（机械工程专业论文）铁道粘油罐车下卸阀cad.pdfVIP

西南交通大学硕士学位论文第l 页 摘要 随着新材料和新技术在阀门上的应用，以及数控加工设备的逐步普及， 特别是在阀门设计上应用a n s y s 有限元分析软件进行模拟力学计算，使国内 阀门的设计制造水平有了较大的提高。然而铁路阀门设计、制造水平较低， 已经不能满足铁路运输的需要。将这些技术应用到铁路阀门上已是目前迫切 需要解决的问题。 本论文分析了我国铁路粘油罐车下卸阀的发展过程，并列举了国外几种 阀门。在此基础上，采用了先进的设计技术，研制了铁路粘油罐车下卸阀产 品，具体的工作如下： ( 1 ) 确定了粘油罐车下卸阀的结构，并用传统的计算公式，利用密封 面平均直径计算了平均密封比压； ( 2 ) 应用a n s y s 有限元分析软件计算了模拟工况下浮动球阀的密封比 压，并与理论的计算公式进行了对比； ( 3 ) 对常用的阀体强度计算公式进行了一般性推导，而对阀体壁厚的 计算则采用了强度理论进行校核； ( 4 ) 采用了有限元技术对阀体的应力进行了分析，验算了阀体的结构 强度安全； ( 5 提出了模拟铁道罐车运输条件下的使用工况，利用已有的标准和 试验设备，进行壳体、密封、冲击、振动、工作寿命等试验。 在这些研究的基础上，研制了新型唇形密封结构的双开式粘油下卸阀， 并获得了相应的实用新型专利，专利号为：z l0 022 6 3 4 8 3 ，在实用中 取得了很好的效果。 关键词：铁道粘油罐车；密封；壳体；下卸阀：c a d 西南交通大学硕士学位论文第f f 页 a b s t r a c t s w i t ht h ea p p l i c a t i o no fn e wm a t e r i a la n dt e c h n o l o g yi nv a l v e s ，a n dt h e p o p u l a t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t , e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no fa n s y s f e as o f t w a r ei nt h ed e s i g no fv a l v e s ，t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gl e v e lo f v a l v e sm a d eg o o di m p r o v e m e n t h o w e v e r , b e c a u s eo ft h el o wd e s i g no fv a l v e s ，i t c a nn o tm e e tt h en e e do ft h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a y i ti sav e r yn e c e s s a r y p r o b l e mt os o l v ea tt h ep r e s e n tp e r i o d t h i st h e s i sa n a l y z e st h ed e v e l o p i n gp r o c e d u r eo ft h ev a l v e so f v i s c o u so i l t a n kc a r , a n dl i s t so v e r s e a sd i f f e r e n tv a l v e s b a s e do nw h i c h ，w ea d o p ta d v a n c e d t e c h n o l o g y , d e v e l o pt h ep r o d u c to fd o w n l o a d i n gv a l v eo fv i s c o u so i lt a n kc a r , a u o ft h ew o r ki nt l l i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) g i v et h es t r u c t u r eo fd o w n l o a d i n gv a l v eo fv i s c o u so i lt a n kc a r , a n d u t i l i z et h et r a d i t i o n a le q u a t i o n sa n da v e r a g ed i a m e t e ro ft h es e a l i n gs u r f a c e c a l c u l a t i n gt h ea v e r a g es e a l i n gp r e s s u r e ( 2 ) c a l c u l a t i n gt h es e a l i n gp r e s s u r eo ff l o a t i n gg l o b a lv a l v ei nt h ec o n d i t i o n o f s i m u l a t e d c a s e s b y u s i n g t h e l e a s o f t w a r e o f a n s y s ( 3 ) g i v et h ec a l c u l a t i n ge q u a t i o no fg e n e r a li n t e n s i t yo ft h ev a l v eb o d y , a n d c h e c kt h et h i c k n e s so f v a l v eb o d y b yu s i n gi n t e n s i t yt h e o r y ( 4 ) a n a l y z et h es t r e s so ft h ev a l v eb o d yb yu s i n ga n s y s ，w h i c ht e s t i f i e st h e s a f ei n t e n s i t yo f v a l v es t r u c t u r e ( 5 ) p r e s e n tt h es e r v i n g c a s eo f s i m u l a t i n gt h e t a n kc a ri nt h er u n n i n g c o n d i t i o n ，a n du t i l i z i n ge x i s t i n gs t a n d a r da n dt e s t i n ge q u i p m e n t ，g i v et h et e s t so f r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yi nt h ec a s e so fv a l v eb o d y , s e a l i n g , s h o c k i n g , v i b r a t i n g a n dw o r k i n gl i f e b a s e do nt h e s er e s e a r c h ，w ed e v e l o p e dan e w t y p ev a l v en a m e dd o u b l e - o p e n v i s c o u so i ld o w n l o a d i n gv a l v eo fl i p - s h a p es e a l i n gs t r u c t u r e ，a n do b t a i n e dt h e n e wp a t e n t ，w h o s en u m b e ri s ：z l0 02 2 6 3 4 8 3 ，w h i c hh a sg o o de f f e c ti n p r a c t i c e k e y w o r d s ：r a i lv i s c o u so i lt a l l kc a r ；s e a l ；v a l v eb o d y , d o w n l o a d i n gv a l v e c a d 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题研究的背景和现状 随着社会经济的发展，铁道粘油罐车在石化领域内使用越来越普遍，虽 然我国石油、天然气管道铺设的越来越多，但对于远距离粘油运输仍首选铁 道罐车。特别是有些油田的特稠油，由于含腊量不高，凝点低，密度大、粘 度高、流动困难，仍依靠铁路运输。 目前，铁道粘油罐车采用下卸结构，在运行过程，若出现泄漏事故，很 难及时发现。泄漏的粘油散布在铁道两侧，不仅造成物质损失，而且对环境 造成一定的污染，甚至在清理时都存在着一定的困难。 1 1 1 国内研究现状 粘油类罐车均为下卸式排油装置。其操纵方式分为两种：一种是在车顶 上操纵，另一种是在车下操纵。 1 1 1 1 车项上操纵式下排油阀 车顶上操纵式下排油阀：1 9 5 6 年设计、试制的g 1 2 型粘油罐车采用在车 顶上操纵式下排油阀由旋塞式( 马尔达式) 中心排油阀和两个闸板阀组成。 在试制中发现旋塞式中心排油阀和闸板阀研磨困难，不易保证密封，以及罐 体其它结构的设计缺陷故未形成批量生产。因此，在1 9 5 9 年作了重新设计， 采用在车顶上操纵的上下压紧双作用式的中心排油阀( 如图卜1 所示) 和偏 心压紧式的侧排油阀( 如图卜2 所示) 。通过多年来的生产运用实践，表明 上述两阀门有如下问题： ( 1 ) 结构复杂，排油通路狭窄，卸油速度慢且经常出故障； ( 2 ) 在罐体上的开闭轴密封盖由于操作不便，出厂后被人为拆除，造 成罐体密封不严。 ( 3 ) 由于部分零部件的磨损，使阀杆与下阀螺套脱离，造成操纵失灵。 西南交通大学硕士学位论文第2 页 图卜1 上下压紧双作用式排油阀 1 一阀体；2 一阀套；3 一阀杆；4 一上阀瓣；5 一螺套： 6 一阀座；7 一下阀瓣；8 一阀盖： ( 4 ) 由于原油内的砂石和掉进罐内的杂物等经常垫住和卡住上、下阎口， 造成漏油，故在1 9 6 5 年将车上操纵式下排油阀改进设计为在车下操纵的球 形中心排油阀和球形侧排油阀。 图卜2 偏心压紧式侧排油阀 西南交通大学硕士学位论文第3 页 卜阀盖；2 - 阀体；3 开闭轴；4 一偏心轮；5 一导杆；6 一压紧弹簧；7 一阀瓣； 1 1 1 2 车下操纵式下排油阀 车下操纵式下排油阀从设计到改进经过了不同的几个阶段，现分别介绍 如下。 ( 1 ) 球形排油阀 1 9 6 5 年，大连机车车辆厂为了解决排油通道不畅、排油速度慢、结构复 杂等问题，专门设计了中心单开式球形排油阀( 见图卜3 ) 。 图1 3 单开式球形排油阀 卜阀体；2 - 阀座密封圈；3 - 阀芯；4 - 阀体密封圈垫：5 一阀盖： 6 - - 阀杆填料垫；7 - 填料压盖；8 一手把；9 一锁铁；1 0 - 开闭轴； 西南交通大学硕士学位论文第4 页 同时，在出油口设置了球形侧排油阀。投产后不久取消了球形侧排油阀 ( 见图卜4 ) ， 图1 - 4 球形侧排油阀 卜阀盖；2 一阀座密封圈；3 一阀芯；4 - 阀体密封圈垫；5 - 阀体；6 - 开闭轴； 7 一手把；8 一填料压盖；9 一阀杆填料垫；1 0 一压盖：1 1 - 0 密封圈；1 2 一盖； 1 3 - 挡圈； 延长排油三通管，m 1 3 0 3 的螺纹接头及侧盖直接与三通管的排油口相 接，方便了制造和检修。设计时曾单纯地从安全上考虑，将球形中心排油阀 的开关手把隐蔽设计在中梁内，并设有锁铁，开阀时须插上m 2 5 的钢管，搬 开锁铁才能开启阀门。但投人运用后，发现存在有锁铁损坏，从而造成开关 失灵，并且工人须弯着腰在中梁下面操作开关等问题，所以，1 9 6 9 年设计试 制了“埋入式”双开球形中心排油阀( 见图1 - 5 ) ，可在车下两侧操作开关， 方便了卸油作业。 1 9 7 0 年生产的一批g 1 7 型和g 1 7 a 型粘油槽车上装用了“三委六部”罐 改试验组设计的活塞式中心排油阀，该装置在运用中出现了一些问题。为此， 铁道部于1 9 7 3 年以( 7 3 ) 交机辆字第2 8 2 0 号部令指示将粘油罐车的活塞式 中心排油阀改为球形中心排油阀，并于1 9 7 6 年将“埋入式”双开球形中心 排油阀定为粘油类罐车的通用件( 图号为h t 2 7 0 一0 0 7 6 ) 。 西南交通大学硕士学位论文第5 页 图卜5 双开球形中心排油阀 卜阀座密封圈；2 一阀芯；3 一密封圈；4 一开闭挡； 5 一开闭轴；6 一盖；7 - 阀体；8 - 垫；9 - 阀盖； 2 活塞式中心捧油阀 在1 9 7 0 年1 9 7 3 年之间，生产的一批g 1 7 型粘油槽车上装用了“三委六 部”罐改试验组设计的活塞式中心排油阀( 见1 - 6 ) ，该装置在运用中出现了 一些问题：在结构上存在开关无确切的位置；排油阻力大、速度慢；掉入罐 内的杂物，如砖瓦、石块、破布、杂草等易卡住或垫住阀口，造成关闭不严 而漏油。 图1 - 6 活塞式中心排油阀 卜阀头；2 一密封圈；3 一阀杆；4 一阀体；5 一套； 6 一密封圈；7 一齿轮轴； 西南交通大学硕士学位论文第6 页 从1 9 7 6 年定型以后，由于历史和制度等种种原因，下卸阀的研究工作 进展比较缓慢。 1 1 2 国外研究现状 1 1 2 1 蝶阀 如图1 7 所示，p e r o l o 公司生产的蝶阀在i s o 罐式集装箱、公路罐车、 铁路罐车上大量使用，采用3 1 6 l 不锈钢制作，其密封材料为聚四氟乙烯 ( f i e f ) 。由于p t e f 材料具有耐腐蚀、性能稳定、不易老化、摩擦系数低、 易于成形、尺寸稳定，并且可通过填充、添加适当材料以改善其综合性能， 从而使该阀的性能得到了迸一步的提高，特别是在温度、压力、密封性能等 方面。 图1 - - 7p e r o l o 公司( 法国) 蝶阀 图1 8m i d l a n d 下卸阀结构 该阀在完全开启时，具有较小的流阻；旋转1 4 圈即可启闭，开肩灵活； 阀瓣的运动带有擦拭性，可用于带悬浮颗粒的介质。 1 1 2 2m i d l a n d 下卸阀 m i d l a n d 工业公司生产的下卸阀如图1 - 8 所示，主要安装在铁道罐车上 西南交通大学硕士学位论文第7 页 下卸阀采用不锈钢镶边或整体由不锈钢制成。弹性密封件或四氟乙烯密封件 可保证下卸阀的绝对密封性。下卸阀的开口由带弹性圆盘盖板的凸轮控制， 可达到最高卸货流量。如果下卸阀安置了配套的鞍座，则不需再加装保护罩。 同时还提供了为载卸高粘稠介质时所需要的阀f - j j 温套和保温套。 1 1 2 3 科隆巴赫下卸结构 图1 - 9 所示为科隆巴赫下卸结构，该结构主要安装在德国生产的铁路罐 车上。采用两种阀门，三道密封形式( 中心下卸阀为弹簧式截止阀，密封材 料为聚四氟乙烯；侧面分别用机械式截止阀和盲盖密封) ，对于高粘稠介质， 可加设加热装置，以保证正常卸载；对于易燃易爆介质，在阀门开启操作杆 上加装了液压系统和远程控制装置。并可根据介质的相容性，变换不同阀门 材料。 图1 9 科隆巴赫下卸结构 在国外，工业发展比较早，下卸阀使用经验较丰富，故对结构的研究已 基本停止，仅从材质与介质的相容性方面进行应用研究。 1 2 论文研究的问题和意义 随着新材料和新技术在阀门上的应用，以及数控加工设备的逐步普及， 特别是在阀门设计上应用a n s y s 有限元分析软件进行模拟力学计算，使国内 阀门的设计制造水平有了较大的提高。然而铁路阀门设计、制造水平较低， 已经不能满足铁路运输的需要。将这些技术应用到铁路阀门上已是目前迫切 西南交通大学硕士学位论文第8 页 需要解决的问题。 本论文分析了我国铁路粘油罐车下卸阀的发展过程，并列举了国外几种 阀门确定了粘油罐车下卸阀的结构，并用传统的计算公式利用密封面平均 直径计算了平均密封比压，同时应用a n s y s 有限元分析软件进行模拟力学计 算，两者进行了比较。 本论文研究的是针对旧粘油罐车下卸阀的结构和材料已落后于国内外 同类产品的现状，经对各阀门类型进行比较，并借鉴北美铁道协会使用的球 阀，确定下卸阀整体结构；密封副的材料及结构等，以解决其在使用过程中 扭矩大( 下卸阀用专用扳手打不开，只有用铁锤敲击方能打开的现象) 、有 泄漏等问题，研制出新一代粘油罐车下卸阀。 基于以上分析，本文主要的研究内容为： ( 1 ) 归纳分析国内外铁路粘油罐车下卸阀的状况； ( 2 ) 根据我国实际情况，提出自主研制铁路粘油罐车下卸阀的思路； ( 3 ) 确定粘油罐车下卸阀的结构，并用传统的计算公式，计算平均密 封比压； ( 3 ) 应用a n s y s 有限元分析软件计算模拟工况下浮动球阀的密封比压， 并与理论的计算公式进行对比以获得计算的正确性； ( 4 ) 对常用的阀体强度计算公式进行一般性推导，而对阀体壁厚的计 算采用强度理论进行校核； ( 5 ) 采用有限元技术对阀体的应力进行分析，以验算阀体的结构强度 安全； ( 6 ) 提出模拟铁道罐车运输条件下的使用工况，利用已有的标准和试 验设备，进行壳体、密封、冲击、振动、工作寿命等试验，以对所研制的产 品进行实验验证； ( 7 ) 在这些研究的基础上，研制新型粘油下卸阀。 西南交通大学硕士学位论文第9 页 1 3 研究问题的基本思路 1 3 1 基于a n s y s 分析的计算平台 本论文依据铁路罐车在运输过程中的实际工况，通过对公式溯源的探 讨，按照相关的设计标准进行理论计算，并用a n s y s 有限元分析软件进行模 拟力学计算。 1 3 2 由模拟工况组成的试验平台 本论文依据铁路罐车在运输过程中的实际工况，提出了模拟铁道罐车运 输条件下的试验要求，利用已有的标准和试验设备，对研制完成的下卸阀进 行壳体、密封、冲击、振动、工作寿命等试验。 1 3 研制目标 本论文依据铁路粘油罐车的使用情况，针对旧粘油下卸阀的结构和材料 已落后于国内外新技术产品的现状，以及其在使用过程中扭矩大( 下卸阀打 不开，有用铁锤敲击方能打开的现象) 、有泄漏现象，并根据哈密车辆段召 开的罐车检修会议的安排，我们决定改造设计粘油下卸阀，试制完成后，我 厂以厂文呈报了关于申请试装g 1 7 粘油罐车新型下卸阀的请示。 1 4 主要设计依据 g b ，r 1 1 8 4 2 0 0 0 g b 厂r 1 2 2 0 - 1 9 9 2 g b ，r 1 8 0 4 - 2 0 0 0 g b t 4 9 8 1 1 9 8 5 g b 厂i 6 4 1 4 - 1 9 8 6 g b ，r 1 2 2 3 7 1 9 8 9 t b t 1 4 6 4 1 9 9 1 t b 厂1 2 5 9 8 1 9 9 6 形状和位置公差未注公差值 不锈钢棒 一般公差线性尺寸的未注公差 工业用阀门的压力试验 铸件尺寸公差 通用阀门法兰和对焊连接钢制球阀 铁道机车车辆用碳钢铸件通用技术条件 机车车辆零件切削加工通用技术条件 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 j b t 8 8 6 1 1 9 9 9 j b t 9 0 9 2 1 9 9 9 z b g 3 3 0 0 2 1 9 8 5 t b t 2 9 8 8 2 0 0 0 1 b ，t 2 5 4 2 - 2 0 0 0 1 5 与下卸阀相关的参数 球阀静压寿命试验规程 阀门的检验与试验 聚四氟乙烯板材 铁路机车车辆部件冲击试验方法 铁路机车车辆部件振动试验方法 与下卸阀相关的参数主要有强度性能、密封性能、启闭力和启闭力矩、 启闭速度、动作灵敏度和可靠性、使用寿命等。 ( 1 ) 强度性能： 阀门的强度性能是指阀门承受介质压力的能力。阀门是承受内压的机械 产品，因而必须具有足够的强度和刚度，以保证长期使用而不发生破裂或产 生变形。 ( 2 ) 密封性能： 阀门的密封性能是指阀门各密封部位阻止介质泄漏的能力，它是阀门最 重要的技术性能指标。阀门的密封部位有三处：启闭件与阀座两密封面间的 接触处；阀杆与阀体的配合处；阀体与阀盖的连接处。其中前一处的泄漏叫 做内漏，也就是通常所说的关不严，它将影响阀门截断介质的能力。对于截 断阀类来说，内漏是不允许的。后两处的泄漏叫做外漏，即介质从阀内泄漏 到阀外。外漏会造成物料损失，污染环境，严重时还会造成事故。对于易燃 易爆、有毒或有放射的介质，外漏更是不能允许的，因而阀门必须具有可靠 的密封性能。 ( 3 ) 启闭力和启闭力矩： 启闭力和启闭力矩是指阀门开启或关闭所必须施加的作用力或力矩。关 闭阀门时，需要使启闭件与阀座两密封面间形成一定的密封比压，同时还要 克服阀杆与阀体之间、阀杆与螺母的螺纹之间、阀杆端部支承处及其他磨擦 部位的摩擦力，因而必须施加一定的关闭力和关闭力矩，阀门在启闭过程中， 所需要的启闭力和启闭力矩是变化的，其最大值是在关闭的最终瞬时或开启 的最初瞬时。设计和制造阀门时应力求降低其关闭力和关闭力矩。 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 ( 4 ) 启闭速度： 是用阀门完成一次开启或关闭动作所需的时间来表示。一般对阀门的启 闭速度无严格要求，但有些工况对启闭速度有特殊要求，如有的要求迅速开 启或关闭，以防发生事故，有的要求缓慢关闭，以防产生水击等，这在选用 阀门类型时应加以考虑。 ( 5 ) 动作灵敏度和可靠性： 是指阀门对于介质参数变化，做出相应反应的敏感程度。对于节流阀、 减压阀、调节阀等用来调节介质参数的阀门以及安全阀、疏水阀等具有特定 功能的阀门来说，其功能灵敏度与可靠性是十分重要的技术性能指标。 ( 6 ) 使用寿命： 表示阀门的耐用程度，是阀门的重要性能指标，并具有很大的经济意义。 通常以能保证密封要求的启闭次数来表示，也可以用使用时间来表示。 1 6 论文的结构 论文结构如下： 第1 章：绪论。介绍了国内外的下卸阀现状、论文研究的问题和意义，以及 本论文研制目标、主要设计依据和所需要的基础知识。 第2 章：失效分析及结构形式的确定。通过调研、分析下卸阀失效的原因， 借鉴国外的经验，对比各种阀门的优缺点，确定其结构形式。 第3 章：密封结构设计。详细介绍了密封结构的选择、密封比压的计算和校 核。 第4 章：外壳结构设计。详细介绍了外壳结构的选择、强度的计算和校核。 第5 章：试验。为了验证两侧双开式球阀在装车后的使用性能，在投入批量 生产前，提出了模拟铁道罐车运输条件下的使用工况，利用已有的 标准和试验设备，进行试验。 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 第2 章失效分析及结构形式的确定 通过对用户及检修单位调查发现：现用粘油下卸阀存在开闭扭矩大，开 闭不到位，性能不稳定，介质易泄漏等问题。找到失效的原因，是解决既有 下卸阀存在问题的关键。一 2 1 粘油罐车下卸阀使用工况 2 1 1 作用及安装环境 粘油罐车主要装载介质为原油、重油、渣油、润滑油、煤焦油等，它们 在常温下为流体或半流体。 下卸阀用于粘油排出，安装在罐体底部中央( 如图2 - 1 ，2 - 2 所示) ，为 浮动球式常温阀门按其作用原理可分为旋塞、活塞式和球式三类。其中球式 排油阀是借助螺栓与焊在罐体上的阀座连接，阀体上部伸入罐内。 图2 1 无底架罐车下卸阀安装位置 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 图2 2 有底架罐车下卸阀安装位置 介质最大工作压力0 1 9 5 2 m p a 。( 介质计算密度按0 9 9 c r a 3 计算，罐体 直径0 2 8 0 0 m m ，介质压力o 0 2 5 2 m p a ，安全阀最大开启压力o 1 7 m p a ) 排油阀公称直径l o o m m ，结构长度2 3 3 m m ，与管道联接形式为法兰联 结，手动操作。 工作温度在枷。c _ - 1 2 0 。c 2 1 2 下卸阀( h t 2 7 0 - 0 0 - 9 1 ) 的结构特点 下卸阀( h t 2 7 0 - 0 0 9 1 ) 为对分式浮动球阀，阀座材质采用橡胶1 4 ，属 耐油橡胶，脆性温度不大于2 5 。c 。阀体、阎盖材质为铸钢件，其间为石棉 橡胶密封，厚度在0 5 r a m - - 2 5 r a m 之间，调整石棉橡胶厚度可对两端阀座施 加预紧力，使阀座产生弹性变形，靠橡胶反弹力密封，如图2 - - 3 所示。装 车后转动罐车两侧的开闭轴，来带动阀上的开闭轴挡及阀上的开闭轴实现阀 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 的开闭。 图2 3 密封结构 1 球芯2 橡胶阀座3 一阀体 2 2 旧粘油罐车下卸阀存在的问题的分析 2 2 1 球芯开关不到位 如图2 4 所示为球芯开关不到位的工况。 当罐车两侧开闭轴端刻线在水平位置时，显示球阀关闭。由于设计时上 开闭挡与阀体间的止档间定位面为非加工表面，产生最大旋转误差2 8 。而 开闭轴、开闭轴挡及( 球阀上的) 开闭轴的配合从设计图中来看配合误差很 小，加工工艺及组装工艺也能满足设计图要求，由于它们间的受力比( 球阀 上的) 开闭轴与球芯( 它们的配合如图2 - 5 所示) 上2 8 的槽间受力小，故 图2 4 球芯开关不到位 西南交通大学硕士学位论文 第1 5 页 图2 5 球芯与开闭轴配合 仅分析( 球阀上的) 开闭轴与球芯上2 8 的槽间磨损和塑交，由于开闭轴 进行了淬火处理而球芯未淬火，所以球芯为易磨件，当球芯2 8 的槽，每 一单边塑性变形和磨损超过2 m m 时，( 球阀上的) 开闭轴与球体旋转不同步， 引起旋转误差，误差为1 3 。时，阀座与球体位置如图2 - 5 所示 卜叶 + 一 烈卜 i、 一| i 。k 图2 m 5 开闭轴与球体旋转不同步 ( 球芯材质为4 5 钢) ，就引起球阀的泄漏。失效形式为球芯上2 8 的槽塑 爹，蓬，一群 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 性变形和磨损失效。其实物失效如图2 7 和2 8 所示。 图2 7 槽塑性变形和磨损失效图2 8 槽和磨损失效 2 2 2 球芯表面镀铬处理不当 球芯的材质为4 5 ，为了达到防锈，耐磨以及良好的气密性等要求，必须 在球心表面采用乳白镀铬的方法。由于铬层具有多孔性，通常在零件表面直 接镀铬作防腐层不理想，一般要经过多层电镀才能达到目的。在图样中镀铬 层仅要求双层镀铬，要求较低，致使镀层质量达不到使用要求，导致球表面 腐蚀。图2 9 为球心表面镀铬层剥落现象。 图2 9 球心表面镀铬层剥落 西南交通大学硕士学位论文第1 7 页 2 2 3 阀座材料不适于罐车的使用工况 ( 1 ) 装载介质为煤焦油 煤焦油是多种物质的混合物，主要组分是强溶剂芳香族化合物和某些含 硫或含氮的杂环化合物等组成。其对各种橡胶均有强腐蚀作用。煤焦油对阀 座( 材质为橡胶h ，属耐油橡胶) 严重腐蚀，使排油阀失效，造成泄漏( 在 罐车大修时发现阀座仅剩金属环) 。若再用此罐装载原油、重油、渣油，由 于排油阀失效，也将泄漏。失效形式为阀座的腐蚀失效。 ( 2 ) 装载介质为原油、重油、渣油 在常温下原油一般为流体或半流体状态，主要是由各种烃类和非烃类化 合物( 硫、氮、氧等与碳、氢形成的硫化物、碳化物、氧化物和胶质、沥青 质等非烃化合物含量l o - - 2 0 ) 组成的复杂混合物，并含有沙石。虽然排油 阀的密封副为镀铬的球面，表面租糙度r a 0 4 ，但阀座的材质为耐油橡胶i 4 ， 其问摩擦系数较大，并且阀座强度低、抗擦伤性能较差、不耐磨，就易造成 阀座的过快磨损和擦伤，从而引起泄漏。失效形式为阀座的磨损、擦伤、甚 至脱落，典型结构如图2 1 0 所示。 图2 1 0 阀座中的耐油橡胶失效 西南交通大学硕士学位论文第1 8 页 2 2 4 开闭扭矩大 阀座材料是橡胶制造的，橡胶易老化，不耐腐蚀，老化后摩擦力和粘着 力更大，造成阀门开闭时扭矩特大( 据用户介绍有的阀开闭需要俩人操作才 能扭动) ；橡胶不耐磨损，需要及时调整密封间隙和及时维修，否则因密封 不良造成渗油。 有一些阀门在行车或装车过程中，发生泄漏情况，采用沙袋或杂草( 如 图2 1 1 所示) 将阀口堵上，虽然不漏油了，但在卸车时，阀门己开启到位， 油无法流出，操作者强拧开闭轴造成阀门损坏；或者在冬季，加热不到位， 操作者通过加大力矩来打开阀门。以上两种情况均会导致图2 - 1 2 开闭轴拧坏 的情况发生，以致阀门失效。 图2 - 1 1 从阀门中掏出的杂草 图2 - 1 2 开闭轴拧坏 2 3 下卸阀门结构形式的确定 统过对国内外现有适用于粘油罐车下排系统的阀门的调查，选出合理的 结构形式和密封材料，制定出可行的方案，研制出可克服现有阀门缺点，达 到运行要求的下卸阀门。 2 3 1 阀门结构原理的可行- 陛分析 根据调研结果，按阀l - j 的结构原理分类的蝶阀、旋转阀( 如：球阀、旋 西南交通大学硕士学位论文第1 9 页 塞阀) 、闸阀、截止阀均可作为粘油车的下卸阀门。蝶阀和旋转阀都有一个 组件绕垂直于流体的轴而旋转；闸阀则是利用阀杆带动滑动部件，沿介质流 动方向垂直移动来开关阀门；截止阀属于利用一塞形密闭件，沿阀座中心线 靠近或离开阀座的类型。在粘油车上的运用可行性分别分析如下： 蝶阀：由于其有激励流体的特性，蝶阀适用于需较大流通直径( 可达 3 0 0 0 m m ) 的介质，但其需要自锁装置，若用蜗轮蜗杆实现自锁，结构较复 杂。 旋塞阀：旋塞的形状有圆柱形和圆锥形，阀门构造简单，重量较轻，启 闭速度快、耐火烧等优点。用于中心排油结构时，不能从两侧开启，增加操 作工的劳动强度。 截止阀：可实现硬密封，密封较可靠，但其操作复杂，完全打开需旋转 1 8 圈左右，且外形尺寸较大，不适于粘油罐车。 闸阀：一般为单面密封，且低压密封性不好，其它同截止阀。 球阀：流体阻力小，其阻力系数与同长度的管段相等；结构简单、体积 小、重量轻；密封可靠，目前球阀的密封面材料广泛使用塑料、密封性好； 操作方便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转9 0 。，便于远距离的控制； 维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方便； 在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起 阀门密封面的侵蚀；通过重新设计，可从两侧开启。满足粘油罐车的使用要 求。 2 3 2 阀门运用的可行性分析 粘油罐车结构按其底架形式可分为有底架和无底架结构。据不完全统 计，有底架型粘油罐车保有量为1 万多辆；无底架型保有量为2 0 0 0 多辆， 并以每年1 0 0 0 辆的速率递增。 有底架型粘油罐车下卸阀安装在底架内，如图2 2 所示。若采用其他形 式的阀门，将需改动底架的尺寸，对全路保有量车进行下卸改造将会增大成 本，浪费资源，故下卸阀的重新设计必须满足现有车辆的安装尺寸和操作空 间。两侧双开式球阀则满足以上要求。 西南交通大学硕士学位论文第2 0 页 无底架型粘油罐车下卸阀安装位置如图2 - 1 所示。在满足车辆限界和阀 门接口的要求下，对阀门的结构形式要求不严。两侧双开式球阀则可满足。 2 3 3 阀门结构的确定 阀门结构的确定，主要是分析各型阀门的结构特点，并考虑铁路粘油罐 车的具体特点，同时借鉴国外先进技术，主要是密封技术。 蝶阀、旋塞阀、截止阀、闸阀及球阀在原理上都可作为粘油罐车用下卸 阀使用。 蝶阀在介质较纯净时，密封性较好，而我国粘油中砂石时等较多；并且 其需要自锁装置，若用蜗轮蜗杆实现自锁，结构较复杂，由于车辆的运动可 靠性无法保证，不适于粘油罐车。 旋塞阀：适用于中心排油结构，不能从两侧开启，增加操作工的劳动强 度，故它也不适于粘油罐车。 截止阀：可实现硬密封，密封较可靠，但其操作复杂，完全打开需旋转 1 8 圈左右，且外形尺寸较大，并且螺纹部分易腐蚀，不适于粘油罐车。 闸阀：一般为单面密封，且低压密封性不好，其它同截止阀不适于粘油 罐车。 从我国粘油罐车下卸阀发展历史以及发达国家阀门技术的发展，结合我 国具体国情，我们认为使用两侧双开式球阀可以满足使用和接口形式的要 求。它有以下特点： 球阀结构形式为浮动式，即球阀的球体是浮动的，在介质压力作用下， 球体能产生一定的位移并紧压在出口端的密封面上，保证出口端密封。结构 简单，密封性好，但球体承受工作介质的载荷全部传给了出口密封圈，因此 要考虑密封圈材料能否经受得住球体介质的工作载荷。另外球阀开闭仅需旋 转9 0 。，操作方便。 西南交通大学硕士学位论文第2 1 页 3 1 阀门密封性能 第3 章密封设计 阀门的密封性能是考核阀门质量优劣的主要指标之一阀门的密封性能 主要包括两个方面，即内漏和外漏。内漏是指阀座与关闭件之间对介质达到 的密封程度，考核内漏的标准我国有两个：一个是国家技术监督局1 9 9 2 年 1 2 月发布，1 9 9 3 年6 月1 日开始实施的国家标准g b , , t 1 3 9 2 7 1 9 9 2 通用阀 门压力试验。这个标准是参照采用国际标准l s 0 5 2 0 8 1 9 8 2 ( 工业用阀门阀 门的压力试验制订的；另一个是原机械工业部发布的j b t 9 0 9 2 1 9 9 9 阀 门的试验与检验，这个标准是参照a p l 5 9 8 1 9 8 6 阀门的检查和试验制订 的。g b t 1 3 9 2 7 1 9 9 2 适用于一般工业用阀门的检验；j b t 9 0 9 2 1 9 9 9 适用于 石油工业用阀门的检验。外漏是指阀杆填料部位的泄漏、中法兰垫片部位的 泄漏及阀体因铸件缺陷造成的渗漏，外漏是根本不允许的。 影响阀门密封性能的因素主要有：密封面质量；密封面宽度； 阀前和阀后的压力差；密封面材料及其处理状态；介质性质；表 面亲水性；密封油膜的存在；关闭件的刚性和结构特点。 3 2 阀座的设计 3 2 1 密封面材料 密封面是阀门最关键的工作面，密封面质量的好坏关系到阀门的使用寿 命，通常密封面材料要考虑耐腐蚀，耐擦伤，耐冲蚀，抗氧化等因素。 密封面材料通常分两大类：软质材料和硬密封材料。软质材料有橡胶( 包 括丁睛橡胶，氟橡胶等) 和塑料( 聚四氟乙烯，尼龙等) 。硬密封材料有： 铜合金( 用于低压阀门) 、铬不锈钢( 用于普通高中压阀门) 、司太立合金( 用 于高温高压阀门及强腐蚀阀门) 、镍基合金( 用于腐蚀性介质) 。结合实际使 用工况，采用聚四氟乙烯为阀座材料。 据腐蚀数据与选材手册可知煤焦油对各种橡胶均有强腐蚀作用，而 聚四氟乙烯具有良好的耐腐性，特别是填充4 0 的铜粉牌号为s f t - 3 ，更具 西南交通大学硕士学位论文第2 2 页 有优良的耐磨性，形状稳定性及自润滑性能好，摩擦系数小( 0 0 5 ) ，其性能 数据如下： 抗拉强度( m p a ) 弹性模量( m p a ) 硬度( 髓) 伸长率( ) 摩擦系数 1 4 - 2 53 9 24 52 5 0 _ 5 0 00 0 5 橡胶i - 4 的性能数据如下： 扯断强度( m p o硬度( 邵尔)摩擦系数 77 0 - 8 0 0 8 从填充聚四氟乙烯s f t - 3 与橡胶i - 4 的性能数据比较可看出，s f t - 3 的 抗拉强度、硬度值比橡胶i 4 的高，摩擦系数比s f t - 3 的低得多，故阀座材 质采用填充聚四氟乙烯s f t - 3 比采用橡胶i - 4 更耐腐蚀、更抗擦伤、更抗磨 损。 其次聚四氟乙稀还有如下特性： 温度使用范围广，可在2 0 0 。c 的高温下长期使用，也可在- 5 0 。c 的低温下工作； 化学稳定性好； 优良的自润滑性，它具有极低且非常接近的动、静摩擦系数； 突出的表面不粘性，非经特殊的表面处理，几乎所有粘性物质都不 能粘在它的表面； 无吸湿性。 3 2 2 阀座结构尺寸 i 4l 图3 - 1 阀座结构尺寸 西南交通大学硕士学位论文第2 3 页 阀座材质选用填充聚四氟乙烯s f r - 3 ，根据球芯尺寸，参照有关标准及 北美铁路协会( a a r ) 的粘油罐车下卸阀( a a rn o e - 8 8 9 5 6 9 ) 的图样和相 关技术条件，将阀座结构改为唇形弹性阀座，其结构尺寸如图3 - 1 所示。唇 形弹性阀座结构相当于一个悬臂密封结构，在装配后能够产生一定的预紧 力，当温度发生变化或磨损后，这种结构具有一定的补偿作用，它适用我国 目前粘油品质，使用寿命较长。 阀座的内孔直径由采用国家标准值巾1 0 5 r a m ，以提高关闭可靠性，避免 了开闭系统由于旋转误差造成的球心关不到位现象。 3 3 阀芯的设计 3 3 1 阀芯材料 图3 - 2 阀座结构 阀芯球面作为密封副的工作面之一，其质量的优劣关系到阀门的密封性 能、使用寿命，故选材要考虑耐腐蚀，耐擦伤，耐冲蚀，抗氧化等因素，还 应考虑热处理性能、切削加工性能等。 ( 1 ) 耐腐蚀性能 影响阀芯材料的耐腐蚀性能的环境因素主要有介质组成和温度两方面。 其常用的防护措施有：电化学法、涂缓蚀剂、表面用覆盖层、采用与介质相 容的材质等。根据铁道粘油罐车的使用条件，以及对各种防护措施的综合对 比，选用与介质相容的不锈钢材料来保护阀芯的锈蚀。 ( 2 ) 热处理的影响 西南交通大学硕士学位论文第2 4 页 所谓热处理就是通过加热、保温、冷却的方法使材料在固态下的组织结 构发生改变，从而获得所要求的性能的一种加工工艺在生产上，热处理既 可用于提高材料的力学性能及某些特殊性能以进一步充分发挥材料的潜力， 亦可用于改善材料的加工工艺性能，如改善切削加工、拉拔挤压加工和焊接 性能等。由于以前采用低碳钢材质，在使用过程中，开闭轴与阀芯之间磨损 严重，以致开闭不到位，产生泄漏事故。因此在选用材质时，需进行热处理， 提高耐磨性。 ( 3 ) 切削加工性能影响 材料进行切削加工时的难易程度称为切削加工性能。切削加工性能主要 用切削速度、加工表面光洁度和刀具使用寿命来衡量。影响切削加工性能的 因素有工件的化学成分、组织、硬度、导热性和形变强化程度等。一般认为 材料具有适当硬度和足够脆性时较易切削。 根据使用条件及要求，选用马氏体不锈钢为球芯材料，牌号为2 c r l 3 ， 采用锻制工艺。其力学性能为：ob 6 3 5m p a ；65 t 2 0 ；1 l r 5 0 ；球芯 的表面淬火处理h r c 4 0 - 4 5 ：热处理：淬火处理；加热温度为：9 2 0 9 8 0 c ； 淬火处理后的冷却方式为：油冷。其具有较好的切削加工性能。 3 3 2 阀芯结构尺寸 阀芯的球面尺寸为由1 6 0 r a m ，通油孔尺寸 为由1 0 0 m m ，与开闭轴连接尺寸宽为2 4 啪， 两阀座间的距离符合国家标准值。其结构如 图3 3 所示。 3 3 3 阀芯精度 图3 - 3 阀芯结构 表面粗糙度影响零件使用性能，直接关 系到阀芯的使用寿命和工作可靠性。 表面粗糙度对配合性质的影响：对于间隙配合，粗糙表面易磨损。孔、 轴相对运动时，因配合表面间的有效接触面积小，单位压力大而会很快磨损， 西南交通大学硕士学位论文第2 5 页 从而使配合间隙增大，引起配合性质的改变。对于过盈配合，在粗糙表面装 配压入过程中，会使微观凸峰挤平而填入凹谷，减小了实际有效过盈，降低 了孔、轴的联接强度。表面粗糙度对磨损的影响：表面愈粗糙，摩擦系数就 愈大，且两配合表面的实际有效接触面积也愈小，造成单位面积压力愈大， 故表面更易磨损。但是，表面过于光滑，不利于贮存润滑油，易使工件表面 间形成半干摩擦或于摩擦，反而使摩擦系数增大，加剧磨损。 表面粗糙度对耐腐蚀性的影响：粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性物 质，且不易清除，造成金属表面凹谷愈深，零件耐腐蚀能力愈差。对疲劳强 度的影响零件表面愈粗糙，凹痕愈深，对应力集中就愈敏感，特别是当零件 承受交变载荷时，其疲劳破坏的可能性愈大。 此外，表面粗糙度还会影响密封性、接触刚度、流体流动的阻力、外观 质量等。 因此，为保证机械零件的使用性能，在对零件进行尺寸、形状和位置精 度设计的同时，必须合理地提出表面粗糙度要求。球芯的精度为6 7 级， 球面粗糙度r a 0 4 ；无配合的加工表面精度为1 0 级，粗糙度r a l 2 5 ；球芯的 圆度为0 0 3 m m ，球芯通孔两端倒i 匕圆角。 3 4 密封计算 3 4 1 密封机理 ( 1 ) 密封面质量对阀门密封性能的影响 阀门的密封面是指阀座与关闭件互相接触而进行关闭的部分。当密封面 上的比压在4 0 m p a 以下时，密封面的质量对阀门密封性能起决定性作用。 这是因为：当密封面上的比压小、表面粗糙度低时，泄漏量迅速增加。当密 封面上的比压大时，表面粗糙度对泄漏量影响显著减小。 ( 2 ) 密封面宽度对阀门密封性能的影响 密封面宽度的影响主要表现在，当密封面宽度增大时，液体沿毛细管的 运动路线会加长，渗漏量亦该按比例减小，这种情况实际并不存在，由于零 件变形，不是密封面整个宽度均以同样程度起密封作用，间隙随结合表面间 西南交通大学硕士学位论文第2 6 页 的液流运动路线的长度而发生变化。密封面的宽度决定毛细孔的长度。当宽 度加大时，流体沿毛细孔的运动行程加长，运动阻力增加。加大密封面宽度 可以减小高压阀中的侵蚀磨损。密封面宽度加大后，会引起泄漏行程长度成 正比地加大，因而能够按比例地减少泄漏量。但密封面宽度增加，在同样的 密封力下，密封比压减小，又会使泄漏的可能性增加。因此，不能无限的增 加密封面宽度。 ( 3 ) 阀前和阀后的压力差对阀门密封性能的影响 从理论上分析，阀前、阀后压力差和泄漏量既成正比关系。但试验证明： 在其他条件相同的情况下，泄漏量的增长是超过压力差的增长的。泄漏量与 压力差之间的关系可以近似的以下式表示： g = m ( n p 2 + s p ) 式中：m ，n ，s 常数系数，这些系数取决于材料、密封表面的加工 质量、密封面上的比压和其他条件；p 一压差，卜泄漏量。 ( 4 ) 密封面材料及其处理状态对阀门密封性能的影响 密封面材料及其处理状态对阀门泄漏量有很大影响。由于密封面间的剩 余间隙的大小取决于密封表面微观不平度，所以，如果使用钢制材料的密封 圈，造成相同的密封程度，就必须有较大的比压，其值必然超过用黄铜制的