能动阀门全封闭谐波传动装置

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Full Closed Harmonic Drive for Dynamic ValvesLIN De-kuan，YU Guo-liang ，SONG Jian-zhong(1.Shenzhen Xiusheng Drive Technology Co.，LTD，Shenzhen 5 1 8026，China；2.SHK Valve Group Co.，Ltd，Shanghai 201416，China)Abstract：Introduces the working principle of harmonic gear driving device for full closed harmonicdrive，analyses the features of the structure and the temperature changes of the harmonic gear drive tech-nology，and influence of soft seal cover due to the cylinder compression deformation，gives test resultsof full closed harmonic drive for dynamic valves and the design and calculation process of the maincomponents。

Key words：valve；harmonic；ful closed；drive1 概述在输送剧毒、有害、易燃、易爆、高温、高压及具有核辐射等介质系统中的阀门发生外漏时，将严重污染破坏环境，危及生命安全及设备的正常运转。

阀杆动密封的泄漏是阀门发生外漏的主要原因之-。 能动阀门全封闭谐波传动装置是-种无阀杆填料密封结构的新型阀门动力传动机构，因此可以完全杜绝阀杆动密封泄漏的发生。

2 工作原理能动阀门(图1)全封闭谐波传动装置(图2)是利用谐波齿轮传动技术的原理，将柔性齿轮固定，谐波发生器置于柔性齿和柔性密封罩之外，利用柔性齿轮所产生的可控弹性变形波(图 3)，向密闭的阀门内部传递动力，实现阀门的开启或关闭。传动装置不受阀杆行程和运动方式(直线运动或旋转运动)的限制，阀门介质压力可达50MPa，使用介质温度可达 500℃，具有减速 自锁功能，驱动阀门输入力矩仅为传统传动方式的 1/40，使用电动时，可由专作者简介：林德宽(1950-)，男，工程师，从事设备管理和技术改造工作。

1.阀盖 2.内压式 自密封环 3.柔性密封罩总成4.柔性轴承 5.谐波发生器 6.谐波传动器 7.传动齿总成8.护套 9.机壳 1O.闸板启闭指示 11.阀杆 12.中间连接套13.均压孔 14.隔离密封环图 1 能动阀门阀 门 2013年第1期3 结构分析(1)柔性密封罩壁厚为了获得较高的工作压力，在保证承压安全的条件下，尽量减小柔性密封罩筒体的刚度，以利于通过柔性密封罩变形来传递动力的需要。柔性密封罩筒体、罩座和罩尾焊接为-个整体。(图4)。

1.阀杆 2.阀盖 3.丝杆 4.传动齿5.谐波发生器 6.柔性密封罩 7.机壳图2 全封闭谐波传动装置1.阀杆 2.椭圆谐波发生器 3.柔性轴承 4刚性齿轮5.柔性齿 6.柔性密封罩图3 柔性齿轮1.罩座 2.秉性轴承 3.谐波发生器4.柔性密封罩简体 5.罩尾 6.柔性齿图 4 柔性密封罩以柔性密封罩内部承压的设计压力为 30MPa，介质工作温度为400oC为例计算(柔性密封罩处以300oC计算热膨胀量)。柔性密封罩材料选用ASTMA182 F304奥氏体不锈钢，抗拉强度arb515MPa，屈服强度 。 205MPa，疲劳强度 - 340～400MPa。依据美国压力容器建造规则ASMEⅧ -1和 ASMEⅧ -2中针对奥氏体不锈钢材料的规定，压力容器如果容许少量变形，许用应力值最高可取设计温度下0.9 。按文献[1]规定，许用拉应力[0rb]：185MPa，抗剪强度 丁- 148MPa，弹性模量 E2.1×10 MPa。根据薄壁内压筒体计算得出其壁厚为6.4mm(柔性齿简体厚 1.9mm，柔性密封罩筒体厚4.5mm)。

(2)柔性密封罩应力工作时，由于柔性密封罩处于周期性微量变形状态，被保护在传动器内，不受其他外力因素影响，在应力计算公式中可认大的变形应力增加系数。

柔性密封罩的正应力基本上呈对称变化，转速小于1 500r/min，密封罩与柔性齿为相连的两个部件，阀门启闭时的冲击负荷对柔性密封罩影响相对较低。

轴向拉应力为 Pr1×1.6× 137MPa椭圆密封罩受压后的趋圆应力为1.5wdpr。

m x 下 WdD -D i 81-77.23.8： ： 161MPb a max - - - l厂 ～ 柔性齿浮动的-端与柔性密封罩筒连接，柔性密封罩筒承受柔性齿 50%的扭矩。

扭转剪应力为M r Z77"tm no丁M .6×-× jl 43.1MPa(3)柔性密封罩筒体柔性密封罩简体受压后，其半径的增加量对密封罩有-定的影响。

(·- )式中 △ --筒体受压后半径增加量，mmP--内压，MPa 筒体内径，mm 弹性模量，MPa- - 筒体壁厚，mnl2013年第1期 阀 门 - 29-- - 泊松比( 0.3～0.33)计算得出，受压后柔性轴承内圈与密封罩配合过盈量 △ 0.028mm。

由于柔性密封罩受压使简体外壁与柔性轴承内圈形成过盈配合，在与柔性轴承内圈互相接合的面上，显然会有界面压力 ap，这个压力会使外壳直径增大，使内壳直径减校a ed-Ehw Eht2 1 10 2 72 1 6 4-o. -------J----------～4.----- --------- -ll，X. × × . . ×l0 × . 。。

由ap引起密封罩的周向应力为OVA ： - ： - ： - . ar 38 7MP - - · 柔性密封罩受压后中部变型段(柔性轴承约束部分)的周向应力为or 181-38.7142.3MPa结论 142.3

由ap引起柔性轴承内圈的周向应力为： ： ： 38.7MPA aw - · (4)温度变化对密封罩的影响如果柔性密封罩与柔性轴承在温度变化时，由于线膨胀系数不-样也会对简体周向应力产生影响。

柔性密封罩(材料 F304)温度变化半径的增量at17.2×10～rnlTl。

△ 41。8×300 x 17.2 x 10～ 0.22mm柔性轴承(材料ZGCrl5)温度变化半径的增量at13.5×10～mm。

△ 46.25×300×13.5×10- 0.19mm温度 变 化 后 的 过 盈 量 为 0.22 -0.190.03ram。

温度变化引起的界面压力a ed-Ehw Ehr乏 10 42- 10 2 0.03 2. 1× x .1× × .7解上式得出△p5.02MPa由ap引起密封罩的周向应力为O'er：- ：- ：-32.2MPa - 广 z 由ap引起柔性轴承内圈的周向应力为- - ： 鱼： 86MPa密封罩筒体设计压力 30MPa，密封罩外径90mm，内径 77.2mm，筒体长300ram。

测试方法，在筒体中部对称配置2个数字百分表，取平均值(表 1)。

表 1 柔性密封罩简体实测数据(5)柔性齿强度试验 材 料 为 304，疲 劳 强 度 - 340～400MPa，抗拉强度 0rb515MPa，屈服强度 0.2 205MPa，许用拉应力[0rb]185MPa，抗剪强度丁-。

柔性齿轮 m0.8，齿圈处壁厚为2.2mm，柔性齿中性 圆半 径 为 39.6mm 柔 性齿壳体 长度 为120mm(齿圈中线)。

弯矩 引起的轴向正应力为zKMKdC I了Zo%sE，m弯矩 Mi引起的周向正应力为O'jKMKdC，变形切应力为zjKMKC，扭转切应力为rM c式中 --齿圈处壁厚，n1n1- - 动截系数(Kd1.1～1.4，当转速小于 1 000r/rain时取Ka1.0)- - 柔轮形状畸变应力增加系数rm--柔轮筒的中径(，. 0.5(cf0h。)，平均中径为39.6)，rainr--柔性筒体内径(r38.6)，mi/1- - 截面上剪切应力分布不均的系数- 30- 阀 门 2013年第1期(Ku1.5～1.8)L--柔轮简体长度(L(0.8～1.2) )，C --正应力系数C --切应力系数- - 简体厚度，mmW。--柔轮的最大变形量(波高)，mm 负荷，N.m柔性齿圈固定方式分为-端固定，另-端浮动，或-端固定，另-端约束旋转 2种形式，后者可使柔性密封罩筒体免受扭转力矩。以下是按-端固定，另-端浮动的结构进行计算。

轴向正应力为o-Z： KMKdC I-.U-oo sE- ，m1.38 x l×1592 × 155MPa周向正应力为6 nS/ZjKMKdC MPa，m 1.38×1×0.565×Q 墨 l83.8]VIPa变形切应力为MPa .38× ×0.565×Q 墨 詈： 52.9MPa扭转切应力为丁M (柔性齿筒体承受扭矩 T：2 500×0.5：1 250N·m)丁M ：112.5MPa -2×3.14×38.6 ×1.9 - 柔性齿轮m0.8，齿圈处壁厚为2.2mm，柔性齿中性圆半径 为 39.6mm，柔性齿 壳体长 度为120mm(齿圈中线到固定端面)，调波传动测试结果见表2。

(6)传动装置与阀体的连接传动装置可与各种直行程和角行程类启闭的各种闸阀、截止阀、角阀、球阀及蝶阀等配套使用。传动装置与阀盖采用焊接方式连接，阀杆完全封闭在体腔之内，不会发生任何阀杆外漏。当管道输送物为油、水和蒸汽等液体或气体时，阀杆密封结构简单，手动可轻松启闭大扭矩阀门。当管道输送介质为颗粒物、结晶体和气固两相时，传动装置设有隔离密封环，以保护柔性传动齿轮不被磨损。

表2 谐波传动测试结果柔-胜齿圈固定方式 阀杆的轴向J3/kN- 端固定，另-端浮动- 端固定，另-端约束旋转3505004 结语能动阀门全封闭谐波传动装置，根据计算和试制样品的实测结果，以及传动装置的多种设计表明，该装置可以用于多类能动阀门的隔离动力传递.能满足核电、火电、易燃、易爆、剧毒和严格控制介质外漏的各种管道工程和流体工况的工作要求，也是阀杆密封零外漏技术上的-个突破。能动阀门全封闭谐波传动装置的设计使用寿命大于阀门的使用寿命，不存在更换密封材料的问题，提高了装置运行的安全性和可靠性，延长了阀门在管线或系统中的使用周期，推广使用将为企业和社会创造-定的经济和社会效益。