轮胎硫化机热工阀门概述

秦玉成

(上海精元机械有限公司 ，上海 201702)

硫化机是汽车轮胎加工制造的末道工序，其中热工管路是硫化机的重要组成部分。这些管路控制硫化介质进入胶囊、蒸汽室（热板和模套），实现抽真空控制、定型控制、胶囊内压控制以及蒸汽室温度控制的动作，管路中的执行元件主要有切断阀、薄膜调节阀、平衡阀、疏水阀、止回阀、截止阀等阀门。它的关键元件是切断阀、薄膜调节阀、疏水阀组等，切断阀主要用于内温控制，薄膜调节阀主要用于外温控制，疏水阀组主要用于外温冷凝水排放。

1 切断阀结构及特性

切断阀是切断或接通输送管道上流动的介质（蒸汽、氮气、动力水等），达到系统对压力、温度、流量等硫化工艺所需参数的要求。它的动作只有开启与关闭，即通与断。

切断阀根据功能可分为常开和常闭两种形式。常开阀是指没有信号压力（即信号源的压力等于零）时，由于弹簧自身的（单作用仅有）的弹缩预紧力，使阀芯的初使状态在打开状态，即阀门的初使状态为开启。当执行机构收到信号源的气源压力后，弹簧受压，推杆带动阀芯移动到极限位置，使阀门完全闭合。常闭阀是指没有信号压力（即信号源的压力等于零）时，由于弹簧自身的（单作用仅有）的弹缩预紧力，使阀芯的初使状态在关闭状态，即阀门的初使状态为闭合。当执行机构收到信号源的气源压力后，弹簧受压，推杆带动阀芯向下移动到极限位置，使阀门完全开启。切断阀的主要结构有两种形式。

1.1 法兰连接式切断阀

此种阀门目前市场使用较多，主要以日系ROCKY等品牌为主，阀门的外形及内部结构如图1所示，阀门两端根据不同的通径，采用不同规格的法兰（日标或国标）。阀芯在弹簧预紧力作用下，停留在中间位置，阀门闭合。当有信号压力时，阀芯下压，阀门打开；阀芯在弹簧力作用下，停留在下部，阀门打开。当有信号压力时，阀芯上移，阀门闭合。

图1 法兰连接式切断阀

阀门特点: ①法兰式连接，互换性强。不同品牌安装尺寸基本相同，如果法兰标准相同，可以实现不同品牌的互相替换；②流体通道呈S流线型，压力损失相对较大；③成本低，阀门制作技术成熟，同类型阀门在国内、国外比较多，品牌选择性大，价格相对更有优势。

1.2 焊接式角座阀

此种阀门主要最早应用在电力、医药行业，后随着国外进口硫化设备的增多，这些阀门也开始进入了国内的轮胎行业，主要以德系SCHUBERT/SALZER等品牌为主，阀门如图2所示，阀门两端管子可与管路进行焊接，维修时可将上部阀体部位用扳手旋松螺纹并拆下，不需拆卸阀座。常闭阀门如左图，阀芯在弹簧预紧力作用下，停留在下方位置，阀门闭合。当有信号压力时，阀芯上移，阀门打开；常开阀如右图，阀芯在弹簧力作用下，停留在上部，阀门为打开状态。当有信号压力时，阀芯下移，阀门闭合。

图2 焊接式角座阀

相对于传统的法兰式连接阀门，具有以下特点:

（1）节能效果更有优势

由传热基本方程Q=KA△T（Q为对空气散的热量；K为传热系数；A为散热面积；△T为管道内蒸汽温度减去环境温度）得出：散热面积越大，能耗越高，散热面积越小，能耗越低。法兰连接增加了散热面积，焊接式连接减小了散热面积。

（2）漏点少

法兰对接的漏点多，焊接式阀门每个阀门连接处可减少2处漏点。

（3）压损更小

角座式阀门的介质呈一字形顺流通过，相对于S流线形，阀阻小，压损也就更小。

（4）整体空间小

硫化机管道布置在辊道下面，空间狭小。阀门本身结构缩小后，管路布局三维空间减小，有利于维修和运输。

（5）备件更换方便

焊接形式的切断阀后期更换备件方便，不需要将阀座从管道上拆除，只需将阀芯拆除即可。

2 调节阀结构及特性

调节阀是根据控制讯号的变化，达到对介质的压力、流量、温度等工艺参数自动调节和远程控制。在轮胎定型硫化机上，主要用于对模套及热板的蒸汽流量调节，达到控制硫化模具温度的目的。调节阀主要有以下两种形式。

2.1 薄膜调节阀

薄膜调节阀是目前国内设备用的较多的结构,主要品牌有ROCKY、FUJITA等，如图3所示。

图3 薄膜调节阀

阀门内部结构及动作原理：气源压力信号输入阀门执行机构的上腔室中，因气压作用，膜片产生推力，带动阀杆向下动作，阀芯产生相应位移，阀芯位置的变化促使阀内的流通截面积发生变化，达到调节介质流通能力的目的。

特点：①螺纹或法兰式连接；②不带IP转换器，需增加控制模块；③控制精度约为2.5%，可满足硫化使用要求。

精度控制曲线图如图4所示。

图4 薄膜调节阀精度控制曲线

2.2 滑窗式调节阀

滑窗式调节阀因控制精度高，节省能源，主要应用在食品、医药、军工等行业，但近年来在轮胎行业也逐渐被广泛应用，主要品牌有SCHUBERT、SALZER、boilz等。如图5所示。

滑窗阀的结构及动作原理：固定阀板垂直安装在阀体内，此阀板上开有多个条形窗孔，另一片同样结构的活动阀板在垂直于蒸汽流通方向上相对于固定阀板上下运动，两块阀板窗孔位置交错变化引起蒸汽流通面积变化，达到调节蒸汽流量的目的，两个阀板前后的压力差使活动阀板与固定阀板贴合更紧密，起到密封的作用。

图5 滑窗式调节阀

滑窗式调节阀特点:

（1）节省蒸汽用量

根据理想气体状态方程（克拉伯龙方程）PV=nRT即P1V1/T1=P2V2/T2（T1=T2为需要硫化的温度；P1为单座阀阀后压强；P2为滑窗阀阀后压强；V1（体积）÷单位时间=单座阀的流量；V2（体积）÷单位时间=滑窗阀的流量），因P2＞P1，T1=T2，所以V2＜V1，即当调节相同的温度时滑窗阀所需的流量小于单座阀所需的流量，所以滑窗阀更能节省蒸汽用量。

（2）具备阀门运行记录功能。

调节阀的智能型定位器可记录阀门的所有运行情况，如需优化阀门调节性能可通过查看阀门历史运行情况作为参考来做PID控制优化。

（3）调节精度高

滑窗阀调节精度为0.2%，调节精度越高越省能源，而且硫化出来的轮胎品质也越好。见图6所示。

图6 滑窗式调节阀精度曲线图

（4）减少闪蒸、气蚀、水击等影响阀门寿命的不利因素

滑窗式调节阀的阀板上开有多个节流槽孔，高速流动的蒸汽经过节流结构的活动滑板后形成喷射叠加，使蒸汽介质的动能由于相互碰撞和摩擦而转换成热能，极大地降低了产生气蚀和闪蒸的能量，减少气蚀和闪蒸给阀体零件内部造成的损坏。

3 疏水阀结构及特性

在蒸汽空间若有水的存在，将会减少热量，影响热传递效率，从而直接减少了设备的最大输出量。蒸汽疏水阀作为蒸汽系统不可缺少的一部分，是轮胎硫化过程中提高蒸汽使用效率的重要因素。

3.1 疏水阀的作用

（1）保持蒸汽空间冷凝水的自由排放，以缩短工序时间，从而增加产品输出。

（2）控制启动负荷和运行负荷，以减少工序启动时间。

（3）确保冷凝水的正确排放，以减少控制阀的磨损。

（4）减少设备启动时蒸气疏水站的旁通阀打开所造成的能量浪费。

（5）低于蒸汽温度排放冷凝水，减少闪蒸蒸汽的损失。

（6）维持加热表面的热传递系数，确保产品的特性一致。

3.2 疏水阀的类型

疏水阀根据结构可以分为几种类型：热动力型、浮球热静力型、倒吊桶式、压力平衡式、双金属式等，每一种疏水阀都有其优缺点，深入了解其工作原理后才能从中选择合适的疏水阀，在硫化机上应用较多的是浮球式和倒吊桶式疏水阀。

3.2.1 浮球式疏水阀

工作原理：浮球疏水阀是通过感应蒸汽和冷凝水之间密度的不同，利用浮球原理来实现排放冷凝水的开关。疏水阀的开度与水位成比例关系，瞬间的压力变化不影响阀的开关。因此这种阀特别适用快速、频繁排放冷凝水的工况，浮球疏水阀是一种十分理想的自动疏水并实现最大热交换效率的疏水阀。见图7所示。

图7 浮球式疏水阀

3.2.2 倒吊桶式疏水阀

工作原理：倒吊桶式疏水阀是根据伯努力热动力原理，利用蒸汽和凝结水的热动力学不同的特性，引起动能和势能动静压变化。使动作件阀片上下压差变化，启动阀片开启和关闭，从而达到阻汽排水的目的。见图8所示。

图8 倒吊桶式疏水阀

疏水阀是疏水系统中的一个重要元件，它与其他阀门组合使用形成了一完整的疏水系统。整个疏水系统由图9所示的几种阀门组成。

图9 疏水系统示意图

各零部件功能如下：

（1）截止阀：隔离蒸汽疏水阀，以便设备无需停止运行就可进行维修。

（2）旁通阀：旁通阀在蒸汽疏水阀拆下维修时可排放冷凝水。在设备起动时，旁通阀务必不能打开，忘记关闭会引起蒸汽损失。

（3）过滤器：可以防止系统中的杂质进入疏水阀，阻碍疏水阀正常工作，疏水阀中需要安装外置的过滤器，该过滤器的滤网结构使其比较稳定，不会因水锤作用而变形。

（4）止回阀：为防止蒸汽疏水阀中冷凝水的回流，需安装止回阀。在设备关闭时如果无负压，冷凝水回流至蒸汽空间将会导致腐蚀。在设备起动时有突然的蒸汽压力，有可能产生水锤。

以上是单个阀门的结构，这些阀门通过不同管子的走向，与其他阀门连接后，就形成了硫化机的热工管路，这些热工管路布置在硫化机后侧，通过PLC控制，达到硫化轮胎的目的。

4 集成阀组结构及特性

随着市场的竞争日趋激烈，制造业越来越倾向于节能与环保的产品，阀门的结构也出现了新的变化，无论是传统的法兰连接式阀门还是焊接式角座阀，都在向集成化迈进，目前也已经出现了不同阀门的不同集成方案。

4.1 管件连接式

阀门结构经过改型制作后，与管件焊接或少量的法兰连接，将整个阀门布局缩小为一个整体，由阀门制造商直接装配完成，作为一个整体阀组供应给设备厂商，这种方案简化了初期现场配管工作的时间，降低了初期现场配管工作时管道安装的错误。

4.2 底座集成式

阀门同样是经过改型制作后，集中安装在一个阀座上，此阀座内部加工有各种介质通道，在阀座内部进行介质流通，阀门与阀座通过螺纹旋合，并增加密封圈密封，阀座与外界管子的连接部位也有密封圈进行密封，这种方案省却了配管的工序，减少了漏点，使得管道占用空间更小，安装及维护更加方便快捷。

无论什么样的集成方案，相对于单个阀门结构布置的管路，有如下明显的优势：

（1）集成度高，节省了空间。

（2）安装及维护非常方便，减少了初期的总装时间，也大大减少了维修拆卸的时间。

（3）便于现场施工及接管，可以缩短配管的长度。

（4）实施保温时节省材料和人工费用，可以制作保温箱或其他更有效的保温设施。

（5）节能效果会更好，大大降低轮胎硫化过程中管道热量的损失。

（6）降低硫化车间的温度，改善工人的工作环境。

集成阀门因没有形成统一的标准，没有批量化使用，也有自已的一些不足之处：

（1）集成方案属于定制品，不能完全标准化。

（2）不能实现不同品牌的互换。

（3）集成阀门价格相对较高，设备投入成本增大。

5 结语

随着技术的成熟与进步，阀门的结构也在不断的发展与更新，轮胎行业为了降低成本，节省蒸汽用量，对配套的阀门也会提出更高的要求，所以，无论轮胎行业还是阀门制造业，都在向着自动化程度更高、更加节能与环保的产品领域进军。