1 概述
切断阀作为一种压力管道元件的典型产品，在国民经济发展中有着举足轻重的作用。常规的切断阀一般由多弹簧气动薄膜执行机构或浮动式活塞执行机构与调节阀组成，通过电气元件的控制，可以有效地对压力管道内的流体进行切断，结构简单灵活，操作便捷，应用广泛。
切断阀工作的稳定性及可靠性，与切断阀的主体阀门、快开结构的结构形式以及主要承压件的材料选用密切相关。切断阀的工作状态一般为常开状态，当压力管道或者存储设备发生泄漏，切断阀就会触发，进行紧急切断，可以有效减少人员伤亡及财产损失。
本文研究了一种新型的切断阀，工作介质为从加热炉出来的730℃高温氩气，介质流经阀门然后送入试验段。该阀门是一个电动快速阀，开启时间为20ms，关闭时间为80ms，每分钟开关450次，使试验片得到脉冲气流，要求每次试验开关9000次。该电动快速切断阀结构特殊，可应用在特殊工况，为国家的尖端科技发展作出突出贡献，具有极大的社会效益。本阀门开创了一种超快开启和关闭的新型结构，同时也为阀门行业发展作出了贡献。
2 结构特点
本文研究出的切断阀，功能特殊，是一种国内外首创的快开阀，阀门通径DN65，介质为高温气体，压力为3MPa，温度为1000K（730℃），开启时间为20ms，关闭时间为80ms，每分钟开关450次。驱动装置采用电动形式，阀芯阀杆连成一体，高速旋转（450转/分），阀瓣在旋转平面开有腰形长方孔，阀座固定在下阀体上，开有小方孔，两孔对齐，介质通过，阀门全开；部分对齐，阀门半开；两孔不通，则阀门关闭。动密封副的设计非常复杂，阀体、阀瓣、阀座、阀杆设计有循环水冷却系统。
3 工作原理快开高温球面密封切断阀结构组成如图1所示，阀门主要由阀体、阀座、阀盖、阀瓣、阀杆以及驱动阀杆转动的驱动装置组成。
阀杆与阀瓣同轴设置且固定连接，阀杆上安装有用于调节阀瓣与阀座之间摩擦力的摩擦调节机构。阀体和阀盖上设有供气体流通的排气通道，阀瓣和阀座位于排气通道的路径上。阀座固定安装在阀体内，且其设有与排气通道贯通的第一通孔，阀瓣上设有与第一通孔对应的第二通孔。排气通道具有3种状态，当阀瓣转动且第一通孔与第二通孔重合时开启，部分重合时半开启，不重合时关闭。采用电机作为驱动装置带动阀杆、阀瓣作旋转运动，阀瓣上有2条腰形圆弧状的第二通孔，阀座上有2个第一通孔且其外圆弧和内圆弧的半径均分别与阀瓣第二通孔的半径相同。当阀瓣旋转时，阀座的第一通孔与阀瓣的第二通孔重合，则气流可通过，阀门则开启；部分重合时，则称为半开或半关；完全不重合，则称为关闭。阀门的开启和关闭就是由阀座的第一通孔与阀瓣的第二通孔的重合程度来决定的。阀门为经过排气通道的高温氩气提供连续的间隔喷射（图2），具有工作稳定性好，泄压分流效果好的优点。
图2 流量线形图
4 结构分析研究
快开高温球面密封切断阀主要由4部分组成：阀门电机驱动部分，阀杆、阀芯、阀瓣组合件，阀盖部分，阀体部分。快开高温球面密封切断阀三维模型如图3所示。
（1）阀门电机驱动部分
阀门电机驱动部分主要由电机、电机支架、支撑架、皮带轮、皮带等组成，电机可以在电机支架上左右调动，方便电机皮带轮和支架皮带轮对正，皮带轮和电机之间用键连接。电机支撑架上的2个外六角螺钉可以用来拉紧皮带轮上的皮带，整个电机的支撑可根据安装方向确定。CTY系列电机具有无极电磁调速功能，自身也携带转速反馈传感器，调节转速范围为0～1250r/min，结构紧凑，性能稳定可靠，操作简单，用做该阀门的驱动装置。
（2）阀杆、阀芯、阀瓣组合件
阀杆、阀芯、阀瓣组合件主要由杆芯、上阀杆、皮带轮、下阀杆、阀瓣、位置标示等组成，芯（杆芯）是固定不动的用来冷却阀瓣的装置，所有零件均可拆卸。除了杆芯件不转动之外，其余零部件都随阀瓣转动，下阀杆尾部的螺母用于开车前的盘车。阀瓣因腰形开孔，其几何旋转中心与质量重心距离相差较大，为解决阀瓣的动平衡问题，用反向失重法和先进的机加工技术以及动平衡测试方法，改善阀瓣的旋转平衡问题。该组合件由先进设备整体精加工而成，保证了上、下阀杆轴外圆的同轴度、阀瓣的平行度以及阀瓣与阀杆轴的垂直度。杆芯是阀瓣的冷却装置，密封位点很多，其中所有O型圈均采用了全氟醚橡胶材质，可用于温度高、磨损较大的场合。
组合件中很多旋转位置采用了高精度的平面轴承和深沟球轴承来对阀杆、阀芯、阀瓣组合件进行定位，在旋转方向上有多重定位，保证了整个阀门装置的强度和稳定性。冷却水从进水管流入阀杆，流经阀瓣内部，从阀瓣内小圆盘四周小孔流出，再从上阀杆和杆芯管壁间流进管芯壁孔中，进入出水管，最后从出水口流出，对阀瓣内部进行冷却的同时也对上阀杆进行了冷却。上阀杆内部主要是对冷却水进行密封，有一道主密封和一组副密封。2个平面轴承和其对夹的固定板对杆芯进行定位，保证上阀杆在旋转过程中不与杆芯件发生摩擦。上、下阀杆同阀瓣单边用12个特制螺栓连接，在特制螺栓处用O型圈（全氟醚橡胶）来密封该位置，防止高温气体窜入螺栓，造成阀瓣两面发生泄漏。
（3）阀盖部分
阀盖部分主要由介质进口管道、法兰、固定支架、上支架、上支架盖板、阀盖、填料等零件构成。固定支架主要靠2个小螺钉来固定杆芯件防止其转动，上支架盖板和上支架间留有安装皮带轮的空间，皮带轮用键固定在阀杆组件上，上支架上有2个深沟球轴承对上阀杆进行定位。阀盖流道旁的夹套内充满冷却水，对阀盖进行冷却，保证金属在阀门异常状态下的持久强度。阀盖上的螺柱和螺栓孔用来紧固电机支撑板，无论是水平安装还是垂直安装，都应有独立的电机支架同安装平台安装，电机支撑板只起辅助连接作用。
为了保证组装位置的精准可靠，在不同的位置安装了定位销，保证整个阀盖部分与阀杆间接相连位置的孔一次性精加工成型，而不发生错位。填料函外圆与阀盖内孔处存在0.5mm的隔热间隙，能够抵挡流道处大量热传导，填料函与阀盖处的O型圈（全氟醚橡胶）能保证密封。两边填料采用的是5圈HY1500碳纤材料，具有很好的比强度，并且耐高温、耐磨损、重量轻、密封性能可靠。在环绕阀体和阀盖外圆处，有一圈焊接的夹套，既能对阀体、阀盖强度起到加强的作用，又能对流道处的阀体、阀盖起到冷却降温的作用，保证阀体和阀盖的强度。
（4）阀体部分
阀体部分主要由出口管道、法兰、下支架、前后调节座、阀体、填料等零件构成。下支架主要的作用是对下阀杆组合件进行定位，下支架上的调节座和圆螺母主要用来调节阀瓣与阀座的间隙，阀瓣和阀座间隙控制在0.2～0.3mm之间，保证阀瓣在高速旋转中不会发生摩擦，也保证了介质从后端0.2～0.3mm的间隙之间流出，不致使阀瓣与阀座在旋转中气流不及时排放而贴死。间隙中的泄漏量有要求，应确保阀门关闭后泄漏流量值小于全开流量值的1‰。
防转块用来定位调节座，调节座可用特制扳手进行顺时针或逆时针旋转，带动阀杆、阀芯、阀瓣组合件前后挪动，以调节阀瓣与阀座间隙。下支架和调节座之间用螺纹连接，能够实现微调，螺纹的螺距为2mm，若调节座旋转经过1/4周，阀杆、阀芯、阀瓣组合件能够向前（后）挪动0.5mm，当间隙调节好后，可用圆螺母固定。阀盖的冷却夹套和阀体冷却夹套功能一致，长时间使用能够保持阀盖强度，阀体、阀盖之间用圆柱销定位，确保阀体、阀盖组装后精加工精度。
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