機械密封裝置在壓力調節閥上的應用

　　壓力調節閥門是裝在泵出口處的壓力調節裝置，是使泵正常工作的保護裝置，閥出口、入口分別聯接在泵入口、出口處。正常工作時，泵出入口壓差一定，閥關閉。當泵出口管線堵塞或其他原因造成出口管路系統壓力升高時，泵出口壓力會超出泵的出口設計壓力，導致泵出入口壓差增大不能正常工作時，閥打開，使泵出口介質返回入口，降低泵出口壓力，將壓差控制在允許范圍內，保證泵的正常工作。
　　
　　閥改造前工作示意圖如圖1所示，K面為閥工作面，靠調節A處大小調整彈簧壓力，正常工作時入口側壓力與彈簧力之和等于出口壓力。當入口處壓力大于彈簧力和出口壓力之和時K面打開，介質通過K面流入出口端，平衡兩側壓差。
　　
　　二、調節閥失效原因分析
　　
　　原閥因結構上的缺陷，使用周期較短，分析其失效原因主要有以下幾點，同時對閥結構進行了針對性的設計。
　　
　　（1）該閥失效表現為泵無法正常保壓，泵振動往往是閥失效的一個原因。經現場觀察，泵運行時泵體如振動較大，若振動頻率與彈性元件的固有頻率接近，則閥會出現磨損式疲勞損傷，導致端面失效。
　　
　　（2）原閥端面為楔型端面，雖工作過程兩端面接觸較好，但端面無法研磨（無合適研磨器具進行研磨）經分析，該裝置為靜止兩端面接觸，工作時兩端面并無相對運動，只需端面貼和好，保證平面度，就可以正常工作。故可將楔型端面改為可研磨的平端面。
　　
　　（3）經分析為端面處失效，拆開后發現端面有傷痕，是泵內雜質在端面處壓傷端面。因原閥為整體閥，端面與閥體鑄造在一起，無法進行部分更換，只好整體更換。維修成本太高，加工周期長，急需改造。
　　
　　三、閥的針對性改造
　　
　　（1）將原楔型端面改為平端面，兩端面間接觸面積盡量減小，使雜質壓在端面間的機會減小，萬一雜質夾到端面間壓傷端面，可將端面卸下在一般密封研磨臺上進行研磨，零件可修復再利用。
　　
　　（2）原閥體為整體閥，閥內端面在閥中部靠后，維修極不方便，現改為閥體兩分式，將閥體端面夾在兩部分閥體中間，靠兩個密封圈與閥體連接，既保證了端面的防抽空，又使端面有一定的浮動性，可以更好的同另一端面配合，zui可取的一點是閥體密封端面可拆卸，可維修，可更換。
　　
　　（3）原閥體為鑄造件，為大批量生產的*化生產方案，而小批量生產，鑄造成本非常高，為降低成本，將原鑄造件改為焊接件，降低成本。
　　
　　四、閥設計步驟及參數選擇
　　
　　1.設計依據
　　
　　（1）工況條件以公稱直徑為DN50mm的調節閥為例，額定調壓范圍0.2~0.8MPa，溫度：40℃。
　　
　　（2）原閥的設計理論。
　　
　　（3）力平衡原理。
　　
　　（4）改造閥的可維修性。
　　
　　（5）原閥的結構。
　　
　　2.設計程序
　　
　　（1）根據該閥的工作原理及安裝方式，新改造的閥外形及工作原理同以前相似。
　　
　　（2）根據介質的性質，合理選用閥體材質，選用該材質完滿足該閥的使用要求。
　　
　　（3）調壓范圍的確定
　　
　　原調壓范圍定為0.2~0.8MPa，為使整個閥體安裝過程中彈簧力不影響安裝，即彈簧自由狀態小于彈簧座與動環之間zui大距離，設計時將范圍底限0.2MPa降至0，這樣并不影響整個閥的工作，而且組裝閥時也比較省力。
　　
　　（4）基本結構的確定
　　
　　閥內存在兩個端面，閥本身有出口和入口接在泵上，閥本身使端面貼合的力由彈簧提供，彈簧力的調節由調整螺栓調節。
　　
　　以將該閥設計為可拆卸更換端面式為設計思路，將原整體閥改為兩部分，用螺栓聯接在一起，以定位銷定位，保證出入口兩法蘭平面度，閥兩部分結合處安裝閥內端面，端面與閥體間安裝密封圈（材質聚四氟乙烯），既可防止入口壓力高將端面壓出，又增加了端面的浮動性，使閥工作時兩端面間為柔性接觸，密封更可靠。
　　
　　運動端面靠導向柱導向，導向柱和動環之間用螺紋聯接，維修時將導向柱卸下，可以直接研磨端面進行修復。導向柱螺紋做成尖角，旋緊后以尖角鎖緊，防止泵振動過程中將導向柱振松。
　　
　　（5）端面位置的確定
　　
　　因本閥出入口位置已確定，法蘭位置一定要在兩口之間，才能保證端面在兩口之間，為使螺栓聯接方便，盡量把法蘭設在兩口中間，同時為了使彈簧有更大的使用空間，盡量把端面靠近入口。
　　
　　3.主要結構的幾何尺寸確定及技術要求
　　
　　（1）端面寬度
　　
　　為使兩端面間接觸面積盡量減小，使雜質壓在端面間的機會減小，又讓端面受壓強不至于太高，端面寬度取b=3mm。
　　
　　（2）端面尺寸
　　
　　確定根據原閥體外形尺寸大小，新設計閥體不能大于原閥體，否則安裝時可能和泵外接管線干涉，去掉閥體壁厚及法蘭空間，端面尺寸基本確定在φ58.5mm以內。為減少介質在端面附近沉積，端面附近設計成大倒角尺寸以減少介質沉積，初步確定尺寸為φ36mm×φ30mm。
　　
　　（3）確定閥調壓范圍內壓力調節范圍
　　
　　端面受壓面積：
　　
　　式中S--端面面積，單位為mm2；
　　
　　R--端面半徑，單位為mm。
　　
　　zui大彈簧力（閥受壓0.8MPa時端面應受閉合力）：
　　
　　F1=pS=0.8×1017=813.5N
　　
　　式中F1---zui大彈簧力，單位為N；
　　
　　p---閥體zui大壓力，單位為MPa。
　　
　　即該閥正常工作時額定壓力調整范圍為0~813.5N。
　　
　　（4）設計彈簧
　　
　　長度：總長應小于或等于閥內彈簧空間才能使安裝時螺釘聯接省力，經計算，L≤108mm。
　　
　　zui大工作長度：f應小于閥帽內空間（去除兩端螺釘頭和螺母），經計算，f≤33mm。
　　
　　外徑：整根彈簧應能裝在閥體內，所以φ外<φ58.5，暫時設定中徑D2=45mm
　　
　　①選取材料和許用應力
　　
　　屬一類彈簧，材料選用0Cr17Ni14Mo2，由《機械設計手冊》表30.2-4查得τp=324MPa。
　　
　　②求彈簧鋼絲直徑
　　
　　按《機械設計手冊》彈簧設計用公式（30.2-6）
　　
　　查《機械設計手冊》彈簧設計用圖30.2-4得C=7.4；
　　
　　③求有效圈數
　　
　　按《機械設計手冊》彈簧設計用公式30.2-5
　　
　　按《機械設計手冊》彈簧設計用公式30.2-5
　　
　　④計算其余尺寸參數
　　
　　總圈數n1=n+1.5=6
　　
　　zui大工作載荷下的變形量
　　
　　壓并載荷及壓并變形量根據彈簧工作區應在全變形量20%~80%的條件，取f1=0.8fb，則
　　
　　表明f1滿足工作區的條件。
　　
　　壓并高度Hb=（n1-0.5）d=（6-0.5）×6=33mm
　　
　　自由高度H0=Hb+fb=33+33=66mm
　　
　　節距
　　
　　螺旋角
　　
　　γ=5.13°，滿足5°~9°的要求，彈簧設計完成。
　　
　　4.主要參數
　　
　　本閥主要工作原理是當出入口介質壓差與彈簧壓力之合力波動時，由彈簧控制端面間力大小，所以只要控制彈簧力合適，就可使閥正常工作。即只要控制A尺寸大小（見圖2）就可控制整個閥的工作。
　　
　　根據公式p=FS=Δlks得
　　
　　由此計算各壓力范圍時A尺寸大小，如圖3：
　　
　　按照此圖可直接使用本閥。
　　
　　五、改造后的效果
　　
　　（1）因將閥密封面由楔形面改成了平面，延長了運行壽命，改造后此閥壽命一般都在10000h以上，大大超出原閥3200h的使用壽命。
　　
　　（2）維修方便，易損件為動靜環端面，如動靜環磨損，可拆下密封環進行研磨，維修周期短，節約購買閥的費用。