浅议BQ型双偏心半球阀阀芯的研磨工艺分析与研磨机的设计

发布时间：2010-12-31 点击数：3123

    BQ型双偏心半球阀[专利号ZL9724118011]是为了解决“气-固”或“液-固”两相混流介质输送中带有沉淀、结垢和结晶介质的技术难题而研制开发的新型调节阀。因为在常用阀门使用过程中，阀门的磨损和结垢是影响其使用寿命的主要因素，双偏心式半球阀以其独有的启闭方式与偏心结构、硬密封的特点，关闭切除结垢，刮净密封面上的附着物，从而顺利地实现开启与关闭，磨损自行补偿，开辟了解决常用阀门存在问题的新途径。但由于此种阀的核心部件—阀芯，其密封面堆焊了耐磨合金，在研磨成一定要求的球面时采用的加工手段是手工研磨，制约了产品质量的提高和产量的批量化。为此，本文对阀芯加工中的研磨工艺进行了分析研究，设计出一种新颖可靠的自动研磨机构，满足了生产要求。
一、研磨工艺分析与研磨机的工作原理
   研磨实验表明：平面量块及圆柱量规研磨时，当其轨迹为正弦波时，其几何精度、表面粗糙度很高。通过对半球阀阀芯研磨过程和研磨机理的研究，在球面上进行模拟操作实验证明：轨迹若为正弦波轨迹时，其几何精度、表面粗糙度亦可以达到较高的水3郑州市2006科技攻关项目[6-11]平；研磨速度（0.33～1.54mPmin）增大使研磨效率提高；但当速度过高（0.5～100mPmin）时，由于离心力作用，使研磨剂甩出工作区，研磨运动平稳性降低，研具磨损加快，从而降低研磨加工精度，在一定范围内（0.1～0.3MPa）增加研磨压力可提高研磨效率。当压力大到一定值时，由于磨粒破碎及研磨接触面积增加，实际接触点的接触压力不成正比增加，研磨效率提高并不明显；另一方面，对于同样的磨粒，研磨压力减小对提高表面粗糙度有利。一般粗研多用较低速、较高压力；精研多用低速、较低压力。为此，在设计偏心球面研磨机构时，着重考虑了正弦波轨迹的实现、研磨速度和研磨压力的控制。
   研磨机的运动原理如图1所示，n₁是研具的转速，n₂是阀芯的转速，两者方向相反同轴（z轴），另外，阀芯绕y轴摆动，往复转速为n₃。在水平面上，阀芯球面上任一磨粒在水平面（xy平面）内的合速度为（v₁-v₂），如图2所示。在xz平面内，设磨粒的速度为v₃，则磨粒的实际速度v=v₁-v₂+v₃。当摆动按正弦波规律运动，v₁、v₂与之合理匹配时，其磨粒轨迹类似于振动衰减的正弦波，如图2所示。在n点处，其速度为v₁+v₂，v₃=0。由图2可看出，若阀芯只作往复摆动，在m点与n点处的研磨轨迹就有很大差别，其去除材料量、磨损、磨削等产生严重不均匀，阀芯的球面度、表面粗糙度就很难达到均匀一致，不能满足要求，为此应使阀芯有一转速n₂，不断连续变动阀芯位置，使整个球面的研磨、磨损等均匀一致。

二、研磨机结构设计
   研磨机结构如图3所示，整体采用4根立柱作支承、导向，并分别与其他上、下水平面4根柱形成六面体结构，主要是增加整体刚性，使受力均衡。

   在此基础上，分为上部移动架、下部固定装置。移动架上主要有使工件做旋转、摆动的电机以及摇摆机构、弹性浮动装置等，下部主要有使研具旋转的电机、传动系统以及使移动架上下运动的传动升降系统。
   （1）研具转速n₁的实现
   转速n₁应考虑：与摆动匹配；工件尺寸（管道内口径D_n=150～600_mm）不同转速要求亦不同；在研磨的不同阶段，其要求的转速也同样不同。经比较分析，采用调速电机1通过蜗轮蜗杆3带动研具转动，其研具转速设计为5～30rPmin。通过调节电机转速实现不同转速，采用蜗轮蜗杆机构的目的是降速增力。
   （2）阀芯的摆动转速n₃的实现
   由上所述，阀芯的摆动是影响研磨轨迹的直接因素，当摆动为正弦波规律时，球面上才可以得到正弦波轨迹。为此采用如图4所示的机构。球心为o，摆动臂为x₁z₁o₁平面内的po₁，在p点装一曲柄。曲柄与滑块间装一球面关节，滑块与导杆滑动连接。当曲柄绕摆动臂po₁匀速转动时，曲柄带动滑块沿导杆移动，由于导杆固定，驱使摆动臂po₁绕y₁轴转动。此时，曲柄r既做自转又做公转，滑块仅作移动。结果为曲柄r匀速转动，摆动臂po₁做周期摆动。实际上，就是平面上的正弦机构经变异演变为空间摆动正弦机构。其分析如下：
   当曲柄转动Q，在曲柄平面内pNM直角三角形中，X₁=rsinQ；在x₁z₁o₁平面内，摆动臂转过β角，在po₁M直角三角形中，tanβ=X₁PL，β=arctan[rsin（QPL）]，（Q=360_n0t）。

   经在球面上做出的仿真轨迹可以看出，轨迹比较理想，达到预期目的。
   研究表明正弦曲线的幅值，对研磨表面粗糙度，球面度影响很大，在研磨过程中幅值应可调；同时，阀芯尺寸（D_n=150～600mm）不同时也要求幅值不同。此处采用调整曲柄半径r值来实现幅值的调整。
   对于不同尺寸（D_n=150～600_mm）的工件、不同的研磨阶段，阀芯摆动转速n₃要求也不同，所以n₃应在一定范围内可以调整，同时还要与n₁协调匹配，以达到理想的轨迹、速度。此处采用调速电机2及行星减速机构实现。
   （3）阀芯转动的实现
   阀芯转动的目的在于使阀芯的两极得到均匀的研磨，速度的大小以及是否变速对研磨质量影响不大，故可以不考虑变速与否。此处借用摆动调速电机2、行星减速机构、通过链传动带动阀芯转动。
    （4）弹性浮动支承结构
   阀芯与研具的球面在研磨过程中应当吻合，且有一定的研磨压力，才能达到要求。但由于阀芯球面的制造误差，研磨机自身制造、装配的误差，磨粒的不均匀性都会影响其良好的吻合。同时在研磨过程中，阀芯表面的硬质点、研磨机自身刚性等原因，会引起阀芯的振动。这些因素可能导致研具球面与阀芯球面的局部硬摩擦而不是磨削。为避免局部硬摩擦情况的发生，采用了阀芯弹性浮动支承结构，如图3所示，纵向采用上下滑块（1、2）-弹簧（H₁、H₂）系统，左右方向采用套筒导柱（1、2）-弹簧（H₃）系统。实验与研究报告证明，弹性浮动支承系统可有效提高球面度和表面粗糙度。
   （5）快速装卡、升降系统与压力调整
   由于阀芯的偏心设计以及特殊结构，每次在机床上装卡都要进行找正，费时费力，占用许多有效加工时间。为此设计了一套阀芯随行夹具，随行夹具与研磨安装盘装卡即可，此处采用一面两销定位，用4个螺栓压板压紧。
   由于阀芯体积大占用空间也较大，为使装卸方便，需提供足够装卸空间，为此采用一套升降系统，将上部移动架整体上移或下降，具体传动路线为：手轮-链传动L-蜗轮蜗杆1—丝杆螺母1（蜗轮蜗杆副2-丝杆螺母副2）-移动架（上下运动），导向采用导柱导套（8个）对称布置。由于仅在装卸时进行操作，故采用手动操作方式。该机构还可以调节压力，操作轻便可靠。
三、结论
   该研磨机构的设计实现了研磨速度、研磨压力在一定范围内的可调，达到了理想的研磨轨迹，满足了阀芯的弹性浮动支承，从而保证了研磨质量的提高。另外，工件的快速装夹，使研磨效率得到了极大提高。

  参考资料
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