装置结构图 拨叉的受力分析在实际的工程应用中经常使用的有两种拨叉形式一种是拨叉滑槽与旋转轴中心有一个偏置角一种是拨叉滑槽与旋转轴中心重合具体结构形式见图、图 无论是有偏置角还是没有偏置角的拨叉其
5、受力分析的关键是模型的建立 为了了解气缸的输出力学特性我们分析阀门处于全关(点)半开(点)全开(点)三个位置的受力情况以分析不同位置时气缸的出力特性图 重合型拨叉图 偏置型拨叉 有偏置角拨叉的受力分析在受力分析之前做出以下假设:()零件截面物质均匀()忽略销轴与滑槽之间的摩擦(因为两者的表面都会进行磨削加工表面质量光滑)()气缸力垂直作用于活塞上()零部件的质量忽略不计()键与轴之间没有相对位移属于固定结构()销轴与活塞之间没有相对位移属于固定结构()气缸力 是已经考虑了各种摩擦力后的有效输出值为了求得气缸的出力特性需要对销轴和拨叉的受力分别进行分析由于假定了销轴和活塞的固定结构销轴和活塞应放
6、在一起进行受力分析 所以得到如图 的受力模型 由于销轴和滑槽属于点接触那么在气缸力 的作用下拨叉要承受 的压力而销轴承受了 的反力图 关闭位置时销轴的受力图)球阀在关闭位置 时的受力分析半开位置时拨叉的受力图见图 根据销轴在水平方向受力平衡的条件有:()()由此拨叉的输出力矩为:阀 门 年第 期 ()().()().图 点时拨叉的受力图式中 气缸力 销轴的反力 球阀在关闭位置和全开位置时销轴中心与轴中心连线与水平面的夹角 滑槽与轴心的偏置角 拨叉对轴心的矩 压力 的力臂 轴心至关闭位置 的距离 轴心至销轴运动轨迹的距离)球阀在半开位置 时的受力分析半开位置时拨叉的受力图见图 同样根据销轴在水平
7、方向受力平衡的条件有(受力图见图):图 点时拨叉的受力图 图 半开位置时销轴的受力图由此拨叉的输出力矩为:/()()将数值带入上式得:().式中 拨叉转到 位置时销轴中心与拨叉轴心连线与数值线得夹角)球阀在全开位置 时的受力分析全开位置时拨叉的受力图见图 同样根据销轴在水平方向受力平衡的条件有(受力图见图):图 点时拨叉的受力图图 全开位置时销轴的受力图 ()年第 期阀 门()由此拨叉的输出力矩为:()().根据以上的分析计算可以画图得到不同开度时的力矩值不同开度时的力矩值都可以表示为 的倍数由此得到力矩图见图 并将三种位置的力矩值总结为表 图 球阀在不同开度时的力矩系数图表 偏置型拨叉的力矩
8、值关闭位置时的力矩半开位置时的力矩全开位置时的力矩()()重合型拨叉的受力分析重合型拨叉的受力分析方法和偏置型相同由此进行重合型的受力分析但是由于分析方法相同不再进行详细推导下面只出结果 同样根据偏置型拨叉力矩图的画法可以得到重合型拨叉的力矩系数图形状和偏置型相同只是数值大小的区别表 重合型拨叉的力矩值关闭位置时的力矩半开位置时的力矩全开位置时的力矩()()两种拨叉的比较以上分析了两种型式拨叉在不考虑销钉与滑槽之间摩擦时的受力以及输出转矩的能力并得到偏置型和重合型拨叉的输出力矩在关闭、半开、全开三个位置时的比值分别为 :和:当阀门长期处于关闭状态时阀门的启动阻力会比较大会使得开启载荷大因此往往
9、会造成力矩输出不足的故障为了防止这种现象需要设计者给予必要的重视并采取有效的措施 结语通过以上分析对于拨叉型驱动装置的力学特性有了一定的了解对于两者的应用设计者可以根据自己单位的习惯或者阀门的工作环境和状态自行选择 在无应用经验的前提下建议常关阀门采取偏置型而常开选用重合型拨叉结构参 考 文 献 中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册(下册).第 版.北京:化学工业出版社:.全国阀门标准化委员会./气动驱动装置技术条件.北京:机械工业出版社:.陆培文实用阀门设计手册.北京:机械工业出版社:.:.余善富.气动执行器.北京:机械工业出版社.内斯比特.阀门和驱动装置技术手册.北京:化学工业出
10、版社.王建新师晓东张清双.球阀气动执行机构的选用与分析.阀门():.陈聪拨叉式气动执行器.浙江省浙江博恩自控阀门有限公司 .蓝丽辉.阀门气动执行机构的分析.阀门():.章华友球阀设计与选用.北京科学技术出版社.万磊.新型气液联动球阀的开发与研究.兰州理工大学.黄丽王宝松许莉.拨叉式与旋转叶片式阀门执行机构的性能比较.油气储运():.黄乐敏.气液联动执行机构的国产化.流体传动与控制():.吴洪伟.川气东送管道工程线路截断阀执行机构的选型.仪器仪表用户():.肖占林.大功率拨叉式水下阀门液压执行机构的建模与分析.宁夏大学.王正权气液联动双导向拨叉式气液自动执行器.四川省成都迈可森流体控制设备有限公司 .路兰卿.球面密封气动截止阀用气缸力的技术研究.阀门():.(收稿日期:)阀 门 年第 期
