工業(yè)泵網(wǎng)  隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國造紙業(yè)步入快速增長期，已成為我國重要的工業(yè)部分，對閥門的要求也在逐年進(jìn)步。

造紙廠蒸煮鍋進(jìn)料球閥是制漿造紙裝置的重要部件之一，設(shè)置在蒸煮鍋頂部，專門用于控制物料裝填工序，是蒸煮鍋完成進(jìn)料后，進(jìn)料球閥封閉，并能夠在高壓情況下達(dá)到良好密封的一種特殊球閥，該球閥在造紙行業(yè)中通常稱之為“鍋蓋閥”。該閥進(jìn)料口通過氣體量大，介質(zhì)通常是造紙的固體物料、廢渣、廢漿，閥封閉后，跟著鍋內(nèi)的蒸煮溫度和壓力逐漸升高，閥的出口側(cè)要承受很高的壓力。這種閥目前沒有技術(shù)尺度，需要根據(jù)客戶的工藝參數(shù)要求量身定制，該閥目前全部靠國外入口，價(jià)格昂貴。為此，浙江力諾閥門研發(fā)出了一種新產(chǎn)品，同時(shí)還取得了實(shí)用新型專利，填補(bǔ)了海內(nèi)空缺。鍋蓋閥主要由左閥體、右閥體、球體、閥桿和閥座等零部件構(gòu)成，如圖1所示。

1結(jié)構(gòu)與原理

1.1單浮動閥座

鍋蓋閥通過的介質(zhì)一般是固體廢渣或廢漿，這對閥座會造成磨損，故采用金屬硬密封設(shè)計(jì)，閥座表面堆焊硬質(zhì)合金，增強(qiáng)耐磨性，且堆焊應(yīng)盡量靠近閥座外徑。同時(shí)，金屬硬密封能在閥起閉時(shí)對纖維物料起剪切作用，保證密封面和閥內(nèi)的清潔，進(jìn)步了可靠性與使用壽命。

圖1 蒸煮鍋進(jìn)料球閥

采用單浮動閥座設(shè)計(jì)（見圖2），閥座只設(shè)在進(jìn)口側(cè)，閥座背面處設(shè)計(jì)了碟形預(yù)緊彈簧，使閥座始終與閥芯緊密接觸，在低壓的時(shí)候也可以達(dá)到密封要求。

圖2 閥座結(jié)構(gòu)

鍋蓋閥是起閉頻率比較高的元件，為進(jìn)步閥芯與閥座的耐磨性，閥芯表面鍍硬鉻。起閉過程中，閥芯球面上的2個密封面可輪流使用，延長了密封面使用壽命。為了防止蒸煮鍋內(nèi)高壓介質(zhì)從浮動閥座與閥體間隙處泄漏，引發(fā)安全事故，在碟形彈簧外側(cè)設(shè)有2道O形密封圈，進(jìn)步了閥座的密封機(jī)能。

鍋蓋閥工作時(shí)，其出口處壓力因受到鍋內(nèi)壓力作用，遠(yuǎn)高于入口處壓力，閥座與閥芯始終處于緊密接觸狀態(tài)，獲得了所需要的密封比壓，從而達(dá)到良好密封。蒸煮鍋內(nèi)壓力越高，密封效果越好。

1.2半軸承設(shè)計(jì)

新型鍋蓋閥的設(shè)計(jì)中采用2個半軸承來支承閥芯，這2個半軸承都安裝在上閥桿和下閥桿靠近出口的一側(cè)。當(dāng)鍋蓋閥開起時(shí)，上下閥桿與半軸承接觸，閥芯能夠在小偏心的情況下靈活地起閉。當(dāng)鍋蓋閥全關(guān)工作時(shí)，閥桿不受半軸承的制約，閥芯在介質(zhì)的壓力下緊貼浮動閥座，壓力越高，閥座與閥芯密封比壓越大，密封效果越好，安全系數(shù)越高。蒸煮鍋休止蒸煮后，鍋內(nèi)壓力下降，閥桿又能夠與半軸承接觸。新型半軸承結(jié)構(gòu)的采用使鍋蓋閥能夠適應(yīng)更多高溫、高壓的環(huán)境。

1.3安全聯(lián)鎖裝置

鍋蓋閥通常工作在高壓狀態(tài)，為了防止蒸煮鍋閥門在這種情況下誤動作而造成事故，特設(shè)置安全聯(lián)鎖裝置（見圖3）。在盲法蘭上裝有壓力傳感器，傳感器與執(zhí)行器相連，當(dāng)鍋內(nèi)壓力高于設(shè)定的安全開起壓力時(shí)，壓力傳感器傳送鎖定控制信號，使閥處于封閉狀態(tài)。當(dāng)蒸煮完成且物料排放完，鍋內(nèi)壓力低于安全開起設(shè)定壓力時(shí)，閥門執(zhí)行器才可以動作，避免了鍋內(nèi)壓力泄漏而產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

  圖3蒸煮鍋物料進(jìn)口閥外觀圖

2閥體內(nèi)腔CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)

蒸煮鍋在進(jìn)料過程中會有物料從鍋蓋閥沒有閥座的一側(cè)進(jìn)入閥腔，如果閥腔容積太小，介質(zhì)就會磨損閥芯表面，降低使用壽命；容積太大又會導(dǎo)致閥體體積過大，需要適當(dāng)增大閥體內(nèi)腔。在內(nèi)腔與流道過渡處采用大圓弧順滑圓角（見圖3b），閥腔與蒸煮鍋之間沒有障礙，可以使進(jìn)入閥腔的物料順暢流入蒸煮鍋，內(nèi)腔不易滯留物料，從而不會產(chǎn)生閥門起閉阻滯。通過CFD數(shù)值模擬的方法來模擬鍋蓋閥的內(nèi)部流場，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.1流道建模與網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型采用如圖1所示的鍋蓋閥，通過三維建模軟件UG建立鍋蓋閥簡化結(jié)構(gòu)。進(jìn)行仿真分析前，要對流體部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過布爾運(yùn)算得到鍋蓋閥在全開狀態(tài)時(shí)的三維流道圖，并保存成。step格式。通過ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算得出網(wǎng)格數(shù)為80萬格。

2.2 Fluent采用的設(shè)置

將.msh文件導(dǎo)入Fluent，設(shè)置后進(jìn)行計(jì)算。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的κ－模型，離散方程的求解方法采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的SIMPLE算法，速度壓力場采用隱式的全場迭代解法，邊界條件規(guī)定速度進(jìn)口與壓力出口。設(shè)定好上述求解控制方程后，即可求解閥芯全開狀態(tài)的模型。

2.3仿真結(jié)果分析

由于閥芯與出口側(cè)閥體內(nèi)壁距離比較大，未形成阻尼，不會造成閥芯由于雜質(zhì)而卡死的現(xiàn)象。圖4中閥體內(nèi)腔1處壓力與出口2處壓力近似相等，出口壓力增大則閥座附近壓力也隨之增大。由于閥芯上下2個球面受到相同的介質(zhì)壓力，這2個力大小相等，方向相反，故閥芯所受的軸向力為0。即在鍋蓋閥完全關(guān)閉時(shí)，蒸煮鍋內(nèi)壓力越大，則圖4中2處壓力越大，閥芯與閥座接觸越緊密。

圖4 鍋蓋閥全開時(shí)壓力云圖

鍋蓋閥在全開時(shí)的內(nèi)流場速度矢量圖如圖5所示，其中圖5a是原始結(jié)構(gòu)，閥體內(nèi)腔與流道過渡處采用韌口；圖5b是優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)。可以得出，閥體內(nèi)部介質(zhì)流速非常快，在原始結(jié)構(gòu)中，閥體內(nèi)腔與流道過渡處沖擊大，流阻大，介質(zhì)對閥體磨損大。如果采用大圓弧順滑圓角，則使得流線非常光滑，沖擊小，流阻小，物料易進(jìn)入蒸煮鍋。

圖5 原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后閥體內(nèi)流場數(shù)值模擬圖

3結(jié)語

鍋蓋閥采用特殊的單閥座浮動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封面的自適應(yīng)能力強(qiáng)，密封效果顯著進(jìn)步。同時(shí)，閥芯上的2個密封面可交替使用。試驗(yàn)表明，新結(jié)構(gòu)的采用使得鍋蓋閥壽命延長1倍。閥體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)采用大圓弧順滑圓角，優(yōu)化了流道結(jié)構(gòu)，使得進(jìn)入鍋蓋閥內(nèi)的物料在小流阻的情況下即可進(jìn)入蒸煮鍋。安全聯(lián)鎖裝置的設(shè)計(jì)可以保證蒸煮鍋內(nèi)壓力過高時(shí)的鍋蓋閥封閉，避免鍋內(nèi)壓力泄漏，產(chǎn)生危險(xiǎn)。