概述 气动活塞式密封蝶阀因其执行器结构简单、耐用,维护量小且推力大、动作速度快,易于控制,其蝶阀体积小、密封性能好、起动力矩小等特点而广泛应用在空分设备换热器切换系统和水处理过滤器反洗控制系统中。 气动蝶阀一般采用单电控或双电控二位四通电 磁阀控制,而电磁阀接受可编程序控制器或手动遥控信号,当信号改变时,其气动输出信号改变,从而使气缸受力方向改变,带动
气动蝶阀开启或闭合。图1是
控制原理图。 图1 气动蝶阀控制原理图 可编程序控制器(或遥控按钮、旋钮)、电信号传输线路、电磁阀、气源系统、气信号传输管路、气动活塞执行器、蝶阀本身都可能引起蝶阀打不开或关不上的故障。从使用中发现,PLC故障率很低,线路管路的故障易于判断和发现。 本文以某空分换热器切换系统应用的气动蝶阀为例,对较难查找的电磁阀和蝶阀的故障原因进行
分析。
2 电磁阀动作原理和故障原因 图2 二位四通电磁阀原理图 这是种单电控二位四通电磁阀,见图2。它是由一个二位三通电磁先导阀和一个二位四通气控滑阀 组成。这种结构不会因滑阀卡住过载而烧毁线圈,消耗功率小。气源压力经可调节流一路常接到气室2,而另一路经先导阀控制,接到气室1。当先导阀线圈失电时,先导阀1～2相通,3路切断。气源压力分别作用到滑阀组活塞和控制活塞上。由于滑阀活塞较控制活塞有效面积大,则产生向左的推力。即: Fz=P・(Sh-Sk) 式中:FZ——向左推力; P——气源压力,正常时为0.5MPa;Sh——滑阀活塞有效面积; Sh= P4 ・D2 h;Dh——滑阀活塞直径为0.025m;则Sh=0.00049m2 。SK——控制活塞有效面积;SK= P 4 ・D2K;DK——控制活塞直径,为0.016m;则SK=0.0002m2。 ・ 29・ 2000年第4期 总第80期 冶金动力METALLURGICALPOWER
可得FZ=145N。 从而使滑阀向左运动,于是气源与B相通,B口有输出,而输出口A与R相通,放空。当线圈得电时,先导阀1～2路切断,而2～3路相通,气室1的压力放空,向左的推力为零,而向右的推力为FK。 FK=SK・P=100N。 此时滑阀向右运行,从而使PA相通,A口有输出信号,而BS相通,放空。A口和B口分别接到气动活塞式蝶阀的上、下气缸,上气缸有信号时蝶阀打开,下气缸有信号时蝶阀关闭。电磁阀故障率较高,多半是电信号转换后,滑阀不动作。滑阀不动作除电气系统原因外,气源压力过低(推动力减小),滑阀阻力过大(干涩、有脏污等)也能造成。另一个原因是先导阀、活动铁芯下密封垫损坏,上密封垫过低或弹簧失灵等使先导阀不能导向。 3 蝶阀的结构、受力分析及故障原因 气动活塞式软密封蝶阀,由气动执行器和调节阀两大部分组成。执行器主要由双向作用气缸,单活塞、活塞杆、气缸底、气缸盖和密封环,传动连杆机构等组成。蝶阀结构图见图3
。 图3 蝶阀结构图
蝶阀主要由阀座、翻板、驱动轴、端头轴、嵌在阀 座上的软密封件O型环、轴套、自润滑的轴衬、V型环、片状连接杆、阀位指示器和辅助装置磁性开关等组成。执行器接受由电磁阀来的气动信号,产生驱动力,用以克服制动力矩使翻板打开或关闭,从而完成调节流量的作用。制动力矩包括: Mz——轴衬和轴摩擦造成的摩擦力矩;Mj——翻板在压力降作用下形成的静力矩;Mb——翻板与软密封件摩擦形成的力矩;Mf——翻板将气流分割成两部分而引起的反转力矩。 Mz、Mj、Mb的最大值均发生在蝶阀欲开启瞬间。Mf的最大值则发生在打开蝶阀约17°时。在关闭状态下,流速和反转力矩均为零,蝶阀多次发生故障 均是打不开,现以关闭后欲开启状态进行分析。3.1 执行器有效驱动力矩 MX= P 4 ・DS・G・P・L式中:DS——活塞直径为0.18m; G——活塞及传动机构总效率,取G=0.81; P——信号压力,正常时为0.5MPa; L——力臂。在关闭状态下,活塞杆与蝶阀轴不是垂直的,经计算或实测可得L=0.07m;则MX=721.41N3.2 轴摩擦力矩 MZ=T・DZ Z 式中:T——轴与轴衬,密封环的摩擦力; Dz——轴直径,为0.05m。 从结构图上可以看出,驱动轴和端头轴与轴摩擦的有4个轴衬和两个V型环,还有在保护罩盖上的V型环。 3.2.1 四个轴衬的摩擦力 FC=4×PDZ・h・PX・L式中:h——轴衬长度,为0.045m; PX——轴对轴衬的压力,取其最大值与工作压力相等,为0.25MPa; L——轴与轴衬的摩擦系数,取0.2; 则FC=1413N3.2.2 三个密封环的摩擦力 Fh=U・DZ・S・Pg×3 式中:U——与密封填料几何尺寸、摩察系数、工作压力等有关的系数,查表可得U=1.14; S——填料的厚度,为0.005m;Pg——工作压力,为0.25MPa; ・ 30・冶金动力 METALLURGICALPOWER 2000年第4期 总第80期
则Fh=213.6N T=Fc+Fh=1626.6NMZ=81.33Nm 3.3.3 翻板与软密封件的摩擦力矩 为了保证在额定差压下,蝶阀关闭后无泄漏,阀座上的软密封件对翻板必须保持一定的压力,其比压按下式计算。 Pb= 3+0.4Pg
b 式中:Pb——比压值,密封件与翻板接触面单位面 积上的压力; Pg——工作压力(设计值为0.8MPa); b——接触面宽度,为0.0025m;则Pb=1.24MPa密封件与翻板的摩擦力:Fm=P・Dm・b・Pb・L 式中:Dm——密封面平均直径,为0.3875m; L——密封件与翻板的摩擦系数则Fm=1433.33N 翻板外圆为锥形,其锥形角2U=30°则摩擦力的径向分量为:Fmj=Fm・cos15°=1384.49N而Mb=Fmjhb 式中:hb——翻板密封线到轴中心线的距离,为0.05m; 则Mb=69.22Nm。 3.4 压力降形成的静力矩 Mj=P
4 ・DN・$P・L・hZ 式中:D——蝶阀公称通径,DN=0.4m; $P——工作压差正常时为0.25MPa; L——轴与轴套、V型环的摩擦系数,取0.2;hz——静压作用到轴中心线的距离,为0.0675m; 则Mj=211.85Nm 总的制动力矩为:MZ+Mb+Mj=362.5Nm可见,正常时制动力矩比驱动力矩小得多,应能很快地打开。3.5 反转力矩 Mf=N・$P・DN 式中:N——蝶阀反转系数。根据在额定差压下蝶阀仍可正常动作,得出额定状态下反转系数; NN=MX DNõ$P
N =0.014
在工作压差为0.
25MPa时,其反转力矩为: Mf=225.28Nm 前面已经提到,Mf最大值发生在蝶阀开启17°时,此时其他制动力矩,特别是静力矩已大大减小。但是,即使最大值同时发生,其总的制动力矩: MZ+Mb+Mj+Mf=587.78Nm 较之驱动力矩721.41Nm也小得多,完全可以正常开启。那么,什么原因造成蝶阀打不开呢?从以上分析中可见,一是驱动力矩减小,二是制动力矩加大,造成制动力矩大于驱动力矩。3.6 驱动力矩减小原因 3.6.1 上气缸气压信号过低:这会由于气源压力过低、电磁阀信号接头漏气、电磁滑阀窜气、执行器活塞环磨损上、下气缸窜气等造成。 3.6.2 活塞及传动机构效率降低:气缸润滑不良,摩擦损失增大,传动机构卡涩或机件出现故障等。3.7 制动力矩加大原因 3.7.1 轴与轴衬的摩擦系数增大:自润滑轴衬长期使用摩损,润滑面磨光,接触面不平。 3.7.2 V型环与轴之间摩擦阻力增大(由于摩毛摩擦系数变大)。 3.7.3 软密封件与翻板接触面变大,表面粘有灰尘、污物,阻力变大。 3.7.4 长期磨损使防尘环磨松,V型环磨大,灰尘、杂质、冷凝水进入轴衬,天冷时结冰,阻力加大。 4 防范措施 无论是空分设备中,还是水处理系统中,气动活塞式蝶阀均起着重要作用,虽然其故障率很低,但也应防范其发生。 (1)气源应采用经干燥器、过滤器处理后的干净空气或氮气。最好单设储气罐。我们曾遇到气动蝶阀气源与反洗空气共用一个气罐,因气源压力偶然降低,污水过滤器中的水进入储气罐,再送到蝶阀气缸中,使气缸内积水锈蚀而无法动作的事故。一般气动蝶阀都安装在露天或无保温措施的厂房内,冬天环境温度经常在零度以下,一旦气源中含水,只要在电磁阀内或气缸内少许结冰,就会使蝶阀失灵。因而对于气源要经常排水,为了保证电磁滑阀和气缸的动作灵活,在每个气动蝶阀管路上应加装油雾气。 (2)制定严格的定期维修制度,每两年应对电磁阀、执行器和蝶阀进行检查维护,应清洗相关部件并加润滑脂,更换易损件,如密封件、V型环等。 (3)对传动机构连轴节等处加润滑油1次/年。
