在冶金行业高炉鼓风系统中，由于所需风量变小时常常导致供风管路中的气体压力突然高，造成鼓风机工作点超出正常的工作范围引起喘振而损坏鼓风机。因此要求在系统中设置一个旁通管路，在出现系统压力升高时打开旁通系统中的
调节阀排除一部分空气，以维持系统的正常工作。由于系统的压力变化较快，所以要求系统的旁通
阀门能够在3s内打开。我们根据需要研制了快开
蝶阀。
一、基本参数
二、结构及工作原理
由于阀门用于高炉的供风系统中（图1），其使用介质为空气安装在高处，因此阀门的阀体和蝶板采用Q235A的钢板焊接制成，尽可能减小阀门的自重。阀门使用于温度≤120℃的空气介质，采用橡胶密封的结构。阀门要求在接到开阀信号时3
s内打开用电动驱动将很难实现。结合用户现场条件，选择了液动操作方式，压力源为用户的2.0MPa的液压油源。考虑到供油流量的限制，采、用液压-弹簧式驱动装置，用液压关闭阀门同时压缩弹簧使其积蓄一定的能量。当接到打开指令后，供油系统并使回油管路接通，弹簧的能量释放，使阀门迅速打开。
快开蝶阀（图2）主要由传动装置（图3）、阀体、蝶板、阀杆、蝶板密封圈及压板等组成当
电磁阀失电时，压力油经过电磁阀进入油缸，推动活塞向左移动，带动曲柄顺时针转动，同时压缩弹簧。曲柄转动时通过阀杆使蝶板关闭。接到系统开阀指令时，电磁阀带电，切断油源供油，并将油缸排油通路接通，压力油通过排油管回到油箱。弹簧积蓄的能量释放使曲柄逆时针转动，阀门打开。
三、阀门设计
1、阀体
阀体采用钢板焊接，其重量比采用铸造结构减轻约1/3，既满足使用性能的要求又适合现场安装条件。阀体壁厚S
B
除了强度方面计算外，还要考虑到阀体刚度的要求。一般采用增添加强筋以增大零件整体的刚性，防止其发生变形。
阀座是阀体的一部分，直接影响阀门的密封性能，采用不锈钢圈焊在阀体内。
2、蝶板
因为阀门要求在短时间内打开，所以蝶板采用双平板的桁架结构，其刚性好，质量轻，阀门通流面积大。这样可以使阀门在保证密封的同时适应快开的要求。蝶板强度σ
MAX的校核公式为
3、密封结构
根据阀门的工作条件，采用了橡胶-不锈钢的软密封结构（图4），橡胶密封圈采用氟橡胶材料制成。氟橡胶可以长期使用在温度<180℃的条件下，对于空气等介质具有良好的适应能力。橡胶密封圈的断面为T形，通过金属压板固定在蝶板上，可以有效的防止高速流动的介质将其从蝶板上吹出。通过压板的压紧程度还可以调节橡胶密封圈和不锈钢阀座的密封比压，从而获得最佳的密封效果。阀座用1Cr18Ni9Ti不锈钢圈制成，焊接在阀体内。1Cr18Ni9Ti具有良好的耐蚀性，焊接和机加工性能良好，在空气介质中使用不会锈蚀，能够适应工况的要求。
4、阀杆
阀杆主要用来传递驱动装置的扭矩，带动蝶板转动，实现阀门的开启和关闭。在阀门关闭时，阀杆还要承受一定的介质推力，保证蝶板与阀体的相对位置。所以阀杆除了传递扭矩外还受到弯矩的作用。阀杆材料一般根据管路中介质的腐蚀性和温度等条件选择，由于阀门通过的介质为空气，采用2Cr13作为阀杆的材料。为了使阀门具有足够的通流面积，采用两根短阀杆的结构，杆的一端插入蝶板中，用圆锥销固定在蝶板上。杆的另一端靠安装在阀体中的轴承支承。阀杆的直径d为
阀门开启时蝶板受到的介质流动时的动气力矩M
a与蝶板的形状、介质的流速和介质的密度有关。由于系统中介质为空气，流速大约为30m/s，蝶板为桁架式过流结构，在此条件下，动气力矩的数值与其他几项相比小很多，故忽略不计。
所以阀杆所受的扭矩M
n在处于全关的位置时为最大，全开的位置时为最小，即
M
nmax=M
C+M
T+M
f M
nmin=M
C+M
T 计算阀杆直径时，按M
nmax情况考虑。
5、锥销强度
蝶板和阀杆之间采用锥销连接，锥销孔在装配时配制。这样可以降低加工难度，保证装配的位置准确。锥销的直径一般取阀杆直径的1/4～1/3。锥销的强度τ为
式中 τ———锥销所承受的剪切应力，MPa
A———锥销受剪切的截面积，mm
2 n———锥销的数量
[τ]———材料的许用剪切应力，MPa
6、传动装置
由于阀门要求在3
s内从全关到全开，所以采用压力油作为阀门的操作动力。阀门在开启时的动作快，油的瞬间流量比较大。为了防止对油源产生压力波动等影响，故采用液压-弹簧联动的设计方案，用液压油源使阀门关闭，同时使弹簧受压蓄能。在接到阀门开启信号时，电磁阀换向切断油源，同时使油缸中的压力油排出，弹簧的能量释放，使阀门打开。驱动装置的传动部分采用传统的曲柄滑块结构，具有简单可靠的特点。
（1） 弹簧
弹簧提供阀门开启的动力。在蝶板处于全关状态时，阀门所需要的开阀力矩最大。在蝶板转动一个角度后，蝶板密封圈与阀座脱离，所需要的开阀力矩逐渐变小。而弹簧产生的力与弹簧的变形量成正比，所以当蝶板处于全关时，弹簧处于最大变形位置，此时驱动装置产生的力矩最大，弹簧的能量逐渐释放，驱动装置产生的力矩逐渐减小。当阀门开启的全过程内驱动装置产生的力矩都大于阀门在各开启位置的扭矩，阀门就能顺利打开。依据这一原则，在设计中选用压缩弹簧，当阀门处于全关时，弹簧压缩量最大。当阀门处于全开时，弹簧压缩量最小。弹簧产生的最大力F
Tmax与弹簧产生的最小力F
Tmin为
式中F
Q———附加力（包括油缸的摩擦力等），N
η———效率
根据阀门的使用条件，弹簧按II类弹簧设计，选用60Si2MnA钢丝制成。根据强度条件，弹簧钢丝直径d
T为
根据弹簧所提供的最大力与最小力及其工作行程计算其刚度k为
弹簧在工作时的最大变形
λmax和最小变形λ
min为
为了保证弹簧工作变形在其允许的范围内，弹簧的设计最大变形λ′为
弹簧的自由高度H
0为
H
0=（n+1.5）d
T+λ′
弹簧节距P为
根据弹簧计算的各项参数，可画出弹簧的工作图。
（2） 液压油缸
快开蝶阀依靠液压装置使阀门关闭，所以其液压油缸的力除了能使蝶板关闭，还应能提供足够大的力使弹簧压缩到工作状态。则油缸力F
L为
根据油缸力可以得到油缸的直径（按标准圆整到规定值），并根据使用压力确定油缸壁厚、活塞和活塞杆的相应尺寸。
（3）排油管径
由于阀门对开启时间有要求，所以除了进行力矩计算还要进行速度计算。对阀门开启速度影响最关键的是油缸的排油速度，要求油缸的排油口能够在规定的时间内将油排出。系统的排油管直径d
h为
四、结论
快开蝶阀用于高炉供风系统中，在系统超压时开启迅速、灵活，有效地防止了风机损坏，满足了工况需要。
参考资料
徐灏。机械设计手册（M）。 北京： 机械工业出版社， 2002。
陆培文。 实用阀门设计手册（M）。 北京：机械工业出版社，2002。
