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摘 要：现有截止阀驱动能耗大，本文设计了一种通过小阀先导的方式，利用流体本身造成的活塞上下的压差来驱动截止阀的启闭，具有驱动能耗小，环保等特点。
关键词：先导；阀门；设计
Abstract：Existing stop valve-driven consumption， designed a small valve guide way， upper and lower differential pressure caused by fluid piston to drive the valves open and close， with driving low energy consumption， environmental protection and so on.
Keywords： Pilot，valve ，design
基金項目：浙江工贸职业技术学院教师科研项目，项目编号：G140202
1引言
随着现代工业的不断发展，阀门广泛应用于石油、化工、医药食品、（核）电力、长输管线、公用工程、宇航、海洋船舶等各个领域。需求量不断增长。传统截止阀存在一个共同的不足之处就是需要的关闭力较大。由于截止阀一般属于强制密封式阀门，在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。当介质由阀瓣下方进入阀门时，操作力所需要克服的阻力，是阀杆和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的推力，所以关阀门所需的力比较大，截止阀需要强有力的驱动装置，驱动装置相对结构复杂，驱动能耗大。
我们设计了一套环保先导自力式阀门，具有结构紧凑、驱动能耗低、环保性能好，启闭动作快、密封性能好、使用寿命长、安全可靠。可以广泛应用于石化、电力、冶金、城建、化工等部门。
2、工作原理
新型智能环保先导自力式截止阀主要由阀体、阀杆、阀瓣、对开环、活塞、缸套、阀盖、管接头、先导阀、弹簧、智能控制器等部分组成。其工作原理为：假设先导阀初始状态为关闭，此时手动换向阀不通，而阀芯底部与进口管相通，阀芯下部压力和上腔压力一致，在阀芯自重以及弹簧力的作用下，阀芯处在关闭状态。
当打开先导阀时，阀芯上腔的流体经先导管排出，此时上腔内液体压力凡下降，最初阀芯的受力平衡被打破，阀芯在下部压力君和上腔压力的共同作用下开启，而阀芯一旦开启，则有流体直接会流向出口，由伯努利方程可知，阀芯下部压力只会因流体流速的不同而呈现变化，并且开启后阀芯还会受到随位移而变化的弹簧力的作用，当阀芯所受力的力达到新的平衡时，阀芯的便会新的位置静止，从而使阀门处于开启状态。当关闭先导阀门时，先导管再次不通，而流体继续经阀芯小孔流入上腔，原有平衡被打破，此时上腔内液体压力上升，且与阀芯在下部压力相等，在阀芯重力及弹簧力作用下，阀芯与阀座闭合，达到新的受力平衡，阀门关闭。如此循环往复，即可实现阀门的多次关闭和开启。
1、阀体；2、阀盖；3、对开环；4、阀瓣盖；5、阀杆；6、O型圈； 7、活塞；8、缸套；9、O型圈；10、螺母；11、拼帽；12、手动换向阀；13、管接头；14、阀盖；15、弹簧；16、螺母；17、螺柱；18、垫片；19、O型圈；20、O型圈；21、O型圈
图1 环保自力式截止阀装配图
3、设计过程
（l）通用部分设计
由于先导式截止阀阀体结构与通用截止阀的阀体结构相同，其通用部分的设计计算按截止阀的典型计算项目，包括阀体厚度、阀体密封面上总作用力及计算比压、中法兰连接螺栓强度验算、阀体中法兰强度验算、阀盖强度验算。
（2）专用部分的设计
针对不同类型阀门的特点，为了保证阀门功能的实现而进行的不同类型的阀门专用部分计算内容差别很大。该智能环保先导自力式截止阀专用部分结构主要体现在活塞式阀芯、弹簧、先导管及先导阀上。
①塞式阀芯的设计
活塞式阀芯正常工作时不受压或受微小压力，在最坏工况可简化为承压p的内压容器，参照单层内压圆筒的强度进行设计。
②弹簧的设计
弹簧的设计需考虑活塞式阀芯受力情况，忽略活塞式阀芯与其他零部件之间的摩擦力，在开启过程中，受动力压差带来的动力差、活塞式阀芯自身重力以及弹簧的弹力等影响，先导式截止阀要想达到全开状态，弹簧弹性系数需满足的条件：初始压缩的弹力不小于活塞重力，最大开度时弹力与活塞重力之和不大于开启压力作用在活塞上的冲力，本课题的弹簧形式为圆截面圆柱压缩螺旋弹簧。
③先导控制系统设计
先导管直径按GB/T122355《石油、石化及相关工业用钢制截止阀和升降式止回阀》关于旁通装置接管的公称尺寸的规定选取。在选取过程中，考虑其驱动大阀（主体阀）的响应时间。对于小阀（先导阀）的选取上，根据智能化的要求，选择电动调节阀来实现，其型号规格遵循先导管通径规格的设计。
4、小结
基于先导控制的新型截止阀是一种以介质自身的压力为动力，利用活塞式阀芯上下压差来推动阀芯的运动，从而实现阀门启闭的新型阀门。其实质是借助小阀（先导阀）的启闭来完成大阀（主阀门）的启闭，从而实现驱动装置简化节能降耗的效果。因此总体设计分为了三部分，一部分为通用截止阀部分，一部分为先导控制系统，另一部分为小阀（先导阀）的智能控制系统的实现。
参考文献
[1] 赵凯，李占平，关友兵. 智能电液阀门执行机构控制器的研究[J].机电产品开发与创新.2006.05.
[2] 钟悦 . 石油管道阀门的气动执行机构的分析与应用 [J]. 科技致富向导，2013.05.
[3] 肖玄， 赵宏林，王珏. 水下阀门执行机构同轴并联双弹簧优化设计 [J]. 石油矿场机械.2014.05.
作者简介：
庄千芳，高级技师，浙江职业技术学院汽车与机械工程学院教师，主要研究领域：机械制造与工艺、机电一体化。
李晓星，讲师，浙江工贸职业技术学院汽车与机械工程学院教师，主要研究领域：机电一体化。
关键词：先导；阀门；设计
Abstract：Existing stop valve-driven consumption， designed a small valve guide way， upper and lower differential pressure caused by fluid piston to drive the valves open and close， with driving low energy consumption， environmental protection and so on.
Keywords： Pilot，valve ，design
基金項目：浙江工贸职业技术学院教师科研项目，项目编号：G140202
1引言
随着现代工业的不断发展，阀门广泛应用于石油、化工、医药食品、（核）电力、长输管线、公用工程、宇航、海洋船舶等各个领域。需求量不断增长。传统截止阀存在一个共同的不足之处就是需要的关闭力较大。由于截止阀一般属于强制密封式阀门，在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。当介质由阀瓣下方进入阀门时，操作力所需要克服的阻力，是阀杆和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的推力，所以关阀门所需的力比较大，截止阀需要强有力的驱动装置，驱动装置相对结构复杂，驱动能耗大。
我们设计了一套环保先导自力式阀门，具有结构紧凑、驱动能耗低、环保性能好，启闭动作快、密封性能好、使用寿命长、安全可靠。可以广泛应用于石化、电力、冶金、城建、化工等部门。
2、工作原理
新型智能环保先导自力式截止阀主要由阀体、阀杆、阀瓣、对开环、活塞、缸套、阀盖、管接头、先导阀、弹簧、智能控制器等部分组成。其工作原理为：假设先导阀初始状态为关闭，此时手动换向阀不通，而阀芯底部与进口管相通，阀芯下部压力和上腔压力一致，在阀芯自重以及弹簧力的作用下，阀芯处在关闭状态。
当打开先导阀时，阀芯上腔的流体经先导管排出，此时上腔内液体压力凡下降，最初阀芯的受力平衡被打破，阀芯在下部压力君和上腔压力的共同作用下开启，而阀芯一旦开启，则有流体直接会流向出口，由伯努利方程可知，阀芯下部压力只会因流体流速的不同而呈现变化，并且开启后阀芯还会受到随位移而变化的弹簧力的作用，当阀芯所受力的力达到新的平衡时，阀芯的便会新的位置静止，从而使阀门处于开启状态。当关闭先导阀门时，先导管再次不通，而流体继续经阀芯小孔流入上腔，原有平衡被打破，此时上腔内液体压力上升，且与阀芯在下部压力相等，在阀芯重力及弹簧力作用下，阀芯与阀座闭合，达到新的受力平衡，阀门关闭。如此循环往复，即可实现阀门的多次关闭和开启。
1、阀体；2、阀盖；3、对开环；4、阀瓣盖；5、阀杆；6、O型圈； 7、活塞；8、缸套；9、O型圈；10、螺母；11、拼帽；12、手动换向阀；13、管接头；14、阀盖；15、弹簧；16、螺母；17、螺柱；18、垫片；19、O型圈；20、O型圈；21、O型圈
图1 环保自力式截止阀装配图
3、设计过程
（l）通用部分设计
由于先导式截止阀阀体结构与通用截止阀的阀体结构相同，其通用部分的设计计算按截止阀的典型计算项目，包括阀体厚度、阀体密封面上总作用力及计算比压、中法兰连接螺栓强度验算、阀体中法兰强度验算、阀盖强度验算。
（2）专用部分的设计
针对不同类型阀门的特点，为了保证阀门功能的实现而进行的不同类型的阀门专用部分计算内容差别很大。该智能环保先导自力式截止阀专用部分结构主要体现在活塞式阀芯、弹簧、先导管及先导阀上。
①塞式阀芯的设计
活塞式阀芯正常工作时不受压或受微小压力，在最坏工况可简化为承压p的内压容器，参照单层内压圆筒的强度进行设计。
②弹簧的设计
弹簧的设计需考虑活塞式阀芯受力情况，忽略活塞式阀芯与其他零部件之间的摩擦力，在开启过程中，受动力压差带来的动力差、活塞式阀芯自身重力以及弹簧的弹力等影响，先导式截止阀要想达到全开状态，弹簧弹性系数需满足的条件：初始压缩的弹力不小于活塞重力，最大开度时弹力与活塞重力之和不大于开启压力作用在活塞上的冲力，本课题的弹簧形式为圆截面圆柱压缩螺旋弹簧。
③先导控制系统设计
先导管直径按GB/T122355《石油、石化及相关工业用钢制截止阀和升降式止回阀》关于旁通装置接管的公称尺寸的规定选取。在选取过程中，考虑其驱动大阀（主体阀）的响应时间。对于小阀（先导阀）的选取上，根据智能化的要求，选择电动调节阀来实现，其型号规格遵循先导管通径规格的设计。
4、小结
基于先导控制的新型截止阀是一种以介质自身的压力为动力，利用活塞式阀芯上下压差来推动阀芯的运动，从而实现阀门启闭的新型阀门。其实质是借助小阀（先导阀）的启闭来完成大阀（主阀门）的启闭，从而实现驱动装置简化节能降耗的效果。因此总体设计分为了三部分，一部分为通用截止阀部分，一部分为先导控制系统，另一部分为小阀（先导阀）的智能控制系统的实现。
参考文献
[1] 赵凯，李占平，关友兵. 智能电液阀门执行机构控制器的研究[J].机电产品开发与创新.2006.05.
[2] 钟悦 . 石油管道阀门的气动执行机构的分析与应用 [J]. 科技致富向导，2013.05.
[3] 肖玄， 赵宏林，王珏. 水下阀门执行机构同轴并联双弹簧优化设计 [J]. 石油矿场机械.2014.05.
作者简介：
庄千芳，高级技师，浙江职业技术学院汽车与机械工程学院教师，主要研究领域：机械制造与工艺、机电一体化。
李晓星，讲师，浙江工贸职业技术学院汽车与机械工程学院教师，主要研究领域：机电一体化。