机械密封装置在压力调节阀上的应用

压力调节阀门是装在泵出口处的压力调节装置，是使泵正常工作的保护装置，阀出口、入口分别联接在泵入口、出口处。正常工作时，泵出入口压差一定，阀关闭。当泵出口管线堵塞或其他原因造成出口管路系统压力升高时，泵出口压力会超出泵的出口设计压力，导致泵出入口压差增大不能正常工作时，阀打开，使泵出口介质返回入口，降低泵出口压力，将压差控制在允许范围内，保证泵的正常工作。
　　
　　二、调节阀失效原因分析
　　
　　原阀因结构上的缺陷，使用周期较短，分析其失效原因主要有以下几点，同时对阀结构进行了针对性的设计。
　　
　　（1）该阀失效表现为泵无法正常保压，泵振动往往是阀失效的一个原因。经现场观察，泵运行时泵体如振动较大，若振动频率与弹性元件的固有频率接近，则阀会出现磨损式疲劳损伤，导致端面失效。
　　
　　（2）原阀端面为楔型端面，虽工作过程两端面接触较好，但端面无法研磨（无合适研磨器具进行研磨）经分析，该装置为静止两端面接触，工作时两端面并无相对运动，只需端面贴和好，保证平面度，就可以正常工作。故可将楔型端面改为可研磨的平端面。
　　
　　（3）经分析为端面处失效，拆开后发现端面有伤痕，是泵内杂质在端面处压伤端面。因原阀为整体阀，端面与阀体铸造在一起，无法进行部分更换，只好整体更换。维修成本太高，加工周期长，急需改造。
　　
　　三、阀的针对性改造
　　
　　（1）将原楔型端面改为平端面，两端面间接触面积尽量减小，使杂质压在端面间的机会减小，万一杂质夹到端面间压伤端面，可将端面卸下在一般密封研磨台上进行研磨，零件可修复再利用。
　　
　　（2）原阀体为整体阀，阀内端面在阀中部靠后，维修极不方便，现改为阀体两分式，将阀体端面夹在两部分阀体中间，靠两个密封圈与阀体连接，既保证了端面的防抽空，又使端面有一定的浮动性，可以更好的同另一端面配合，最可取的一点是阀体密封端面可拆卸，可维修，可更换。
　　
　　（3）原阀体为铸造件，为大批量生产的最优化生产方案，而小批量生产，铸造成本非常高，为降低成本，将原铸造件改为焊接件，降低成本。
　　
　　四、阀设计步骤及参数选择
　　
　　1.设计依据
　　
　　（1）工况条件以公称直径为DN50mm的调节阀为例，额定调压范围0.2~0.8MPa，温度：40℃。
　　
　　（2）原阀的设计理论。
　　
　　（3）力平衡原理。
　　
　　（4）改造阀的可维修性。
　　
　　（5）原阀的结构。
　　
　　2.设计程序
　　
　　（1）根据该阀的工作原理及安装方式，新改造的阀外形及工作原理同以前相似。
　　
　　（2）根据介质的性质，合理选用阀体材质，选用该材质完全能满足该阀的使用要求。
　　
　　（3）调压范围的确定
　　
　　原调压范围定为0.2~0.8MPa，为使整个阀体安装过程中弹簧力不影响安装，即弹簧自由状态小于弹簧座与动环之间最大距离，设计时将范围底限0.2MPa降至0，这样并不影响整个阀的工作，而且组装阀时也比较省力。
　　
　　（4）基本结构的确定
　　
　　阀内存在两个端面，阀本身有出口和入口接在泵上，阀本身使端面贴合的力由弹簧提供，弹簧力的调节由调整螺栓调节。
　　
　　以将该阀设计为可拆卸更换端面式为设计思路，将原整体阀改为两部分，用螺栓联接在一起，以定位销定位，保证出入口两法兰平面度，阀两部分结合处安装阀内端面，端面与阀体间安装密封圈（材质聚四氟乙烯），既可防止入口压力高将端面压出，又增加了端面的浮动性，使阀工作时两端面间为柔性接触，密封更可靠。
　　
　　运动端面靠导向柱导向，导向柱和动环之间用螺纹联接，维修时将导向柱卸下，可以直接研磨端面进行修复。导向柱螺纹尖端做成尖角，旋紧后以尖角锁紧，防止泵振动过程中将导向柱振松。
　　
　　（5）端面位置的确定
　　
　　因本阀出入口位置已确定，法兰位置一定要在两口之间，才能保证端面在两口之间，为使螺栓联接方便，尽量把法兰设在两口中间，同时为了使弹簧有更大的使用空间，尽量把端面靠近入口。
　　
　　3.主要结构的几何尺寸确定及技术要求
　　
　　（1）端面宽度
　　
　　为使两端面间接触面积尽量减小，使杂质压在端面间的机会减小，又让端面受压强不至于太高，端面宽度取b=3mm。
　　
　　（2）端面尺寸
　　
　　确定根据原阀体外形尺寸大小，新设计阀体不能大于原阀体，否则安装时可能和泵外接管线干涉，去掉阀体壁厚及法兰空间，端面尺寸基本确定在φ58.5mm以内。为减少介质在端面附近沉积，端面附近设计成大倒角尺寸以减少介质沉积，初步确定尺寸为φ36mm×φ30mm。
　　
　　（3）确定阀调压范围内压力调节范围
　　
　　端面受压面积：
　　
　　式中S--端面面积，单位为mm2；
　　
　　R--端面半径，单位为mm。
　　
　　最大弹簧力（阀受压0.8MPa时端面应受闭合力）：
　　
　　F1=pS=0.8×1017=813.5N
　　
　　式中F1---最大弹簧力，单位为N；
　　
　　p---阀体最大压力，单位为MPa。
　　
　　即该阀正常工作时额定压力调整范围为0~813.5N。
　　
　　（4）设计弹簧
　　
　　长度：总长应小于或等于阀内弹簧空间才能使安装时螺钉联接省力，经计算，L≤108mm。
　　
　　最大工作长度：f应小于阀帽内空间（去除两端螺钉头和螺母），经计算，f≤33mm。
　　
　　外径：整根弹簧应能装在阀体内，所以φ外<φ58.5，暂时设定中径D2=45mm
　　
　　①选取材料和许用应力
　　
　　属一类弹簧，材料选用0Cr17Ni14Mo2，由《机械设计手册》表30.2-4查得τp=324MPa。
　　
　　②求弹簧钢丝直径
　　
　　按《机械设计手册》弹簧设计用公式（30.2-6）
　　
　　查《机械设计手册》弹簧设计用图30.2-4得C=7.4；
　　
　　③求有效圈数
　　
　　按《机械设计手册》弹簧设计用公式30.2-5
　　
　　按《机械设计手册》弹簧设计用公式30.2-5
　　
　　④计算其余尺寸参数
　　
　　总圈数n1=n+1.5=6
　　
　　最大工作载荷下的变形量
　　
　　压并载荷及压并变形量根据弹簧工作区应在全变形量20%~80%的条件，取f1=0.8fb，则
　　
　　表明f1满足工作区的条件。
　　
　　压并高度Hb=（n1-0.5）d=（6-0.5）×6=33mm
　　
　　自由高度H0=Hb+fb=33+33=66mm
　　
　　节距
　　
　　螺旋角
　　
　　γ=5.13°，满足5°~9°的要求，弹簧设计完成。
　　
　　4.主要参数
　　
　　本阀主要工作原理是当出入口介质压差与弹簧压力之合力波动时，由弹簧控制端面间力大小，所以只要控制弹簧力合适，就可使阀正常工作。即只要控制A尺寸大小（见图2）就可控制整个阀的工作。
　　
　　根据公式p=FS=Δlks得
　　
　　由此计算各压力范围时A尺寸大小，如图3：
　　
　　按照此图可直接使用本阀。
　　
　　五、改造后的效果
　　
　　（1）因将阀密封面由楔形面改成了平面，延长了运行寿命，改造后此阀寿命一般都在10000h以上，大大超出原阀3200h的使用寿命。
　　
　　（2）维修方便，易损件为动静环端面，如动静环磨损，可拆下密封环进行研磨，维修周期短，节约购买阀的费用。