一种带有安全阀的防火切断阀的设计.docx

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1、一种带有平安阀的防火切断阀的设计The Design of a Kind of the Firewall, Shutoff Valve with Pressure Relief ValveDOI: 10.12677/MET.2022.113024, PDF, HTML, XML,下载:30 浏览：320 张 玮：河南理工大学鹤壁工程技术学院，河南 鹤壁关键词：防火切断阀；液压系统；设计；密封比压；应急切断阀；FWSOV； Hydraulic System；Design； Releasing Pressure； Sealing Specific Pressure； EIV摘要：本文所涉及的防火切

2、断阀是一种内置有平安阀的电动球阀，用于释放阀门出口因热膨 胀引起压力升高且超出了规定的压力。本文介绍的防火切断阀的设计重点在于满足其小型 化、轻量化的简化结构设计和特殊的电控制性能要求以及局部关键性能参数的计算。该防火 切断阀已经通过了试验验证，已在某商用大飞机的装机应用。同时，作为一种应急设备，该 阀也可用于石油化工行业的防火紧急切断阀使用。Abstract: The Firewall Shutoff Valve (FWSOV) is a motor actuated, ball valve assembly with an internally installed relief valve

3、, which can release the pressure of the FWSOV outlet port, if the outlet pressure increases above the specified level due to thermal expansion. The point of design methods of the FWSOV is to satisfy its miniaturization and lightweight simple design and its specific Electrical control performance, as

4、 well as the calculation of the partial critical specifications in this paper. The FWSOV has been verified by the experimental validation and installed on aircraft for flight. Also, the FWSOV can be used as an Emergency Isolation (shut-down) Valve (EIV) in petrochemical industries.文章引用：张玮.一种带有平安阀的防火

5、切断阀的设计机械工程与技术，2022, 11(3): 204-212. 1.引言对于以可燃液体为工作介质的航空液压系统以及石化行业用于输送易燃原料的装置，防 火设计至关重要。中国民用航空章程(CCAR)及美国联邦航空条例章程(FAR)在适航条款里均 对液压系统防火作了强制要求1 2 3；石油化工行业有强制性规范GB50160-2008石 油化工企业防火规范4o因此，在飞机液压系统及石油炼化装置中，均需设置防火切断 阀或叫紧急关断阀。本文所述的防火切断阀是某民用飞机液压系统配套元件，位于发动机短舱内的液压系统 吸油管路上，工作介质为可燃液体磷酸酯基液压油，功能在于当飞机发动机短舱或液压 油路着火

6、时，作为应急保障设备，快速切断系统油路，防止火势蔓延口 2。该防火切断阀采用球阀结构。设计思路侧重于小型化、轻量化，以最少的零件、最简单 的结构，满足其通流及小压降需求，重量轻，通断转换快、效率高、工作可靠等优点5o图6所示为平安阀门的结构图。平安阀的启闭压力由内置的压缩弹簧保证。压缩弹簧的 设计为常规设计，设计的弹簧采用丝径为（P，3l4Al4A（|）0.3mm的17-7PH沉淀硬化性不锈 钢材料，中径2.5 mm,有效圈数6圈，调节合适的预压缩量，满足平安阀启闭压力的要求。Figure 6. Schematic of the open & closed position of the re

7、lieve valve图6.释压/平安阀门关闭及翻开位置示意图5.试验验证本文所述的防火切断阀在设计过程中利用ADINA 12软件采用有限元法对阀体组件 进行了应力分析，分析方法是将阀组件分解成假设干独立的子部件，其电动机构被简化为一个 质量点，仿真计算了其在静压压力、脉冲压力及动载荷冲击工况下的零、部件的应力和变形, 其有限元模型见图7,爆破压力载荷时的加压区域视图见图8oADINAADINATIME I 000Figure 7. The FEA model of the valve body图7.阀体的有限元模型图ADINATIME 1.000PRESCRIBED PRHSSURHIIME

8、1 000PRESCRIBEDIORt ITIMt： 1 0004805.试验工程备刊类序号试验工程备注(类别)1称重及产品检查10脉冲15疲劳试验介电强度及绝缘性能13介质浸泡14、耐压与11 雷电感应瞬态敏感性14泄漏试验验收试4流量与压降验5平安阀性能6转换时间及压力7搭接与接地高度、湿热、温度变化14自然环盐雾、砂尘、霉菌、结 境9冰141121314151617射频敏感性、射频能量发射14电磁环境磁效应、音频传导、感应信号14电源输入、电压尖峰14振动、加速度、附撞冲击14耐久寿命综合环境16机械环境寿命试验交变环境18 极限载荷16 爆破压力 破环性5167500.Figure 8

9、. View of the pressurized areas on the FWSOV (Operating loads)图8.阀体组件加压区域图经有限元分析，防火切断阀能够耐受所给定的全部力学条件及疲劳寿命要求。除进行以上仿真外，产品还完成了包括基本性能和材料相容性等验收试验，同时完成涵 盖了自然环境、机械环境、电磁环境、交变环境等环境试验工程，以及包括有负载能力、疲 劳、破坏性等的鉴定试验工程，主要试验工程见表1:Table 1. The main tests of FWSOV表1,防火切断阀主要试验工程注：表中的环境试验工程、疲劳试验及破坏性试验均为鉴定试验工程，验收试验和局部鉴定 试

10、验工程必须在飞机首飞前完成，称为飞行平安试验。表中未注出。6.结论本文所述的防火切断阀结构简单，用于某国产大飞机的液压系统，其创新点主要在于其 小型化、轻量化需求设计，以及满足其特殊电控制性能需求方面的设计。该产品完成了环境 试验、耐久试验及脉冲耐疲劳验证，试验后的各项性能指标均满足且超出了设计要求。该产 品已经完成了多架次飞行试验，得到了直接客户国外系统供应商及整机末端客户的认可，证 明本设计是成功可行的。鉴于产品考虑了防火设计，在化工行业亦具有推广价值，可作为一 种应急防火紧急切断阀使用。参考文献1谢孟恺.民用飞机液压能源系统防火设计JL科技视界，2016(7): 286-287.2谢孟恺

11、.民用飞机液压系统防火切断阀的应用研究J.航空科学技术，2011 (6) : 31-32.3文U钊，徐燕，丁晨.民用涡扇发动机短舱防火设计J.科技创新与应 用,2020(12) : 71-72.4马涛，林洪俊，陈锦玉.防火紧急隔离阀的设计选型J.石油化工自动 化，2014, 50(5) : 14-16.5 Sotoodeh, K. (2019) Valve Operability during a Fire. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 141, Article ID: 044001. s:/doi.org/10.

12、l 115/1.4042073曹文琴，朱海燕，向毅.铝合金材质硬质阳极氧化工艺方法的应用分析J.机械设计与制造，2013(10): 101-103.6 张招柱，曹佩弦，王昆，刘维民.PTFE复合材料的摩擦学性能及力学性能J.高分子材料科学与工程,2005, 21(2): 189-192.7 陈碧波.聚四氟乙烯蠕变性能研究D:硕士学位论文.西安：西北工业大学，2007.8 杨宏涛,电动球阀执行器与阀体扭力的匹配性分析J.石油技师，2018(4) : 76-78.10徐斌云,一种硬密封球阀密封面宽度设计计算与分析J.工程机械文 摘，2020(6) : 4-6.11 FAA (Federal Avi

13、ation Administration) (2010) Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS).12岳戈，陈权.ADINA应用基础及实例详解M.北京：人民交通出版社， 2008._13 DOD (Department of Defense) (2002) MIL-STD-202G. Test MethodStandard Electronic and Electrical Component Parts.14 The RTCA Program Management Committee (201

14、0) RTCA/D0-160G. Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne.15 SAE Aerospace (2013) SAE ARP 1383C. Impulse Testing of Aerospace Hydraulic Actuators, Valves, Pressure Containers, and Similar Fluid System Components.16 DOD (Department of Defense) (2008) MIL-STD-810G. Environmental Condi

15、tions and Test Procedures for Airborne.本文以某商用飞机液压系统需求为例，介绍一种电动球阀结构及电控制性能的设计及局部关 键性能参数的设计方法，供同类或类似产品的设计人员参考。2-防火切断阀功能及性能需求功能需求防火切断阀功能符号见图loFigure 1. Diagram of the function sign of FWSOV图1-防火切断阀功能符号图从需求可知：该阀是一种电控、常开的二位二通阀，带一个由出口向进口的单向导通阀。具体需求：电机驱动、螺纹连接于发动机短舱内的液压吸油管路上，一旦发动机短舱或 液压油路出现火险时，接通电源，阀门关闭，后自动切

16、断电源；火险解除后，再接通电机电 源，阀门翻开。当火险时阀门关闭后，出口端因热膨胀压力升高，在超出规定值时，内置的平安阀翻开, 阀的出口与进口相通，压力释放；当阀出口压力低于规定值时，平安阀应关闭。其电动机构应能同时提供阀体位置电信号输出和机械位置指示，机组或操控人员可通过 电信号或机械位置指示对球阀工作状态进行远程监控。2.1- 局部性能需求1）工作介质：磷酸酯基液压油，按SAE-AS1241。2）工作压力: 额定压力0.5 MPa,瞬态1.1 MPa； 耐压压力3.45 MPa,无外部泄漏及永久变形； 爆破压力5.17 MPa,无结构损坏。3）工作温度：环境温度-5593；介质温度-401

17、35。4）流量:146.8 L/mino5）密封性：不允许有外部和内部泄漏。6）位置指示：阀门在全开或全关位置时，应提供电/机械位置指示信号。7）电性能：在”开和关端口同时通电时，阀应关闭。8）平安阀性能：最大开启压力不超过0.69 MPa；最小复位压力不小于0.15 MPa；9）能耐受 500,000 （0.1-1.72-0.1） MPa 的疲劳冲击。注：其进出口按标准规定，另有重量、压降等要求。3.结构设计阀体组件设计根据阀门性能、工作介质、环境及防火需求，采用球阀结构。为减轻重量及实现小型化, 阀体及阀门均采用铝合金材料，阀体与出口采用一体化设计；为了提高球阀门外表硬度及耐 蚀耐磨性能，

18、采用硬质阳极氧化工艺6o为防止阀门外部泄漏造成环境污染以及内部泄漏影响其防火性能,其外密封采用轴向径 密封，内密封采用双硬密封结构。外密封采用标准径密封即可保证；内密封那么由球阀门与两侧V型密封阀座来保证。本 设计中的密封阀座采用进出口对称结构、与球阀门构成双向密封；V型密封阀座采用石墨和 玻璃纤维作为填充物的改性PTFE高抗磨密封复合材料，重量轻，且耐腐蚀、耐高低温，相 较于纯PTFE材料，其减摩抗磨、硬度等综合性能均有较大提高7,并较大改善了其易蠕 变缺陷8o密封环座与球阀门间的预压紧力由碟形弹簧。碟形弹簧具有刚度大、尺寸小、且在高低 温工况下刚度稳定的特点。阀的结构设计详图见图2。3.2

19、,电性能设计防火切断阀电性能设计的难点在于：在电动机构”开和关端口同时通电时，阀应关闭、 以实现在误操作或供电故障时优先关闭、减小火警风险的目的。1：壳体；2：碟形弹簧；3：密封环；4：球形活门；5, 6：密封圈；7：进口管嘴；8：电 动机构；9：卡箍组件；10：平安阀。Figure 2. FWSOV schematic图2.产品结构原理图针对以上需求，电机在开及关二种状态时的控制原理设计如图3：Figure 3. The schematic of the actuator图3.电动机构原理图电动机构内设有一个继电器和二个微动开关，分别用于实现开小关操作控制及输出 开小关位置信号。当阀处于翻开

20、位置时，开位置信号回路及”关电源输入回路处于导通 状态，此时输出开位置信号；当接通关闭电源时，继电器的触点开关反向吸合，关闭控制 回路导通，电机驱动阀门运转，完成由开向关的操作；同时，两微动开关动作，翻开电 源控制回路导通，输出关位置信号。防火切断阀为常开阀，机构内的微动开关对称布置，将开关1的开位置指示接线端与 开关2的关闭电源输入端设为常闭触点，可满足电动机构在开和关端口同时通电时阀应 关闭的要求。电动机构是一个独立单元，由专业机构单独研制，本文仅涉及控制原理及输出力矩需求 计算。4.防火切断阀关键结构设计计算防火切断阀设计过程中的结构设计计算包括球阀通径计算以满足通流量为标准；密 封性设

21、计计算阀门的外部密封属于静密封，易于实现；内部密封为动密封，且直接与高 温可燃液体相接触，因此，阀的内部密封性是该阀门设计中的重点内容，计算包括密封比压 及为到达密封比压需求提供压力的碟形弹簧元件的设计，以上所述的计算均为常规设计计 算，本文仅作简要介绍。驱动球阀转换的电动机构是保证电动阀门能否可靠转换的关键部件，基于产品的可靠性 要求，且电动机构为一独立的LRU (Line Replaceable Unit),因此转换力矩的设计计算是本 文的重点。4.1,球阀通径设计液压元件的通流直径按液压设计手册公式计算:V(HAl4A)d4.631QV(mm)(l)式中Q额定流量（L/min）；V进、出

22、油口处液体流速，飞机液压系统取经验值6 m/s；根据额定流量要求，计算球阀通径并按标准规格进行圆整，作为球阀设计的依据。4.2. 密封性设计计算（碟形弹簧设计）1）密封比压计算9碟形弹簧是阀体组件中的关键零件，起到保证阀组件内部密封的作用。阀门关闭位置时 局部结构见图4o阀门内部密封必须在球阀门与V形密封环座之间形成的密封比压大于或等于必须密封 比压时才能得到保证。Figure 4, Position diagram of the whole closed Valve图4,阀门全关位置图其原理如下：两端的碟形弹簧将密封环紧压在球面上，当产品进出口存在压差时，压差 产生的液压力将密封环紧压在球阀

23、门上，在密封环带部位产生密封比压；进口密封环再压紧 在球阀门上。密封环采用填充型聚四氟乙烯材料，聚四氟乙烯材料的必须密封比压计算按下式:qg=t.8+O,qpbVqy=l,8+0,9Pb(2)式中：qgqy必须密封比压；b密封面在垂直于流动方向上的投影宽度，=PHW-PMN=3HAmb=DMW-DMN=3mm ；P工作压力，MPa；Pmwdmw 密封环带外径；Pmndmn 密封环带内径；Pjhdjh密封环直径。将相关参数代入式(2)得：qg=2.26MPqy=l.26MPa。考虑到球阀在高温时的密封性，其高温密封比压值通常取常温密封比压的1.4倍。故计算式为：q?22.4q9qy21.4qy。

24、球阀上密封比压由碟簧预压缩力和作用在密封环上的液压力共同作用产生，在满足高温 工况密封比压的前提下，可根据轴向力计算式计算出碟簧预压紧力为：F猱才-匕二297帖碟 2F-Fy=297N。2)碟簧设计根据阀体内部结构尺寸匹配碟形弹簧参数，选用0.8mm厚的17-7PH钢板10,可以 得至IJ以下刚度的碟簧：，二922.8 N/HAHAP,=922.8N/mmo当碟簧变形量为0.32 mm时，其弹力即可满足密封比压要求。碟簧设计为常规设计，本文不再详述。4.3. 球阀转矩计算9 口固定球阀的球体所受作用力通过球体传递到转轴上，其总的转矩可由下式计算:M = M1+M2+M3M = M1+M2+M3

25、(3)式中：MM 球阀转换力矩，Nmm ；MiMI碟簧预紧力产生的摩擦力矩，NhaiaaN- mm ；M2M2介质压力对球面作用产生的摩擦力矩，N- HAINAN- mm ；MsM3 转轴与密封圈间的摩擦力矩，Nmmo本文所述的球阀门要求在低温-55C时从全开到全关或从全关到全开的转换时间不超 过2.5 s,在常温常压时的转换时间不超过l.8s。式(6)中的Ml和M3均为静态工况下的常 规力矩计算，要保证其可靠工作，动态工况下的M2的计算是球阀设计计算的关键。下列图5是球阀门的半体旋转示意图，图中显示了球阀门在旋转78时即可完全关闭。当 球阀门转换一个角度时，其通流截面为图示阴影局部s。根据不

26、可压缩流体的质量连续性方程：Ve P424=V2 Svl nd24=v2 s(4)当球阀门旋转至接近关闭位置、即S趋于0时，流速卜2V2趋向无穷大。水平安装的球 阀的伯努利方程为：iy4-i=2.y-F+M/plY+vl22g=p2Y+v222g+h,(5)阀门进口到球阀口距离小，式(5)中的水头损失hh，可忽略不计，那么从式(4)可知：当 球阀门接近关闭时，球阀口处的压力接近于0。0dFigure 5, Schematic of the flow cross section at an angle rotated by half of the ball valve图5.球阀门半体旋转一角度时

27、的通流截面示意图那么，根据流体与固体边界的作用力计算的动量方程:F:(l4A/)6/tF=Jd(mv)dt(6)从式(6)可知：在阀口关闭前的瞬间，流体作用在球阀上的力非常大；而在关闭后的瞬 间，流速降为0,从式(5)可知，此时的压力会骤然升高，因此，阀门转换阻力矩在此时达 到最大。鉴于动态阻力矩的计算极为复杂，本文仅利用的瞬态峰值压力LI MPa进行计算。通过计算得到球阀转换力矩：M=14AhhaI4aM=2083N- mm=2083N- mm考虑到产品低温工况时的转换阻力矩增加，取平安系数为2,圆正后的电机转换力矩取值 4QN vha4.0N- mm。该参数作为电动机构采购、同时也作为专业研制机构的设计依据。4.4. 平安阀结构及性能设计考虑平安阀用于释放阀门出口因热膨胀引起的压力升高且超出了规定的压力。结构设计主要 从轻量化需求考虑将出口与主阀体采用一体化结构的内置布局和由此带来的泄压通道设计 及加工难度。平安阀采用球阀结构，泄压通道的工艺螺塞作阀座，既方便释放压力调节，又 简化了结构，具有良好的结构工艺性。