淺析平衡式截止閥設(shè)計及應(yīng)用

祖 昱（沈陽三三牌閥門制造有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

淺析平衡式截止閥設(shè)計及應(yīng)用

祖 昱
（沈陽三三牌閥門制造有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

摘 要：截止閥在管路運行中，通過操控閥件（旋轉(zhuǎn)手輪）帶動閥桿軸向運動來啟閉閥瓣對介質(zhì)進行流通和阻斷控制，從而實現(xiàn)管路連通與關(guān)閉。在閥瓣啟閉過程中閥瓣及密封面會受到介質(zhì)的沖擊力，而且隨著工稱壓力和公稱通徑的增加，沖擊力增大，這樣會使閥門關(guān)閉力相當(dāng)大，從而使閥門外形尺寸加大，所占空間增加，操控性能不好等問題出現(xiàn)。平衡式閥瓣能有效解決這些問題。

關(guān)鍵詞：平衡式；截止閥；設(shè)計；應(yīng)用

一、平衡式截止閥的特征及應(yīng)用

平衡式截止閥門主要由1閥體、2閥盤、3閥桿、4閥蓋、5填料、6手輪、和7“O”型密封圈等零件組成（如圖1所示）。平衡式的閥瓣上設(shè)有導(dǎo)流孔8 （如圖1所示）。閥門關(guān)閉時，閥瓣下方的高壓介質(zhì)通過導(dǎo)流孔進入閥瓣上方的閥腔內(nèi)，介質(zhì)在閥腔內(nèi)對閥瓣產(chǎn)生一個向下的推力，該力與下方介質(zhì)對閥瓣向上的推力相平衡，使閥門的關(guān)閉力減小。不僅有效降低了閥門關(guān)閉力矩，而且減少了閥門開啟瞬間介質(zhì)對閥盤及腔體的沖擊。同時由于閥盤承受的介質(zhì)力有效減小，也使得對閥桿、閥蓋的強度要求大為降低，有效的減小了閥門結(jié)構(gòu)、重量。閥瓣與閥體襯套間裝有“O”型密封圈7（如圖1所示），具有密封性能好，摩擦阻力小，拆卸方便等特點。

平衡式截止閥充分體現(xiàn)輕量化、小型化，能滿足水下設(shè)備對外形重量、高壓下的安全密封、開關(guān)方便、摩擦副耐磨、減振降噪等要求。

根據(jù)樣機的各項測試結(jié)果看，閥門安全性高，運行平穩(wěn)，外形小重量輕，有很強的推廣意義。

二、平衡式截止閥的工作原理

平衡式截止閥的工作原理：按指示標(biāo)識旋轉(zhuǎn)手輪6，帶動閥桿3順時針轉(zhuǎn)動，從而帶動閥瓣2垂直上升，當(dāng)閥桿上密封面與閥蓋密封面接觸時閥門全部開啟，此時閥桿與閥蓋組成密封副（見圖1局部放大圖），達到防止閥桿處泄漏和可帶壓更換填料的目的，閥門處于開啟狀態(tài)。反之，則閥門關(guān)閉。在平衡閥的閥瓣上設(shè)計有導(dǎo)流孔8（如圖1所示），閥門關(guān)閉時，閥瓣下方的高壓介質(zhì)通過導(dǎo)流孔進入閥瓣上方的閥腔內(nèi)，高壓介質(zhì)在閥腔內(nèi)對閥瓣產(chǎn)生一個對閥瓣向下的推力，該力與閥瓣下方介質(zhì)對閥瓣向上的推力相平衡，因此閥瓣在關(guān)閉時就減少了介質(zhì)對閥瓣向上的推力，使閥瓣的關(guān)閉力減小，也就是閥門的關(guān)閉力減小，相應(yīng)的閥門零件及外形尺寸減小。平衡式結(jié)構(gòu)在滿足承壓、密封等安全要求的前提下不僅有效降低了閥門關(guān)閉力矩，而且減少了閥門開啟瞬間介質(zhì)對閥盤及腔體的沖擊。同時由于閥盤承受的介質(zhì)力有效減小，也使得對閥桿、閥蓋的強度要求大為降低，有效的減小了閥門結(jié)構(gòu)、重量。閥瓣與閥體襯套間裝有“O”型密封圈，具有密封性能好，摩擦阻力小，拆卸方便等優(yōu)點。

三、閥門重要件設(shè)計過程及受力分析

1 閥體強度校核。閥體是重要的承壓件，其壁厚值按第四強度理論計算：

S'b=PDn/（2.3[σL]P）+C （式1）

式中：Dn-閥體計算內(nèi)徑mm；[σL]-材料的許用拉應(yīng)力（MPa）；P-設(shè)計壓力（MPa）；C-考慮鑄造偏差、工藝性和介質(zhì)腐蝕等因素而附加的裕量（mm）。

2 閥瓣受力分析。通過三維設(shè)計軟件對閥瓣進行有限元計算和分析，分析結(jié)果表明閥瓣在試驗壓力下各項參數(shù)指標(biāo)均在規(guī)定范圍內(nèi)，完全滿足使用要求。閥瓣夾具固定和承壓情況（如圖2所示）；閥瓣應(yīng)力分析圖（如圖3所示）。

3 閥桿螺紋副耐磨性校核。為了保證螺紋副在多次帶壓開關(guān)狀態(tài)下不失效，通常是限制螺紋接觸處的壓強p。按公式：

p=Q/πd2 h Z≤[p] （式2）

式中：Q-軸向力（N）； Z-參加接觸的螺紋圈數(shù)；d2-螺紋中徑（mm）；h-螺紋工作高度（mm），梯形螺紋h=0.5t；t-螺距； [p]-許用壓強N/mm2。

4 流阻系數(shù)。該閥門流道設(shè)計時充分考慮流阻影響，內(nèi)腔流道均圓滑過渡，各型腔截面積及閥盤和閥體內(nèi)腔之間的簾面積在設(shè)計時均小于閥門出口面積。利用軟件對截止閥三維模型進行分析求得閥門內(nèi)腔各處液體流速，再算出內(nèi)腔流場的平均流速。然后根據(jù)《閥門設(shè)計手冊》壓差計算公式求出流阻系數(shù)。壓差公式：

式中：?P-被測閥門的壓力損失（MPa）；ζ-閥門的流阻系數(shù)；ρ-流體密度（T/mm3）；U -流體在管道內(nèi)的平均流速（mm/s）。

結(jié)語

根據(jù)樣機的各項測試結(jié)果看，平衡式截止閥性能好、重量輕、外形小巧，能滿足水下設(shè)備對安全密封、操作方便、摩擦副耐磨、減振降噪等要求，閥門有很強的推廣意義。

參考文獻

[1]陸培文，高鳳琴.閥門設(shè)計計算手冊（第二版）[M]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

中圖分類號 ：TH134

文獻標(biāo)識碼：A