劉功祥

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院)

0 前言

球閥是石油、化工、電站、長(zhǎng)輸管線等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門不可缺少的流體控制設(shè)備。在西氣東輸?shù)拇蟊尘芭c時(shí)下天然氣的推廣普及的應(yīng)用環(huán)境之下，球閥的重要性不言而喻。

隨著西氣東輸工程的推進(jìn)，城市天然氣管網(wǎng)的陸續(xù)建成，球閥將有更廣闊的應(yīng)用前景。隨之而來(lái)的是對(duì)球閥的可靠性、耐用性等性能的要求越來(lái)越高。為了保證球閥的質(zhì)量，必須進(jìn)行三個(gè)方面的試驗(yàn)：一是閥體水壓試驗(yàn)，二是閥體氣壓試驗(yàn)，三是球閥閥體密閉性試驗(yàn)[1]。

球閥閥體氣壓試驗(yàn)就是對(duì)球閥的閥體充氣加壓并將其全部浸入水下進(jìn)行觀察，檢查有無(wú)泄漏。該試驗(yàn)的主要目的是確保球閥的質(zhì)量。本文研究的裝置為半自動(dòng)氣壓試驗(yàn)裝置。要求設(shè)計(jì)的球閥試驗(yàn)裝置對(duì)球閥具有提升、水平移動(dòng)、鎖扣、密封、充壓、吹干等功能。

1 整體設(shè)計(jì)

作為一種檢測(cè)試驗(yàn)裝置，對(duì)于其可靠性有著比較高的要求。對(duì)于這樣一個(gè)新型裝置，起初我們的設(shè)計(jì)要求主要有以下幾點(diǎn)：

（1）依照球閥的設(shè)計(jì)參數(shù)初定該裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)；

（2）依照相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則初定裝置的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其可行性進(jìn)行論證；

（3）對(duì)于選定方案進(jìn)行理論的計(jì)算與校核；

（4）通過(guò)一定的工廠實(shí)習(xí)與市場(chǎng)調(diào)研，確定詳細(xì)的結(jié)構(gòu)以及完成零部件選型；

（5）利用相關(guān)軟件進(jìn)行裝置裝配及運(yùn)行模擬。

為了達(dá)到以上要求，我們?cè)谠O(shè)計(jì)之初結(jié)合市場(chǎng)、生產(chǎn)廠家和目前行業(yè)現(xiàn)狀確定了該裝置的主要目標(biāo)。要求試驗(yàn)裝置能在自動(dòng)控制下完成試件提升、水平移動(dòng)、壓緊裝置自動(dòng)鎖扣、密封、充壓和進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，完成試驗(yàn)后自動(dòng)轉(zhuǎn)移試件并將試件吹干。天然氣球閥的氣壓試驗(yàn)對(duì)于安全性有更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)以上各項(xiàng)功能，同時(shí)又最大程度地滿足各方需要，最終把整套裝置分成六大主體，即上下提升平臺(tái)、水平移動(dòng)平臺(tái)、傳動(dòng)裝置、壓緊密封裝置、干燥裝置和打印記錄裝置。

2 各功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [2-3]

2.1 提升平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成

提升平臺(tái)是該裝置的一個(gè)主要部分，其主要功能是提供閥體一個(gè)能自由上下的平臺(tái)，其構(gòu)成主要有下述一些零部件：

小車裝配體 （小車平臺(tái)、車輪、車輪銷）——放置閥體的平臺(tái)；

絲桿——提供平臺(tái)上下運(yùn)行的傳動(dòng)部件；

小車支撐裝置——小車平臺(tái)與絲桿間的連接裝置；

軌道——提供平臺(tái)運(yùn)動(dòng)路徑；

軸承——絲桿端面處連接部件；

槽鋼——提供支撐作用，同時(shí)由于絲桿的高速轉(zhuǎn)動(dòng)有一定危險(xiǎn)性，故其起保護(hù)作用。

2.2 傳動(dòng)裝置

2.2.1 傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)組成

傳動(dòng)裝置主要由電機(jī)和齒輪組成[4-5]。對(duì)于傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初主要有兩套方案，具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。通過(guò)分析比較，最終選擇傳動(dòng)裝置Ⅰ作為該裝置的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其理由主要是基于以下幾個(gè)方面考慮：

圖1 傳動(dòng)裝置Ⅰ

圖2 傳動(dòng)裝置Ⅱ

（1）出于傳動(dòng)比的考慮。通過(guò)計(jì)算確定了傳動(dòng)比u=1，故不需要設(shè)置如傳動(dòng)裝置Ⅱ所示的減速機(jī)構(gòu)。

（2）出于絲桿旋轉(zhuǎn)方向的考慮。為了保證一組絲桿的運(yùn)動(dòng)是同一個(gè)時(shí)針?lè)较颍源_保小車平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)裝置Ⅰ設(shè)置了一個(gè)惰輪，巧妙地解決了這個(gè)問(wèn)題。所謂惰輪，就是其作用不改變傳動(dòng)比只改變傳動(dòng)方向的一個(gè)齒輪。而傳動(dòng)裝置Ⅱ中的兩個(gè)絲桿的運(yùn)動(dòng)方向是得不到保證的。

（3）出于頂箱空間的考慮。傳動(dòng)裝置Ⅰ把電機(jī)設(shè)計(jì)在頂箱的后部，保證了頂箱前部有較大空間以便于前部集中儀表盤的安裝，同時(shí)給中間的壓緊氣缸的安裝保留足夠的位置。而傳動(dòng)裝置Ⅱ則未能充分考慮此問(wèn)題。

2.2.2 傳動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

傳動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算如表1所示。傳動(dòng)參數(shù)主要包括傳動(dòng)裝置提供的功率以及傳動(dòng)比。

表1 傳動(dòng)參數(shù)

2.3 水平移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成

水平移動(dòng)平臺(tái)主要由小車平臺(tái)、氣缸和軌道組成，如圖3所示。

圖3 水平移動(dòng)平臺(tái)

2.4 壓緊裝置的設(shè)計(jì)

2.4.1 四周壓緊裝置

四周壓緊裝置主要包括壓緊氣缸、氣缸連接法蘭、螺栓、壓緊法蘭和O形密封圈等零部件。

依據(jù)閥體的接管法蘭以及工藝要求設(shè)計(jì)的法蘭盤如圖4所示。其中錐形凸臺(tái)的設(shè)計(jì)目的是為了方便找中心。此處的密封系采用O形密封圈進(jìn)行線性密封。

圖4 法蘭盤

2.4.2 上端壓緊裝置

上端壓緊裝置主要由壓緊法蘭、一對(duì)鎖扣、雙行程氣缸、壓緊氣缸和O形密封圈等零部件構(gòu)成，如圖5所示。

其中氣桿與法蘭件設(shè)計(jì)成一連接結(jié)構(gòu)，其上端與氣桿采取螺紋連接，以便于系列法蘭的替換。其下端與法蘭焊接連接。

鎖扣作為該裝置的一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)部件，它的設(shè)計(jì)要求是在壓緊試件時(shí)保證同步相向運(yùn)動(dòng)。它的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 上端壓緊裝置

圖6 鎖扣

2.4.3 下端壓緊裝置

下端壓緊裝置是整套裝置的一個(gè)核心部件，它由一組法蘭盤組成，法蘭盤之間是可拆卸的。該裝置提供的水壓試驗(yàn)平臺(tái)適用于DN100、DN80、DN50三個(gè)系列的球閥。為了解決不同球閥中心高度不一致的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種 “寶塔式”的底法蘭盤，各法蘭盤之間采用O形密封圈密封，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 下端壓緊裝置

2.5 水箱的設(shè)計(jì)

水箱分為上下兩個(gè)部分。對(duì)于上水箱而言，由于其四周需要安裝壓緊法蘭，故在其四周開設(shè)四個(gè)孔。水槽高度由閥體中心高度確定。另外考慮到操作工藝的要求，上水箱四周氣缸的安裝孔必須具有一定的同心度，以保證法蘭盤裝配的精度要求。上水箱底部設(shè)置四個(gè)進(jìn)水孔和一個(gè)閥體的打氣孔。

對(duì)于下水箱而言，需要開一個(gè)閥體打氣孔、一個(gè)壓水的進(jìn)氣孔和一個(gè)放空孔。上下水箱之間用焊接連接。焊接方法可以選擇角焊，但必須保證焊接性能。焊接完成后，需要檢驗(yàn)上下水箱的焊接密封性。

由于水箱長(zhǎng)期浸在水中，所以必須考慮其防銹處理。綜合考慮廠方需要和工程實(shí)際應(yīng)用需要，確定選用不銹鋼材料。

2.6 干燥裝置

由于做完氣壓試驗(yàn)的工件是潮濕的，需要立即吹干，否則易生銹，故這個(gè)干燥裝置必不可少。干燥裝置主要由一個(gè)打氣孔和一個(gè)均布?xì)饪椎臍饪渍纸M成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 干燥裝置

干燥裝置的主要特點(diǎn)是其氣孔的設(shè)置與布局。氣孔為一周直孔和一周斜孔錯(cuò)位布置，目的是使吹干的效率更高。另外一個(gè)特點(diǎn)是該裝置的安裝位置考慮周到，安裝位置如圖8所示，這樣的安裝位置便于一邊轉(zhuǎn)移試驗(yàn)完畢的閥體，一邊吹干，兩者同步完成，節(jié)約了時(shí)間，提高了工作效率。

2.7 底座支撐和坡板

圖9是底座支撐與坡板的裝配體圖。這部分主要由兩個(gè)37°的坡板、一個(gè)支持平臺(tái)和四個(gè)橡膠輪組成。其中坡板與底座支撐之間采用鉸鏈連接。坡板的用途是提供一個(gè)運(yùn)送工件到達(dá)試驗(yàn)平臺(tái)的路徑，選用鉸鏈連接是為了節(jié)約空間，在裝置不使用時(shí)可以將兩塊坡板折疊。安裝四個(gè)橡膠輪的目的是方便裝置的移動(dòng)。此外，在選用車輪時(shí)充分體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)，其中的一排輪還設(shè)置成了萬(wàn)向輪且?guī)в心_剎裝置。

圖9 底座支撐和坡板

2.8 顯示、打印、記錄裝置

為了適應(yīng)現(xiàn)如今產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的規(guī)范化要求，特意設(shè)計(jì)了這樣一組集顯示、打印、記錄的配套裝置。其主要由下述部件組成：

觸摸屏——實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供一個(gè)集成操作平臺(tái)；

照相機(jī)——實(shí)時(shí)拍照，記錄試驗(yàn)現(xiàn)象；

打印機(jī)——記錄數(shù)據(jù)，匯集報(bào)表。

另外，在安裝這組設(shè)備的時(shí)候，為了方便操作人員觀察記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該裝置可以旋轉(zhuǎn)一定角度。但是為了充分考慮試驗(yàn)裝置的安全性，保證試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，該裝置的旋轉(zhuǎn)角度是有位置區(qū)間限制的。為此設(shè)計(jì)了一個(gè)直臂手并把它用軸承連接，最終焊接在槽鋼的背部，以此確定其兩個(gè)極限位置始終與槽鋼背部在同一平面上，避免其旋轉(zhuǎn)至水箱正上方而導(dǎo)致整套試驗(yàn)裝置無(wú)法正常運(yùn)行。

2.9 頂箱

為了保證整套裝置平穩(wěn)運(yùn)行，裝置的頂端設(shè)置一頂箱。一方面是為了提高結(jié)構(gòu)的緊湊性，另一方面是對(duì)傳動(dòng)裝置起到一定的保護(hù)作用。在頂箱的正面安裝了一個(gè)集中儀表盤作為輔助顯示，便于在特殊情況下操控裝置的運(yùn)行。對(duì)于頂箱與頂箱底板之間的連接，采用翻邊螺釘連接。采用這樣的連接便于拆裝與檢修。

3 水壓試驗(yàn)操作流程

該試驗(yàn)裝置作為一個(gè)自動(dòng)化裝置其總裝配圖如圖10所示，其運(yùn)行操作主要有以下幾個(gè)步驟[6]：

（1）放置試件，通過(guò)其他運(yùn)輸裝置把試驗(yàn)閥體沿坡板運(yùn)送到小車平臺(tái)。

（2）接通電源，傳動(dòng)裝置運(yùn)行，提升試驗(yàn)閥體，直到小車軌道與上水箱上端軌道吻合為止，電機(jī)停止運(yùn)行。

（3）在電機(jī)完全停止運(yùn)行之后，通過(guò)氣缸推動(dòng)小車平臺(tái)水平移動(dòng)，直到氣缸完成其行程為止。

圖10 裝配體

（4）小車平臺(tái)停止移動(dòng)，上端壓緊氣缸驅(qū)動(dòng)上端壓緊法蘭盤向下運(yùn)行至與閥體的法蘭面完全重合處，同時(shí)鎖緊鎖扣。

（5）小車氣缸驅(qū)動(dòng)小車往回移動(dòng)，在小車平臺(tái)完全離開上水箱上方時(shí)，上端壓緊氣缸繼續(xù)攜帶閥體往下運(yùn)動(dòng)，直到閥體的下端法蘭與上水箱底部法蘭盤完全吻合。

（6）打開下水箱進(jìn)氣孔，然后通氣；利用氣壓把下水箱中的水壓到上水箱中，至水位高于閥體最頂部為止，然后關(guān)閉閥門。

（7）打開進(jìn)氣閥，往閥體內(nèi)充氣，至壓力表顯示預(yù)設(shè)的試驗(yàn)壓力為止。

（8）保壓，持續(xù)一段時(shí)間觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)拍照記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（9）完成試驗(yàn)，卸下閥體內(nèi)部壓力，接著打開下水箱進(jìn)氣孔的閥門泄壓，直至上水箱中的水全部回流至下水箱為止。

（10）提升試驗(yàn)閥體至上水箱上端，接著驅(qū)動(dòng)右端小車平臺(tái)至上水箱上端，放置閥體于小車平臺(tái)之上，同時(shí)解開鎖扣。

（11）右端小車平臺(tái)往回運(yùn)動(dòng)至初始位置，接著電機(jī)開始運(yùn)行，同時(shí)吹干裝置開始工作。

（12）試件閥體吹干，運(yùn)輸裝置運(yùn)走閥體，然后重復(fù)下一個(gè)閥體的試驗(yàn)。

4 結(jié)論

近年來(lái)球閥發(fā)展較快。球閥的特點(diǎn)是耐腐蝕、安全性高、重量輕、成本低。隨著城市管網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，球閥的應(yīng)用更為廣泛，因而保證球閥質(zhì)量的試驗(yàn)裝置也愈加顯得重要。本文所設(shè)計(jì)的天然氣調(diào)節(jié)球閥閥體半自動(dòng)氣壓試驗(yàn)裝置適用的球閥公稱直徑為DN50～100 mm，工作壓力≤1.0 MPa。這就滿足了系列化、批量化球閥閥體試驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)要求。

今后，球閥試驗(yàn)裝置將會(huì)在下述幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展： （1）試驗(yàn)球閥的閥體公稱直徑范圍和試驗(yàn)壓力范圍將繼續(xù)擴(kuò)大； （2）在傳動(dòng)裝置方面，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，必將出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)形式來(lái)替代如今的電機(jī)齒輪傳動(dòng)； （3）由于自動(dòng)化程度的不斷提高，控制技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，必將出現(xiàn)更精確更平穩(wěn)的控制方案。

[1] 陸培文.閥門選用手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2] 章華友，晏澤榮.球閥設(shè)計(jì)與選用 [M].北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[3] 劉德俊，王越，王雪梅.呼吸閥閥體水壓試驗(yàn)分析[J].遼寧化工，2005，34(2)： 87-89.

[4] GB 150—1998鋼制壓力容器 [S].

[5] 范英俊，孫韶華，薛紀(jì)二，等.球鐵管水壓試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)與研究 [J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2002（2）：33-35.

[6] 陳康寧.機(jī)械控制工程基礎(chǔ) [M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1999.