船用德標(biāo)手動(dòng)快關(guān)角閥,速關(guān)閥,也稱為主汽門,是主蒸汽管路與汽輪機(jī)之間的主要關(guān)閉機(jī)構(gòu),在緊急狀態(tài)下切斷的汽輪機(jī)的進(jìn)汽,使機(jī)組快速停機(jī),以達(dá)到保護(hù)機(jī)組目的。
速關(guān)閥由閥體部份和油缸部分組成。在運(yùn)行過程中,速關(guān)閥通過速關(guān)油克服彈簧的阻力保持開啟。當(dāng)速關(guān)油失壓時(shí),在彈簧的作用力下,油缸內(nèi)的活塞盤與活塞會(huì)脫開,速關(guān)油與排油口相通,使速關(guān)油瞬間泄去,活塞盤與閥桿、主閥碟被推向關(guān)閉位置。
圖1 速關(guān)閥結(jié)構(gòu)圖 速關(guān)閥主要由兩大部分組成,如圖1所示。控制速關(guān)閥開閉的液壓系統(tǒng)。控制閥由液壓控制系統(tǒng)控制??刂崎y的上端連接一個(gè)彈簧。在控制閥關(guān)閉的時(shí)候,彈簧在油壓力的作用下處于伸長狀態(tài),當(dāng)收到使閥打開的指令時(shí),液壓腔內(nèi)壓力瞬時(shí)消失,油壓力卸載,控制閥在彈簧力的作用下向上運(yùn)動(dòng)將液壓腔內(nèi)的液壓油排除使控制閥打開。當(dāng)需要關(guān)閉控制閥時(shí),就向液壓腔內(nèi)注入液壓油。則控制閥在液壓油和彈簧力的共同作用下向下運(yùn)動(dòng),直至將閥口關(guān)閉。控制部分除了液壓控制閥外,還有手動(dòng)輪盤控制部分。當(dāng)液壓控制閥出現(xiàn)故障而又需要速關(guān)閥關(guān)閉的時(shí)候,需要手動(dòng)關(guān)閉速關(guān)閥。
圖2 活塞三維實(shí)體圖 驅(qū)動(dòng)部分包括動(dòng)力源和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓介質(zhì)采用油。油缸、油泵和蓄能器等組成獨(dú)立的密閉的動(dòng)力油源系統(tǒng)。油泵提供液壓動(dòng)力,液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)由缸體、活塞、閥頭、閥桿等主要部件和導(dǎo)向與密封裝置等組成,它們相互連接構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體。通過活塞的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)閥頭、閥桿的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)速關(guān)閥的開閉。圖2為活塞的三維實(shí)體圖,如圖所示活塞為環(huán)形結(jié)構(gòu),通過中間孔和閥桿等部件連接起來。周向的環(huán)形槽用于安放密封零件。活塞在速關(guān)閥的中的作用非常重要,將油壓力和彈簧力的勢能轉(zhuǎn)化為執(zhí)行部件的動(dòng)能。從而實(shí)現(xiàn)速關(guān)閥的快速關(guān)閉。
圖3 油壓缸三維實(shí)體圖 閥頭和閥桿在速關(guān)的過程中會(huì)受到很大的沖擊力,所以對閥頭和閥桿的結(jié)構(gòu)和材料屬性都要有很高的要求,以保證速關(guān)閥在快速關(guān)閉的時(shí)候,能滿足使用要求。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的下側(cè)為油缸,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與油缸之間有活塞隔開。動(dòng)力油源系統(tǒng)集成在一起,成為液壓油站。在常態(tài)下,油泵向系統(tǒng)供油,使系統(tǒng)保持額定壓力,通過控制閥的閉鎖,實(shí)現(xiàn)閥門的保位功能在工作狀態(tài)下,液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控于液壓閥,依靠系統(tǒng)控制油壓和蓄能器的蓄能能量釋放,實(shí)施快速關(guān)閉和正常啟閉。在閥門快速關(guān)閉的過程中,當(dāng)近于全關(guān)位置時(shí)減速關(guān)閉,防止密封面受沖擊。
在速關(guān)閥打開的時(shí)候,液壓油對活塞做功底部彈簧積蓄能量,在速關(guān)閥需要關(guān)閉的時(shí)候,彈簧釋放能量對活塞做功帶動(dòng)閥頭、閥桿運(yùn)動(dòng)使速關(guān)閥快速關(guān)閉。缸體是速關(guān)閥機(jī)構(gòu)的主要零件之一,其體積、重量較大,油道孔槽較多要求具有較高的加工精度。其氣密性的好壞直接決定著速關(guān)閥機(jī)構(gòu)能否平穩(wěn)、有效的運(yùn)行。其機(jī)構(gòu)如圖3所示。
速關(guān)閥在船舶正車航行時(shí),進(jìn)油口打開,出油口關(guān)閉,液壓油從進(jìn)油口通入,在液壓油的作用下活塞向下運(yùn)動(dòng),底部彈簧被壓縮,直至規(guī)定位置,速關(guān)閥打開,此時(shí)工作腔內(nèi)的液壓力與活塞底部彈簧力平衡。
當(dāng)船舶需倒車航行時(shí),控制閥收到速關(guān)閥關(guān)閉的指令,控制閥在頂部彈簧力的作用下迅速向上運(yùn)動(dòng)時(shí)間非常短可忽略不計(jì)出油口打開,工作腔內(nèi)液體壓力瞬間消失,活塞在底部彈簧力和液流慣性阻力的作用下快速向上運(yùn)動(dòng),油腔中的液壓油從出油口排到油箱中,實(shí)現(xiàn)速關(guān)閥快速關(guān)閉。
圖4 速關(guān)閥受力分析圖 對速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)進(jìn)行受力分析如圖4所示??刂崎y打開時(shí),工作腔內(nèi)油壓瞬間降低,此時(shí)活塞在底部彈簧力的作用下帶動(dòng)閥桿向上加速運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到活塞及閥桿與工作腔壁摩擦所產(chǎn)生的摩擦力和工作腔內(nèi)高速液體的慣性阻力。由于重力和摩擦力與彈簧力相比非常小,故在計(jì)算過程中可以忽略不計(jì),則執(zhí)行部件在運(yùn)動(dòng)過程中主要受到底部彈簧力和液壓腔中液流慣性阻力。在一般的動(dòng)力分析情況下,只須先分別求出彈簧力和液壓油的液流慣性阻力與時(shí)間的關(guān)系,然后將力與時(shí)間的關(guān)系分別施加到受力部位,通過ANSYS/LS-DYNA幾一計(jì)算出速關(guān)閥的關(guān)閉時(shí)間及在沖擊過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。以下分別對彈簧力及液流慣性阻力進(jìn)行計(jì)算 [1]。
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