SMC電磁閥結(jié)構(gòu)設計與材料選用有何關(guān)系？
SMC電磁閥除了應滿足一般閥門所具備性能之外,更主要的是在低溫狀態(tài)下保證密封面的封性能,動作靈活,漏熱低等特點,而其關(guān)鍵技術(shù)對漏熱的要求。因此根據(jù)絕熱方式的不同,其結(jié)構(gòu)要有堆積絕熱式、高真空絕熱、真空粉末絕熱和高空多層絕熱等多種形式。
隨著新型氫氧研制的深入,對于火箭發(fā)動機氫氧溫區(qū)用的低溫閥門也提出了更多要求,尤其是對閥門口徑的要求越來越大,其中液氫溫區(qū)用的低溫截止閥已達到DN250,液氧溫區(qū)已達DN200 (以上口徑是針對截止閥,球閥口徑已達到DN300)。在航天領域作為流體輸送及切斷用途而廣泛使用的閥門主要有截止閥和球閥。以下針對高真空多層低溫截止閥設計時應考慮的問題進行討論與分析。
由于SMC電磁閥工作介質(zhì)的低溫性質(zhì),使低溫閥門對材料有許多特殊要求。
SMC電磁閥不僅要求在低溫下保證正常工作,同時要保證其常溫的工作機械性能,也要滿足低溫下所需的機械性能,尤其是沖擊功和相對延伸率的要求。針對以上要求,為了防止材料在低溫下的低應力脆斷,一般多采用奧氏體組織的材料,如:奧氏體不銹鋼鑄件、銅、銅合金、鋁及鋁合金等。這是因為經(jīng)過對低應力脆性斷裂特點研究,對金屬斷裂機理進行分析發(fā)現(xiàn),金屬的低溫韌性即缺口處的金屬微觀塑性變形能力是決定設備抵抗應力脆斷破壞的關(guān)鍵。實驗表明,具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬,如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼基本上沒有這種溫度效應,即沒有低應力脆斷。這是因為當溫度降低時,面心立方金屬的屈服強度沒有顯著變化,而且不易產(chǎn)生形變孿晶,位錯容易運動,局部應力易于松弛,裂紋不易傳播,一般沒有脆性轉(zhuǎn)變溫度。
與低溫介質(zhì)的相容性
材料與低溫介質(zhì)的相容性就是要求材料本身不能與低溫介質(zhì)發(fā)生任何物理化學變化,不能引起腐蝕及爆炸。如在氧介質(zhì)中工作的材料,不允許使用玻璃鋼作為絕熱材料,也不允許使用活性碳作為吸氣劑,因為它們均能與氧發(fā)生燃燒爆炸。
具有相對低的導熱性,即熱導率相對低
低溫截止閥輸送的介質(zhì)溫度低,介質(zhì)成本高,而且介質(zhì)的突然汽化也會給設備的安全運行帶來極大危害。所以低溫截止閥對漏熱的要求較高。為了降低傳熱,在合理選擇絕熱的前提下,應盡量采用熱導率相對低的材料,以降低低溫介質(zhì)的蒸發(fā)量。
在低溫無油潤滑的情況下,具有必需的硬度和耐磨性
閥門依靠閥桿的運動開啟和關(guān)閉,閥桿傳遞的作用力又使密封面達到一定的密封力。這就要求制作截止閥零部件的材料必須有一定的硬度和耐摩性。鋁和鋁合金在低溫截止閥中的使用有一定的限制,主要是因為硬度不夠,會導致密封表面比鋼和黃銅失效得更快[1]。目前使用較多的金屬材料有:不銹鋼、銅合金、鋁合金、鎳合金等;非金屬材料有:玻璃鋼、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺、石棉繩、橡膠等,其中玻璃鋼大多作為熱橋零件,而聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺多作為密封面材料,石棉繩、橡膠、填料等多作為閥桿密封材料。
SMC電磁閥的成本以及危害性等特點,使低溫閥門的密封設計在整個設計過程中占有相當重要的位置要求在一定工作條件下不能泄露,低溫截止閥的密封要包括閥桿密封和密封面密封。
SMC電磁閥的閥桿密封有填料函和波紋管兩種其中在成批生產(chǎn)的空氣分離裝置上的閥門,其閥桿多采用填料函密封結(jié)構(gòu)。在有毒易燃易爆氣體介質(zhì)中工作的閥門,閥桿可以采用波管密封,但在大于等于80MPa的高壓氣體中,由波紋管不能承受如此高的外壓,只能采用填料函密封填料函密封由于制造加工簡單、維修更換方便在實際生產(chǎn)中應用相當普遍。但是為保證填料的密性能,其工作溫度一般不能低于-40℃,這就要求低溫閥門上工作的填料函裝置應盡量在接近環(huán)境溫下工作。通常情況下,填料不結(jié)霜即認為其處于正的工作狀態(tài),但如果由于填料本身或工作壽命的原使填料不密封,則低溫氣體通過填料就會造成泄漏并使填料函冷凍結(jié)霜,又會造成填料的進一步泄漏失效。在航天領域應用的很多低溫閥門系列中,由于成原因大多采用了填料函密封結(jié)構(gòu),而為了確保閥桿填料函的溫度,均采用了加長閥桿長度的方法,所造成這些低溫閥的尺寸均比較大。
波紋管密封截止閥多用于介質(zhì)不允許微量泄漏和不適填料的場合。在波紋管的設計中,其壽命是關(guān)鍵,波紋管的壽命與其行程大小和初始安裝狀態(tài)有關(guān)。保證波紋管截止閥的使用壽命,在行程一定的情況下,安裝波紋時要保證其不承受附加外力的作用;在工作狀態(tài)下由于波紋管承受的是外壓,其工作狀態(tài)較好,但由低溫閥門的快速關(guān)閉或管道中可能存在的氣穴都可能引水擊。因此在波紋管承受的計算壓力時,要加上定的安全系數(shù),并盡可能使波紋管避免直接承受水擊。
SMC電磁閥的結(jié)構(gòu)大體上分為平面、錐面球面、刀形等密封形式。其中平面密封由于加工造簡單應用較為廣泛,尤其適合應用在大口徑閥門中但由于其平面結(jié)構(gòu)的特點使其密封力比較大,需要操作力也較大。錐面和球面密封副在小口徑閥門中用較為廣泛,有好的應用實例。由于是錐面形式,所需密封力和操作力比較小,但在大口徑閥門中很少用,不僅因為其加工制造困難,而且在低溫狀態(tài)下由材料收縮、材料金相組織變化和加工誤差等多種因素作用,使密封面在低溫下容易失去密封性能而造成閥泄漏。
對于制作密封面(閥頭-閥座)的材料,不僅要求其有一定的機械強度,更重要的是要保證較高的表面硬度。密封面的材料一般不采用鋁和鋁合金,因為其硬度太差,通常均采用不銹鋼、銅合金、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺等材料(聚碳酸脂也可用做密封面材料,但沒有成熟的使用數(shù)據(jù))。隨著發(fā)展,開始嘗試使用增強聚四氟乙烯代替聚四氟乙烯應用于低溫截止閥的密封面,且效果也不錯。對以上閥頭-閥座的配對材料中,為了保證密封性能,一定要注意表面粗糙度的選擇。
SMC電磁閥經(jīng)常使用的殼體和閥桿材料主要是0Cr18Ni9不銹鋼材料。不銹鋼材料在低溫下的總體機械性能得到了提高,只是δ5、AKV值有所降低,且在常溫狀態(tài)下摩擦部分極易出現(xiàn)咬死現(xiàn)象。低溫閥中摩擦副將嚴重影響整個閥門工作的可靠性,且為了防止污染低溫介質(zhì),不允許使用防止零件磨損和咬死的潤滑劑。低溫閥門在常溫狀態(tài)工作時,為確保不出現(xiàn)咬死現(xiàn)象,應選用不同材料或把摩擦副材料的硬度錯開。
在實際設計中,通常采用0Cr18Ni9-黃銅,但摩擦副較好不要相配合。
閥門的漏熱
在低溫閥門中,由于介質(zhì)成本較高,閥門漏熱是關(guān)鍵問題。通過閥門的漏熱主要有2部分:通過閥門殼體的漏熱和機械構(gòu)件的漏熱。
SMC電磁閥為了降低通過閥門殼體的漏熱,一般采用外堆積絕熱和真空(多層)絕熱方式。外堆積絕熱一般應用在小口徑或很少維修的場合(因為外堆積絕熱的維修成本高),真空多層一般應用在大口徑和液氫、液氦的低溫截止閥門中。在真空型的絕熱體中,熱量通過絕熱體是以輻射、固體傳導和氣體傳導等幾種方式進行傳遞的。要準確地計算這部分熱量很困難,工程上用總的表觀導熱系數(shù)來處理。
更新時間：2022-10-10 
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