除鳞喷射阀的结构原理与改进措施

    在现代宽厚板生产中除鳞系统已经是核心设备之一，其关系着产品质量和生产产量。随着产品质量的要求越来越高，除鳞系统的压力也越来越高，除鳞频率也越来越高。在整个除鳞过程中除鳞喷射阀起到至关重要的作用，其质量和性能直接影响安全、产品质量和经济效益。它要求寿命长、抗污染能力强、密封性能好、动作灵活等特点。
    1 结构原理及特点
    1.1 基本结构
    除鳞喷射阀主要由主阀、驱动部分和控制部分组成。如图1所示，主阀为平衡式滑阀结构，包括阀体、柱塞（阀芯）、衬套及密封件。驱动部分为双作用气缸，由缸筒、活塞、气缸上盖、气缸下盖、指示传感器等组成。控制部分采用气动控制，由气动三联件、单向节流阀、二位五通电磁阀等元件组成，控制元件全部装入控制箱。
    1.2 工作原理
    当钢板或钢坯进入预定工位，控制系统得到除鳞信号，二位五通电磁阀得电换向（见图2所示气控原理图）压缩空气进入气缸的下腔，在气缸的作用下柱塞克服阻力向上移动，阀门打开，高压水经过滑阀上的窗口与阀出口联通，除鳞系统开始喷射高压水除鳞。当钢板或钢坯离开预定工位，控制系统得到结束除鳞信号，二位五通电磁阀断电换向，压缩空气进入气缸的上腔，在气缸的作用下柱塞克服阻力向下移动，柱塞无窗口段与阀出口重合，阻断高压水的流动，阀门关闭，除鳞系统喷射除鳞结束。

图1 喷射阀结构原理图

1-气缸；2-气管；3、9-单向节流阀；4-二位五通电磁阀；5-消声器；
6-气动三联件；7-球阀；8-控制箱
图2 喷射阀气控原理图

    1.3 产品特点
    （1）阀门采用自平衡滑阀结构，柱塞在介质中运动基本处于平衡状态，使阀门的启闭压力大大减少。
    （2）阀门采用双层密封结构，第一层为组合密封，第二层为轴用斯特封，既保证了密封可靠性又大大提高了使用寿命。
    （3）阀盖采用双向密封结构，一端封水一端封气，两密封中间增加了耐磨环和检测孔。既保证了密封性能又提高了零件的耐磨性。
    （4）阀座采用镶套式结构，结构紧凑，拆卸维护方便；气动控制，阀门响应快，切换迅速，换向频率高，动作灵敏。
    （5）阀门的关键零部件均采用特种合金材料，经特殊工艺处理，具有耐磨性能好、抗腐蚀能力强等优异性能。
    2 存在问题及改进措施
    2.1 阀芯受力
    图3为阀芯改进前后的示意图。阀门不管在任何状态，阀芯在高压水的作用下都受到向上的作用力（阀芯与气缸连接杆圆柱面积产生）。当在停气的情况下，阀芯在高压水的作用下在连杆面积上产生作用力，当作用力大于密封件与阀芯的摩擦力时，阀门就会自动打开，因此存在较大的安全隐患。若连杆面积产生的轴向力在关闭的方向上则阀门不可能自动打开，安全性能高许多。所以，将阀芯的窗口开在上位，则阀柱塞运行向上关闭，向下打开。因阀杆上开孔后有高压水通到平衡腔，使阀杆受到向上的高压水压力被大部分平衡掉，故阀门（柱塞）向下开启的速度受不利影响小，基本符合实际生产使用要求。因柱塞运行向上关闭，受高压水向上压力作用的影响，在出现断电断气等紧急情况时阀门可自动关闭，安全性好。

图3 阀芯改进前后图

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    2.2 密封改进
    阀芯与衬套间的主密封采用U型密封圈密封，由于是用于高压水密封，水质较差，加上密封没有润滑，所以U型密封件寿命较短，容易出现喷射阀入口出口在关闭状态下窜水现象，大大增加了喷射阀的检修故障。为了使密封性能得到改善，将阀芯与衬套间的主密封采用组合密封。图4为密封改进前后的示意图。

图4 密封改进前后图

    2.3 增加铜套
    为了拆卸维护方面，在气缸总成与阀体之间增加铜套。气缸总成卸下后，在不拆卸阀盖的情况下，直接可以拿出检测孔处的铜套，以便更换其中的密封件；气缸缸杆与阀心连杆间的连接又螺纹连接改为活套连接。改进后的喷射阀结构如图5所示。

图5 改进后喷射阀结构原理图

    3 改进效果
    （1）增加了断电断气关闭功能，在断电断气的情况下阀门在高压水的作用下自动关闭，确保使用安全；
    （2）主密封改为组合圈，较U型圈使用时间长，可靠性更高；
    （3）检测孔处的密封结构更趋合理，密封可靠性更高；
    （4）气缸部分可以作一个总成很方便的拆卸和安装，气缸总成卸下后，在不拆卸阀盖的情况下，直接可以拿出检测孔处的铜套，以便更换其中的密封件；
    （5）阀盖、柱塞、衬套等可以作为另一个总成来对待，检修更换主密封时，整体吊出来即可，增加了卸压孔，以便在停机检修时阀内卸压，确保人身安全；
    （6）改进了内件的材料和制作工艺，进一步提升了产品的质量，比如铜套采用的是综合性能优异的铸铜，避免其开裂倾向，柱塞采用双相电镀，确保更能耐腐耐冲刷。
    4 维护
    除鳞喷射阀的正常运行需要日常的维护与保养，否则主阀与驱动装置容易发生故障。操作人员应经常观察系统压力、噪音、振动、温升、油位、电压和泄漏等事项，一旦发现问题要及时解决。适宜的维修方法可减少设备故障，延长设备的使用寿命。日常维护与保养应注意以下几方面：
    （1）定期检查油位器中油位高度，酌情给油雾器加油，定期去除水分过虑器杯底积贮尘的冷凝水和杂质；
    （2）检查气源压力和调整单向节流阀的流量使阀门有足够的启闭力，动作灵活；
    （3）检查检测孔是否漏气或漏水，有漏水漏气则需及时更换密封件。
    5 结语
    高压水除鳞喷射阀不仅要稳定高效可控运行，也要注意安全运行。喷射阀在设计时应注意：
    （1）安全性应注意断电或断气时应使阀门能迅速关闭，确保设备处于安全状态，从而不致发生重大伤亡事故。另外控制介质特别是低压控制介质一定要与高压工作介质在结构上分开，从而避免可能发生事故的安全隐患。
    （2）可靠性结构形式、驱动和控制方式的组合要使得结构尽可能简单可靠，尽量减少泄漏点和故障点。
    （3）合理性应尽量使结构受力平衡合理，阀门启闭速度快，响应时间短。阀体材料用量少，加工量少，便于加工、装配、试压和安装。
    （4）易维护性阀体应设置必要的压力检测点和卸压点，方便高压除鳞系统设备的维修工作。
    （5）可监控性阀门应设置启闭信号检测和指示装置，便于观察阀门运行状态以及电气监控或实现PLC集中控制。
    （6）使用寿命阀门的密封效果通常决定着阀门的质量性能和使用寿命。