液动程控阀指示杆与活塞杆连接处销子断裂分析

摘要:本文以包钢燃气厂加压车间制氢加压站变压吸附工段液动程控阀为例，结合近期

频繁出现的程控阀指示杆与活塞杆连接销断裂，造成大量液压油外泄，设备停机处理，增加

了设备维护工作量。对于这一情况，分析其工作原理及重新计算连接销的受力情况，从而找

到了断裂原因并加以改进，经过一段时间运行没有再发生断裂。

关键词：液动程控阀；连接销；PSA

中图分类号：TH138.52文献标识码：A

1概述

燃气厂加压车间制氢加压站制氢工段主要是利用变压吸附（PSA）的原理把焦炉煤气中

的氢提取出来的工艺流程，PSA是一个近似等温变化的物理过程，它是利用气体介质中不同

组份在吸附剂上的吸附容量的不同，在一定工作条件下进行选择性吸附，采用降压使吸附剂

获得再生。在生产过程中要求周期性的切换阀门，且阀门数量多，动作频繁，人工操作是无

法进行的。由于PSA装置工艺的特殊性，为保障装置长周期稳定可靠运行，所用阀必须满足

以下要求：

1.1密封性能好，经常受周期频繁动作而保持不泄露。

1.2阀门开关速度要快，随阀门通径不同其启闭时间应小于3秒。

1.3具备双向耐压性和抗高速气流冲刷性能。

1.4根据工艺要求，易实现调节功能和阀位状态现场指示及远传等功能。

故制氢加压站所选用的阀门为四川科华所生产的液动程控阀，从2005年5月投产以来

并没有出太大的问题，但近期却频繁出现程控阀指示杆与活塞杆连接处销子断裂情况，造成

程控阀里的液压油大量泄漏，不但影响用户正常生产，还造成了液压油的大量浪费，针对这

种情况重新对程控阀断裂的销子进行受力分析，并从其工艺上进行分析，从而能够解决这一

难题。

2工作原理

首先介绍一下程控阀的工作原理，以便使读者能更清楚的知道其内部结构，更容易掌握

发生故障的原因和改进方法。如图1所示，程控阀由阀体、阀芯、活塞缸、活塞、活塞杆、

指示杆，电磁换向阀等主要部件组成，液动程控阀工作原理是通过电磁换向阀控制改变液压

油进入活塞缸的的进回油路来带动活塞上下运动，在通过带动活塞杆连接的阀芯上下运行，

从而实现阀门的快速开启、关闭。指示杆的作用是表示阀门的开关位置，并随着指示杆上下

移动来和现场的传感器进行信号的反馈，远传到微机上，从而实现自动控制。

图1

3销子断裂原因分析

根据现场情况及相关结构的分析，开口销的断裂有以下几点原因引起：

3.1开口销直径：活塞在运动的过程中，指示杆是通过开口销和活塞杆相连接，并在活塞的

带动下进行往复运动的，所以活塞杆与指示杆对开口销有两种作用力分别是剪切力和挤压

力，如图2所示。

图2

因此，开口销直径大小要根据剪切力强度和挤压力强度公式进行计算，其计算公式分别

为：

3.1.1剪切强度条件计算公式[1]：

3.1.2挤压强度条件计算公式[1]：

根据这两个公式计算出来的直径取最大值，才能确定销子直径，故销子直径的选取要适

合，直径越小所程受的力越大越容易发生断裂，直径越大销子所程受的力越大，但由于销孔

是一定的，故直径也不能无限大。故所选取直径一定要合适，才能满足受力要求。

3.2开口销材料：由上述公式可以看出，直径的大小还需要考虑其材料的许用应力，材料的

许用应力越大，销子所选取的直径可以越小，一般开口销的材质多为Q215、Q235的碳素钢，

Q215屈服强度在215MPa左右，抗拉强度在335～450MPa，Q235屈服强度在235MPa左右，

抗拉强度在370～500MPa[1]，根据现场销子断裂情况，其材质有可能满足不了我们现场工况

的要求。

3.2.1重新计算销子的直径

根据制氢工艺要求，液动程控阀的驱动压力为4MPa，选DN80阀门,其液压缸缸筒直径

为80mm，开口销选用Q235的碳素钢，许用剪切应力为188MPa,许用挤压应力为294MPa，

这里要说明一下，我们通常所用的许用剪切应力是根据材料给出的屈服强度在乘以一个安全

系数（0.75～0.8），许用挤压应力是抗拉强度除以一个安全系数（1.7～2）。

3.2.1.1计算作用力

根据公式[2]：

3.2.1.2根据剪切强度条件公式：

3.2.1.3根据挤压强度条件公式：

根据计算结果可以看出，开口销的直径要大于13mm,而连接孔的直径为6mm,显而易见

选择小于或等于是6mm的开口销，强度不能保证，使用一段时间就会出现销子断裂情况。

3.3开口销承受的剪切和挤压力不均匀：如图3所示，由于之前开口销是两个半圆形合在一

起的近似圆，但不是一个整体，故作用在开口销的剪切力和挤压力是不均的，所以也是出现

销子断裂的原因之一。

图3

3.4指示杆上的圆形卡环在销子断裂后，由于冲击力大容易造成卡环脱落，指示杆飞出的现

象。

由于标示杆上的圆形卡环和上端盖为线接解，所以不接解面积小也是一个原因。

4改进方法

根据上述原因分析，进行以下方面的改进

4.1销子的改进：将原来的开口销改为圆柱销，因圆销为一实心整体结构形式，所以其受力

均匀，并且圆柱销采用的是45#钢作为其材料，增加了销子的抵抗剪切力和挤压力的强度。

（45#钢的屈服强度为355MPa,抗拉强度为600MPa)[1]，如图4所示。

4.1.2计算圆柱销直径

4.1.2.1根据剪切强度条件公式：

4.1.2.2根据挤压强度条件公式：

根据计算结果显示，虽然圆柱销最小直径也不能够满足销孔的最小直径要求，但是和开

口销相比强度确实提高不少，所以相对来说更安全可靠。

图4

4.2螺母的改进：将原来的锁紧螺母改为双螺母或单螺母形式。由于采用的圆柱形销子略短

于活塞杆上的销孔长度，故先用一个螺母作为固定销子及活塞用，而另一个作为锁紧螺母用。

这里要说明一下，活塞和活塞杆的连接方式有两种，一种是活塞本身有螺纹，只需要拧进活

塞杆上的螺纹里，在上面安一个螺母即可，而另一种情况是活塞不带螺纹，这种就需要两个

螺母进锁紧。

4.3将原来的圆形卡环改为轴用弹性挡圈：轴用弹性挡圈为面接触而圆形卡环为线接触，这

样即便销子断裂，指示杆也不容易飞出端盖，造成液压油大量泄漏的情况发生。如图4

所示。

5结论

通过对变压吸附工段所有液动程控阀的销子和结构的改进，并根据一段时间对变压吸附

工段程控阀运行情况的观察来看，程控阀运行平稳，没有发生销子断裂的情况。

参考文献

[1]机械设计手册北京：机械工业出版

社（第五版）闻邦椿主编2010.1

[2]液压工程简明手册北京：化学工业

出版社张利平主编2011.6

作者简介：申毅1982.10男内蒙工

学学士(本科)助理工程师