沖擊式水輪機(jī)球閥漏油分析
介紹了沖擊式水輪機(jī)球閥的主要結(jié)構(gòu)，總結(jié)了沖擊式水輪機(jī)球閥的特點(diǎn)和功能，分析了沖擊式水輪機(jī)球閥內(nèi)密封結(jié)構(gòu)存在的問題，介紹了邊界條件、臨界條件和應(yīng)力張量在建模中的應(yīng)用，并對沖擊式水輪機(jī)球閥的密封進(jìn)行了分析，提出了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的關(guān)鍵問題。
隨著現(xiàn)代科技和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，具有中高壓力大流量的液體、氣體工質(zhì)的輸送逐漸增加，這就必然需要具有中高強(qiáng)度大流量的機(jī)電調(diào)控設(shè)備來滿足人們在科技和經(jīng)濟(jì)方面的發(fā)展需要。為了推進(jìn)科技和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，迫使人們不得不研制具有中高強(qiáng)度大流量的機(jī)電調(diào)控設(shè)備，而球閥就是滿足這種要求的機(jī)電調(diào)控設(shè)備之一。球閥產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)、工藝及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，在不到40年時(shí)間里，已迅速發(fā)展成為一種主要的閥類。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為它的主要優(yōu)點(diǎn)有：啟閉迅速、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、流體阻力小，適用于低溫、高溫、高壓、黏度較大的介質(zhì)。由于球閥有這些優(yōu)點(diǎn)，因此，在西方發(fā)達(dá)的工業(yè)國家，球閥的使用量在不斷地增加;而在我國，球閥被廣泛應(yīng)用于石油煉制、長輸管線、化工、造紙、制藥、水利、電力、市政、鋼鐵等行業(yè)，為我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。
1、球閥的結(jié)構(gòu)概述
球閥是一種被廣泛使用的閥門，球閥的啟閉件采用圓形通孔的球體，球體隨閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到切斷、分配、改變介質(zhì)流向等作用，其中V形開口的球閥還可用于流量調(diào)節(jié)。球閥的主要組成部件有：閥體、帶有軸頸閥門、滑動(dòng)軸承、帶密封環(huán)的工作密封、檢修密封裝置和閥的操作機(jī)構(gòu)等。球閥通常采用臥軸結(jié)構(gòu)，活門全開式，工作密封蓋位于上部。
閥體通常由兩件組成。組合面的位置通常有兩種安排：一種是偏心分半，組合面放在靠近下游側(cè)(即靠近工作密封側(cè))，閥體的地腳螺釘都布置在上游側(cè)這一大半閥體上。其優(yōu)點(diǎn)是分半面螺釘受力均勻，但采用這種結(jié)構(gòu)，閥軸和活門必須是裝配式的，否則無法裝入閥體;另一種是對稱分半，將分半面放在閥軸中心上，這時(shí)閥軸和活門可以采用整體結(jié)構(gòu)，以減輕質(zhì)量。閥體通常采用鑄鋼鑄成。當(dāng)閥軸與活門為整體結(jié)構(gòu)時(shí)，可以采用鑄鋼鑄造或分別鑄造后焊在一起;當(dāng)閥軸與活門為裝配式結(jié)構(gòu)時(shí)，則是通過閥軸上的法蘭用螺釘和活門組裝。
球閥的密封裝置有兩種：工作密封和檢修密封。工作密封位于球閥出流側(cè)，主要零件有密封環(huán)、密封蓋等。球閥開啟前，先由旁通閥向下游充水，同時(shí)將密封蓋內(nèi)的壓力水由C孔排出，由于下游水壓力逐漸升高，逐漸將密封蓋壓入，密封口脫開，這時(shí)可開啟活門;相反，當(dāng)活門關(guān)閉后，此時(shí)C孔已關(guān)閉，壓力水由活門和密封蓋的護(hù)圈之間的間隙流到密封蓋的內(nèi)腔，隨著下游水壓的下降，密封蓋逐漸突出，直至密封口壓嚴(yán)為止。文中主要探討球閥密封的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
2、球閥漏油的分析與探討
在經(jīng)濟(jì)全球化高速發(fā)展的今天，由于機(jī)械產(chǎn)品日益標(biāo)準(zhǔn)化，要求生產(chǎn)機(jī)械零部件批量化、精密程度生產(chǎn)同一化，因而，在工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐探索中對球閥的要求越來越高，這就必須借助模型和邊界條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還要求理論與實(shí)踐的互化和回歸統(tǒng)一，它是現(xiàn)在同時(shí)也是將來研究和分析問題的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。理論指導(dǎo)實(shí)踐，而在實(shí)踐中補(bǔ)充理論探索的不足，使理論進(jìn)一步深化，更好地運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)際。
2.1、球閥的工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析
球閥的工程設(shè)計(jì)與其他機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)一樣，首先是理論設(shè)計(jì)，以達(dá)到用戶的要求為目的。在設(shè)計(jì)過程中必然會(huì)出現(xiàn)沒有考慮到的許多邊界因素，因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中也必然會(huì)出現(xiàn)許多工程實(shí)踐問題。而在球閥的理論設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)工作壓力設(shè)計(jì)的要求，計(jì)算球閥的內(nèi)徑、外徑和相關(guān)尺寸，同時(shí)還要考慮球閥的通用性。現(xiàn)在就球閥的密封進(jìn)行理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析。如圖1所示，根據(jù)工作壓力和相關(guān)要求(只考慮一個(gè)單啟閉的行程過程)，進(jìn)入球閥的液壓油：
(1) 式中：r為球閥內(nèi)半徑(m);υ為進(jìn)入球閥內(nèi)液壓油單位時(shí)間內(nèi)的位移(m/s);t為球閥內(nèi)液壓油單啟閉行程時(shí)間(s)。在工程設(shè)計(jì)過程中，采用密封面和護(hù)圈進(jìn)行密封，而球閥在正常工作過程中，漏油常有出現(xiàn)，給生產(chǎn)帶來不便，究其原因，還是密封結(jié)構(gòu)存在問題。
圖1 球閥密封部分結(jié)構(gòu)圖
2.2、模型建立與邊界層的優(yōu)化
針對上節(jié)球閥在實(shí)踐中出現(xiàn)的漏油現(xiàn)象，現(xiàn)建模和考慮邊界條件優(yōu)化來分析和探索球閥在工作過程中漏油的具體原因。上述用密封面和護(hù)圈進(jìn)行密封的球閥出現(xiàn)漏油與密封的結(jié)構(gòu)和受力有關(guān)系。下面改變密封結(jié)構(gòu)，建立新模型并應(yīng)用數(shù)值軟件進(jìn)行具體分析。如圖2所示，采用中空的“O”型密封圈，在對稱的180°圓環(huán)兩端各開一個(gè)小孔，開孔面積必須滿足下述方程：
(2) 式中：l為開孔曲線積分弧長(m);υ為液壓油設(shè)計(jì)速度(m/s);t為“O”型密封圈從膨脹到防止球閥漏油所需時(shí)間，與球閥的相關(guān)密封件間隙有關(guān)(s)。其密封圈結(jié)構(gòu)如圖3所示，兩孔均朝向液壓油來油方向。其工作原理是：
圖2 密封圈模型數(shù)值化軟件分
圖3 密封圈
當(dāng)高壓液壓油進(jìn)入球閥時(shí)，從密封蓋外表面與密封環(huán)內(nèi)表面間隙流出的高壓液壓油流到“O”型密封圈時(shí)，它們就從“O”型密封圈開孔位置進(jìn)入其中空部分，由于高壓液壓油的壓力作用使“O”型密封圈膨脹，“O”型密封圈因彈力的作用將密封蓋外表面和密封環(huán)內(nèi)表面壓緊而不讓液壓油漏出。密封圈力學(xué)特性如圖4所示，把“O”型密封圈簡化成簡支梁，滿足下述不等式：
圖4 密封圈受力圖
(3) 式中：F2為液壓油作用在“O”型密封圈垂直方向的壓力(N);G1為“O”型密封圈自身重力(N);G2為進(jìn)入“O”型密封圈中空部分液壓油的重力(N);F1為“O”型密封圈因膨脹而作用在密封蓋外表面和密封環(huán)內(nèi)表面的壓力(N);μ為“O”型密封圈與密封蓋外表面和密封環(huán)內(nèi)表面的摩擦因數(shù)。
由于F1、F2都與液壓油的設(shè)計(jì)壓力有關(guān)，是系統(tǒng)的內(nèi)壓力，因此，不增加“O”型密封圈、密封蓋和密封環(huán)的系統(tǒng)內(nèi)壓力，而且也防止球閥漏油。由不等式F2+G1+G2≥μF1可知：“O”型密封圈所受豎直方向的作用力大于水平方向的作用力;當(dāng)球閥內(nèi)液壓油的壓力消失時(shí)，這時(shí)“O”型密封圈內(nèi)的液壓油壓力大于球閥內(nèi)液壓油的壓力，“O”型密封圈內(nèi)的高壓液壓油就回流到球閥內(nèi)。
以球閥中心線而建立三維坐標(biāo)，其橢球方程為：
(4) 式中：α為橢球在x、y軸上的半軸長(m);b為橢球在z軸上的半軸長(m)。即“O”型密封圈與橢球方程(4)相切是達(dá)到“O”型密封圈密封球閥內(nèi)液壓油的最小邊界臨界條件，如果超過此邊界臨界條件，其密封效果更好。當(dāng)“O”型密封圈處于原始狀態(tài)時(shí)，其應(yīng)力張量是：
當(dāng)“O”型密封圈受到壓力膨脹時(shí)，其應(yīng)力張量是：
式中：P為應(yīng)力張量增量。正是“O”型密封圈體積變化才能達(dá)到密封的良好效果。由于其受到液壓油的壓力并考慮到邊界和臨界條件的作用，當(dāng)“O”型密封圈膨脹到球閥不漏油時(shí)，高壓液壓油在水平方向的流速u水平=0，在圓周方向u圓周臨界≤u圓周≤υ、p圓周膨脹臨界≤p≤p設(shè)計(jì)。“O”型密封圈作用在密封蓋和密封環(huán)的壓力為F1，其摩擦力為μF1，考慮“O”型密封圈受力膨脹后體積應(yīng)力張量的變化：
中a、b值，通過圖2(b)、圖2(c)比較，當(dāng)增加Δ(長度單位)，它能夠直觀地顯示增加液壓油的壓力有利于球閥內(nèi)液壓油的密封。
圖4是“O”型密：封圈受力圖。可以看出：當(dāng)增加密封圈中液壓油的壓力時(shí)，密封圈起到了密封球閥的作用，而自身受力不變，同時(shí)也不改變球閥內(nèi)系統(tǒng)的壓力。
2.3、理論與實(shí)踐的互化和回歸統(tǒng)一
從工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐的探索可知，球閥內(nèi)液壓油泄漏是由于設(shè)計(jì)中使用密封面和護(hù)圈結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的;在建立模型邊界條件的優(yōu)化過程中，通過應(yīng)力張量及作圖分析，改變密封面和護(hù)圈結(jié)構(gòu)，應(yīng)用對稱開孔的“O”型密封圈，這樣，不但使球閥內(nèi)液壓油的密封效果良好，而且還不改變系統(tǒng)內(nèi)壓力的作用。這說明理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐應(yīng)用在建模及邊界條件優(yōu)化過程中相互統(tǒng)一。
3、結(jié)論
在研究和處理工程實(shí)踐問題時(shí)，實(shí)踐的檢驗(yàn)固不可少，但建模理論分析尤為重要。在理論分析過程中，還必須借助作圖和邊界條件的處理來達(dá)到分析和解決問題的目的。
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