浅析电动闸阀闸板反弹

李志杰

（沈阳盛世高中压阀门有限公司，辽宁 沈阳 110025）

电动闸阀弹性闸板反弹现象出现于试验与使用环节，当弹性闸板依靠电传动装置提供的动力源、滚珠丝杠的直线驱动力进行电动闸阀闭合动作时，原本下降的弹性闸板出现异常回弹现象。经过与电传动装置专家、电动闸阀专业维修人员的交流发现，DN50口径电传动装置仅依靠减速器齿轮进行机械限位，弹性闸板环形堆焊槽过深，可能会发生弹性闸板反弹。同时，对弹性闸板启闭过程进行现场勘验，查询流体动力学、热力学等相关书籍对弹性闸板反弹进行深层次原因探析。本文设计参数如下：启闭时，闸阀中流动介质压力17.16MPa，温度260℃，阀体密封面内径48mm、密封面宽度5mm，电传动装置过载输出扭矩120N·m。

1 电动闸阀工作原理及重要件结构简述

电动闸阀是由电传动装置作为动力源，滚珠丝杠副作运动转换机构，从而使闸板密封面与阀体密封面分离与贴合，完成电动闸阀启闭动作。涉及本文的主要为电传动装置、滚珠丝杠副、闸板、阀体。电动闸阀示意图见图1。

电传动装置与步进电机工作原理类似，由减速器、定子、转子等组成。滚珠丝杠副是将电传动装置中转子的旋转运动转化为丝杠的直线运动，由滚珠、丝杠等组成。闸板、阀体主要由基体+硬质合金层组成，基体承受来自外界力的作用，硬质合金层提供表面耐磨、耐蚀性等。

2 弹性闸板反弹原因分析

2.1 电传动装置影响因子

电传动装置作为电动闸阀的动力源，是造成弹性闸板反弹的根本原因。根据杨源泉版《阀门设计手册》表4-88计算得出，楔式弹性闸板开启力矩60N·m，关闭力矩55N·m，电传动装置过载输出扭矩满足计算要求。在排除设计选用因素前提下，还有以下几种影响因子：

（1）电传动装置由减速器齿轮带动滚珠丝杠旋转，考虑齿轮配比受齿形磨损影响较大，可能造成输出扭矩降低，无法一次使电动闸阀关闭，从而造成反弹。

图1 电动闸阀组成示意图

（2）电传动装置未设置自锁功能，导致弹性闸板反弹时不能锁死，甚至出现反转现象。

（3）根据牛顿第一定律，电传动装置转动速度越快，断电时，减速器齿轮运行惯量越大，导致弹性闸板反弹概率越大。

2.2 滚珠丝杠副影响因子

滚珠丝杠副是将转子的旋转运动转化为带动弹性闸板的升降运动。为了保证升降运动的流畅性、稳定性，选择传动效率高的滚珠、丝杠组合。虽然满足了电动闸阀启闭时的传动要求，但同时，也增加了弹性闸板反弹时的流畅性（弹性闸板可近似看作电动闸阀瞬时开启过程）。

2.3 弹性闸板、阀体密封面贴合的影响因子

电动闸阀工作原理为弹性闸板、阀体密封面贴合，从而形成密封比压，阻断介质流通。因此，弹性闸板反弹机理主要在于弹性闸板密封面与阀体密封面处的力学分析。

本文以关闭后电动闸阀形成双面强制密封效果，然后，在施加进口单向介质力、进出口双向介质力时的状态进行简单力学分析，然后，进行瞬时耦合场简析，从而找出弹性闸板反弹机理。

（1）电动闸阀在正常介质流通时进行关闭，关闭后，电动闸阀中腔存留一定量介质（电动闸阀关闭过程中，进出口侧类似节流阀原理，出口侧流速高于进口侧，因此，当电动闸阀关闭到位时，不可能存在中腔满介质情况）。假设此时阀门进口端通介质压力，力学分析图见图2。根据力学分析图得出以下公式：

式中，FMC为摩擦力，fMC摩擦系数，FN正压力，FMJ介质力，FMF密封力，θ楔角，FFT反弹力。

由（1）、（2）、（3）得出结论：

由公式（4）得出，当楔角θ在0～10°范围内，反弹力FFT永远小于摩擦力，即在闸板闸死（弹性闸板密封面与阀体密封面完全贴合状态）情况下，无其他外力作用，只在介质力作用下时，闸板不会出现反弹现象。

（2）更换一中假设条件：假设此时阀门进出口端均通介质，力学分析图见图2。因公式与一类似，因此，不再叙述，根据力学分析图得出结论：

由公式（5）得出，当楔角θ在0～7°范围内，反弹力FFT永远小于摩擦力，即在闸板闸死（弹性闸板密封面与阀体密封面完全贴合状态）情况下，无其他外力作用，只在介质力作用下时，闸板不会出现反弹现象。

图2 单/双向介质力学分析图

（3）根据一、二结论发现无外力作用，闸板不可能反弹，因此，需进一步考虑耦合效应。弹性闸板在闭合瞬间受温度场、流体场、微观粒子场等相互作用，由冲量定理公式（6）得出，闭合瞬间通道内介质流速与中腔介质流速急剧变化，产生新的外合力使得弹性闸板反弹。流速变化越剧烈，反弹效果越明显。

弹性闸板在完全闭合后，如果在进口侧持续升压，根据能量转化理论，通道内与中腔内产生压力差值并在中腔方向产生分量，因此，通道内与中腔内压差足够大时，即便闭合状态的闸板也会发生反弹。能量参考转换见公式（7），本文不再细述。

弹性闸板受温度场影响对闸板反弹可大可小，主要影响效果分为两种：一种是冷态关闭弹性闸板，热态开启时，会造成开启力过大甚至无法打开；另一种是热态关闭弹性闸板，关闭力会增加甚至出现无法关闭现象。两种情况产生的原因与金属内部微观粒子场变形趋势有关。

综上，耦合场影响是复杂多样的，对反弹影响最大的是：在介质高温、高流速、持续加压状态下，对弹性闸板进行关闭。以上一、二、三针对湿摩擦进行分析，干摩擦分析时，需要考虑摩擦因数的变化。

3 弹性闸板反弹消除设想

根据弹性闸板反弹原因分析，提出以下几点消除设想：

（1）增加电装电流自锁功能，增加电装减速器齿轮硬度及耐磨性，更换具备自锁功能的涡轮，蜗杆减速机构等、建议额定输出扭矩不得小于过载扭矩的70%，降低减速器齿轮配比。

（2）弹性闸板关闭时，介质温度应选取实际使用温度与常温的中间值，本文可选取140～160℃。

（3）电动闸阀闭合时，介质压力应在小范围波动。

（4）弹性闸板不应在介质满流量状态或者流速过高状态下关闭。

（5）尝试更改弹性闸板楔角，按照阀门公式（4）或者（5）定量确定，根据计算本文选取楔角4°。

（6）干摩擦因数比湿摩擦因数要大得多，且每次电动闸阀启闭时，弹性闸板密封面与阀体密封面均不会受到介质在密封面形成的表面张力保护，多次在干摩擦下闭合会对密封面造成刮伤，容易引起反弹，因此，不建议在无介质时，对电动闸阀进行启闭操作。

（7）滚珠丝杠副增加自锁装置，详见《滚珠丝杠副与自锁装置》书中158-251页。

4 结语

弹性闸板反弹问题是影响电动闸阀使用性能的一环，经过对弹性闸板耦合场的分析，最终确定影响反弹的三大因素：温度、压力、速度。本文最后依据专业人才的经验对电动闸阀使用要求提出规范化建议，并结合理论知识在电动闸阀设计理念上提出新的想法。