根据要求选用的快关阀公称直径为50 mm,阀有效行程不小于1/4D=12.5 mm,实现≤5 ms的关阀速度,阀运动尽可能简单,传动环节尽可能少。阀基本型式选择截止阀结构,采用2～5 MPa气源的气动机构驱动,采用金属材料脆性断裂装置和提高关闭初始加速度的方式提高阀关闭(从全开至全关)速度。

快关阀(见图1)主要由气动机构、阀本体、脆性断裂装置及连接件等组成。其中驱动机构包括气缸、活塞及复位弹簧等。由控制气源驱动活塞向下运动,实现阀关闭,复位弹簧用于阀自动打开。阀体由阀杆、阀头、阀座及密封副等组成,完成阀密封实现介质切断。脆性断裂装置包括脆性片、冲压头和脆性片支座。冲压头与阀杆连接为一体,随阀杆运动。脆性片支座安装在阀壳体上,用于脆性片安装固定。气动机构设计时增大了活塞下方端盖气隙,使阀关闭时活塞下方空气快速排出,气动阻力较小。

阀使用时,首先安装指定规格的脆性片,然后打开控制气阀,使控制气开始填充,气腔内压力达到脆性片断裂压力后,阀突然启动,阀头与阀座闭合实现阀的快速关闭。再次试验时,关闭控制气阀,将气腔内控制气放掉,在复位弹簧恢复力作用下阀恢复打开状态。

图1 快关阀结构示意图
Fig.1 Structure of quick-closing valve

在保证密封效果前提下,快关阀研制关键在于脆性片性能。要求脆性片在2～5 MPa控制气压力下能够按预期断裂,同时,断裂力值必须达到要求值,阀运动机构才能获得满足关闭速度要求的初始加速度。

快关阀所用脆性片材料需保证断裂时断口整齐、均匀,断裂力值便于控制。为选择脆性片材料,对三种材料进行了压断试验,以摸索断裂力值和断裂效果。进行压断试验的装置原理如图2所示,断裂结果见表1。

图2 脆性片断裂试验装置
Fig.2 Test device for brittle sheet fracture

表1 脆性材料试验结果
Tab.1 Test results of brittle materials

由断裂试验结果可知,对硬塑料、铸铁、锡青铜三种材料的脆性片进行断裂试验,脆性材料试验结果表明,在驱动气压力调节至2 MPa时,塑料片开始出现裂纹。整个塑料片变形较大,无法达到脆性断裂的要求; 铸铁片加载至4 MPa时,铸铁片开始断裂,观察断裂口发现铸铁片断裂为脆性断裂,但断口不整齐,容易造成夹料使阀无法正常关闭; 锡青铜片在加载至5 MPa时出现变形但未断裂。为验证锡青铜断裂情况。加工了一组不同厚度的锡青铜片用于试验,最终在凹槽部位锡青铜片厚度为0.2 mm、操纵气压力5 MPa时实现断裂,且断口呈现为较为规则的圆环状。且不同厚度锡青铜脆性片断裂力值呈现规律性。根据以上试验结果,选择锡青铜(QSn6.5-0.1)材料为最终快关阀脆性片材料。脆性片结构如图3所示。

图3 脆性片结构
Fig.3 Brittle sheet structure

脆性片固定在支座上,为一圆环状结构,保证脆性片刚度,中部刻有环槽,使脆性片在受到冲击时便于断裂,断口更加规则。脆性片中部向一侧开有U型缺口,便于在阀杆部位安装。

材料受冲击断裂的断裂力为:

p=0.9Ltσ_b(1)

式中:p为脆性片断裂力,N; L为冲裁部分周线长度,mm; t为冲断材料厚度,mm; σ_b为材料极限拉应力,MPa。以0.4 mm厚度脆性片尺寸进行计算,所用脆性片断裂力值约为16.7 kN。

阀驱动力为:

F=η(F₀+G-p_LA_S)=η(pA₀+M_g-p_LA_S)(2)

式中:F为阀驱动力,N; F₀为控制气施加在活塞上的压力,MPa; η为驱动效率,不包含摩擦阻力和气动阻力,η=0.7; M为运动机构的总质量,kg; p_L为过流介质压力,MPa; A₀为活塞有效面积,mm²; A_S为阀密封面积,mm²。

要使脆性片发生脆性断裂,需F≥p,即阀驱动力大于材料断裂力值。根据上式进行计算,要使脆性片断裂,阀控制气压力最低为2.8 MPa。满足2～5 MPa控制气压力下完全能够实现脆性片的脆性断裂。

将设计的脆性片用于快关阀,验证快关阀关闭时间。考虑控制气持续充填效果,利用经典牛顿公式进行迭代计算,阀在5 MPa控制气驱动条件下关闭时间为3.1 ms,由于驱动效率选择偏保守,阀关闭时间应小于3.1 ms。对阀实际关闭速度进行了多次验证试验。根据系统水击压力发生曲线可知,系统水击压力第一峰上升压力时间平均为2.4 ms,根据系统水击压力规律计算,直接水击压力上升时间为2.57 ms,此结果未包含现场条件误差。同时比较阀信号反馈数据,阀关闭时间为3.25 ms和3.47 ms,考虑信号传导和感应时间误差,认为阀实际关闭时间约为3 ms。快关阀设计满足使用要求。