1.概述：

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

進(jìn)口氣動(dòng)楔式閘閥是石油化工行業(yè)應(yīng)用最多的閥類，其操縱機(jī)構(gòu)有手動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)等方式。某工程用氣動(dòng)帶手動(dòng)楔式閘閥，最大通徑為DN900，壓力Class600，不僅防爆等級(jí)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(jī)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(jī)構(gòu)采用活塞式氣缸。設(shè)計(jì)２個(gè)增力氣缸，活塞行程為80~100mm， 工作氣缸的活塞行程為855mm。手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)可 采用傘齒輪機(jī)構(gòu)或手動(dòng)液壓泵機(jī)構(gòu)，因傘齒輪機(jī)構(gòu) 需要增加二級(jí)正齒輪減速箱，速比大于30才能正常操作。手動(dòng)、氣動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，所以采用了手動(dòng)液壓泵提升油缸系統(tǒng)。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

高壓大口徑楔式閘閥的結(jié)構(gòu)主要包括閥門、氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和手動(dòng)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(shí)壓差等于最高工作壓力（6.4MPa）的120％時(shí)，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(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能正常工作。

（３）開啟時(shí)間≤180s。

（４）帶手動(dòng)操作。⑤閥門開啟推力計(jì)算值為2388KN 。若設(shè)計(jì)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(jì)了三缸雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2　執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由氣缸體（３個(gè)）、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(gè)進(jìn)（出）氣螺孔，下隔環(huán)和中隔環(huán)各有２個(gè)進(jìn)（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(gè)氣缸體形成 ３個(gè)氣缸室Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，２個(gè)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(jì)比較特殊（圖２），下活塞內(nèi)孔部分帶一個(gè)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(dòng)配合，其內(nèi)孔和活塞桿滑動(dòng)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(shí)，頂住凸沿，帶動(dòng)下活塞套共同上升，又通過墊圈推動(dòng)上活塞共同上升。當(dāng)增力氣缸的活塞上升80~100mm  時(shí)，碰到下隔環(huán)和中隔環(huán)時(shí)，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(dòng)操作系統(tǒng)主要由手動(dòng)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(jìn)出油口等組成。當(dāng)閥門需要手動(dòng)操作時(shí)，換向 閥扳向手動(dòng)工作位置，操作柱塞泵手柄，即可完成向油缸充進(jìn)壓力油的動(dòng)作，壓力油推動(dòng)活塞移動(dòng)，帶動(dòng)閥桿運(yùn)動(dòng)，完成閥門的啟閉動(dòng)作。

3.氣控原理：

氣動(dòng)傳動(dòng)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(gè)氣缸的進(jìn)出口管接頭相連接。當(dāng)閥門需要開啟時(shí)，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(jìn)入氣缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的３個(gè)進(jìn)氣口 １、２、３，從這３個(gè)氣缸的 ４、５、６ 出氣口排氣，直到三個(gè)活塞行程到位為止。當(dāng)閥門需要關(guān)閉時(shí)，電磁閥 Ａ得電，氣體進(jìn)入氣控?fù)Q向閥 Ｂ，壓縮彈簧受壓，壓縮空氣分別進(jìn)入三個(gè)氣缸的 ４、 ５、６進(jìn)氣孔，三個(gè)氣缸內(nèi)的氣體分別從 １、２、３三個(gè) 出氣孔排出，直到三個(gè)活塞行程終止，完成閥門關(guān)閉動(dòng)作。

圖 ３ 氣控原理

4.設(shè)計(jì)計(jì)算：

4.1　計(jì)算程序

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

（２）氣缸活塞推力的計(jì)算，包括１個(gè)工作氣缸和２個(gè)增壓氣缸合力的計(jì)算。

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

（４）校核氣缸拉桿螺柱強(qiáng)度，該項(xiàng)計(jì)算是保證設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

4.2　閥門開啟時(shí)閥桿總軸向力（表1）

4.3　氣缸活塞推力F

4.4　閥門氣動(dòng)開啟時(shí)間

由氣控原理可知，二位五通氣控?fù)Q向閥Ｂ的一個(gè)出口同時(shí)向３個(gè)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(shí)間為約112s ≤180s（規(guī)定開啟時(shí)間）。

4.5　氣缸拉桿螺柱強(qiáng)度校核

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的３個(gè)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(jì)許用拉力為2865KN＞2410KN。

氣動(dòng)超大口徑楔式閘閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)閘閥的設(shè)計(jì)，缸徑達(dá)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(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了三缸雙作用氣缸，同時(shí)選用手動(dòng)液壓泵完成手動(dòng)啟閉，閥門總高為7.1ｍ，手動(dòng)操作平臺(tái)離管道高度約為1.7ｍ，操作過程既方便又安全。