一種新型無摩擦球閥的設(shè)計(jì)

□ 雷永強(qiáng) □ 韓致信,2 □ 馬春亮 □ 雒淑 □ 楊 博

1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

2.蘭州理工大學(xué) 溫州研究生分院 浙江溫州 325105

3.環(huán)球閥門有限公司 浙江溫州 325105

一種新型無摩擦球閥的設(shè)計(jì)

□ 雷永強(qiáng)1□ 韓致信1,2□ 馬春亮1□ 雒淑1□ 楊 博3

1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

2.蘭州理工大學(xué) 溫州研究生分院 浙江溫州 325105

3.環(huán)球閥門有限公司 浙江溫州 325105

球閥是一種新型閥門，不僅結(jié)構(gòu)簡單，密封性能良好，而且在一定的公稱通徑范圍內(nèi)體積較小、質(zhì)量輕、材料耗用少、操作簡便，是近幾年發(fā)展速度最快的閥門品種之一。但隨著球閥的開關(guān)次數(shù)增加，球體與閥座表面會有不同程度的磨損，進(jìn)而會使球閥的密封性能下降。介紹球閥的一種新型密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)球閥在啟閉過程中球體無摩擦轉(zhuǎn)動，還可以有效避免球體與閥座表面的磨損，而且能減小閥桿與執(zhí)行元件所承載的扭矩，同時(shí)降低了對閥桿強(qiáng)度的要求。

球閥 密封 無摩擦 磨損

1 概述

球閥是上世紀(jì)50年代問世的一種新型閥門，由于其具有流體阻力小、可靠性高、啟閉速度快等優(yōu)點(diǎn)，不僅在一般工業(yè)管道上，而且在核工業(yè)、宇航工業(yè)的液氧與液氫輸送管線中被普遍采用［1］。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，球閥產(chǎn)品現(xiàn)已被大量使用，這就對其產(chǎn)品質(zhì)量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求［3］。其中閥門的密封性能是衡量閥門質(zhì)量最重要的指標(biāo)，也是決定閥門壽命的主要因素［4-5］。閥門的密封分為硬密封和軟密封，當(dāng)管道內(nèi)流體或介質(zhì)壓力較小、溫度較低時(shí)，可以采用軟密封；當(dāng)管道內(nèi)壓力較大、溫度較高時(shí)，采用硬密封［6-7］。無論是硬密封還是軟密封，隨著閥門開關(guān)次數(shù)的增多，密封面都有不同程度的磨損，為此提出了對其材料強(qiáng)度和加工精度的要求［8］。為了減少密封面的磨損，一般通過提高密封副材料的性能來提高密封面的耐磨性，或從減小閥座在閥門啟閉過程中與球體的接觸面積來降低磨損。目前，國內(nèi)有一種閥桿上帶有凸輪的裝置，該球閥在球體轉(zhuǎn)動過程中連接在閥桿上的凸輪跟著一起轉(zhuǎn)動，進(jìn)而利用凸輪推開閥座，實(shí)現(xiàn)球體與閥座密封副之間的啟閉［9］，這種結(jié)構(gòu)是利用純機(jī)械式的推開，造成凸輪的磨損非?？?，而且對閥桿強(qiáng)度和硬度提出了高的要求［10］。筆者基于此裝置的理念提出了一種無摩擦球閥的新型結(jié)構(gòu)，該球閥利用氣體來推開閥座，通過這種結(jié)構(gòu)，不僅克服了球閥啟閉過程中的磨損，而且降低了對材料強(qiáng)度的要求。

2 無摩擦球閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

無摩擦球閥主要由閥體、閥蓋、球體、閥桿、刮刀、閥座支撐圈、閥座、密封環(huán)、O型密封圈等組成,如圖1所示。該閥門采用側(cè)裝式、軟密封固定球球閥，球閥結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，便于拆卸、組裝、維修。閥門密封效果好，完全消除了球體轉(zhuǎn)動過程中球體密封面與閥座密封面之間的摩擦，大大提高了閥門的使用壽命。

2.2 球閥無摩擦原理

無摩擦球閥結(jié)構(gòu)采用了氣動推開閥座裝置的形式,如圖1所示。

（1）當(dāng)閥門由全開到關(guān)閉時(shí)，打開氣源接口1管路上的泄壓閥進(jìn)行排氣，同時(shí)，打開氣源接口2管路上的進(jìn)氣閥，向氣源接口2充氣，從而在密封環(huán)上形成活塞，使密封環(huán)帶動閥座向球體反方向移動，閥座密封面與球體密封面分離，轉(zhuǎn)動球體，使球體由全開轉(zhuǎn)到全關(guān)的位置（球體實(shí)現(xiàn)無摩擦轉(zhuǎn)動）；然后，打開氣源接口2管路上的泄壓閥進(jìn)行排氣，同時(shí)，打開氣源接口1管路上的進(jìn)氣閥，向氣源接口1充氣，從而在密封環(huán)上形成活塞，使密封環(huán)帶動閥座向球體方向移動，閥座密封面與球體密封面密封。

（2）當(dāng)閥門由全關(guān)到開啟時(shí)，進(jìn)排氣的順序與當(dāng)閥門由全開到關(guān)閉時(shí)一致。

2.3 閥座運(yùn)動過程受力分析

氣源壓力在推動閥座支撐圈帶動閥座偏向或偏離球體運(yùn)動時(shí)，須克服閥座支撐圈運(yùn)動過程與其接觸部件的摩擦阻力。當(dāng)中腔有介質(zhì)壓力時(shí)，阻力主要由O型密封圈的摩擦阻力和介質(zhì)壓力組成；當(dāng)中腔無介質(zhì)壓力時(shí)，阻力主要來自于O型密封圈的摩擦阻力。

2.3.1 閥座推離球體時(shí)的受力分析

①當(dāng)中腔無介質(zhì)壓力、閥座推離球體時(shí)，閥座支撐圈所受的合力為：

式中：F0為4個(gè)O型密封圈總的摩擦力；F1為閥座推離球體時(shí)的氣源力，方向如圖1（b）所示；D2為進(jìn)氣口的活塞內(nèi)徑；D3為活塞外徑；P1為氣源壓力。

②當(dāng)中腔有介質(zhì)壓力、閥座推離球體時(shí)，閥座支撐圈所受的合力為：

式中：F2為閥座推離球體的介質(zhì)力，方向如圖1（b）所示；D1為中腔活塞內(nèi)徑；P為介質(zhì)壓力。

無論中腔是否有介質(zhì)壓力，要實(shí)現(xiàn)將閥座推離球體的運(yùn)動，閥座支撐圈所受的合力F必須大于零。

2.3.2 閥座推向球體時(shí)的受力分析

①當(dāng)中腔無介質(zhì)壓力、閥座推向球體時(shí)，閥座支撐圈所受的合力為：

式中：F0為4個(gè)O型密封圈總的摩擦力，與圖1（b）所示方向相反；F3為閥座推向球體時(shí)的氣源力，方向如圖1（b）所示；D0為O型密封圈的密封直徑。

②當(dāng)中腔有介質(zhì)壓力、閥座推向球體時(shí)，閥座支撐圈所受的合力為：

同理，要實(shí)現(xiàn)將閥座推向球體的運(yùn)動，無論中腔是否有介質(zhì)壓力，閥座支撐圈所受的合力F必須大于零。

2.3.3 O型密封圈摩擦力的具體分析

O型密封圈總的摩擦阻力為：

式中：F01、F02、F03、F04分別代表4個(gè)O型密封圈的摩擦力。

以O(shè)型密封圈1的摩擦阻力F01為例來進(jìn)行計(jì)算：

式中：bm為O型密封圈接觸寬度；Z為O型密封圈個(gè)數(shù)；f為橡膠O型密封圈的摩擦因數(shù)，一般取f= 0.4；QMFO為O型密封圈的密封比壓。

式中：P0為O型密封圈處的體腔內(nèi)壓力。

其余3個(gè)O型密封圈的摩擦阻力計(jì)算方法和O型密封圈1的計(jì)算方法類似。

2.4 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)例驗(yàn)證

給定閥門公稱通徑DN=12"（1"=25.4 mm），公稱壓力PN=1 334.4 N,氣源壓力P1=0.8 MPa，介質(zhì)壓力P=2.0 MPa，按照API-6D標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，取D0=330 mm，D1=313 mm，D2=390 mm，D3=500 mm，bm=0.9 mm，P0=0，Z=4來進(jìn)行計(jì)算。

（1）假設(shè)中腔無介質(zhì)壓力，數(shù)據(jù)代入式（2）、式（8）～式（10）可得,閥座推離球體時(shí)的氣源壓力F1=61 481.2 N；4個(gè)O型密封圈總的摩擦力F0=2 289 N；代入式（1）計(jì)算得閥座支撐圈所受合力F=59 192 N＞0，該運(yùn)動過程可以實(shí)現(xiàn)。

（2）假設(shè)中腔有介質(zhì)壓力，數(shù)據(jù)代入式（6）、式（4）可得,閥座推向球體時(shí)的氣源壓力F3=88 610.8 N；介質(zhì)壓力F2=84 985.7 N；4個(gè)O型密封圈總摩擦力F0= 2 289 N；代入式（7）計(jì)算可得閥座支撐圈所受合力F= 1 336.1 N＞0,該運(yùn)動過程亦可實(shí)現(xiàn)。由于篇幅原因，對于中腔有介質(zhì)壓力推離球體和中腔無介質(zhì)壓力推向球體兩過程不再羅列具體的計(jì)算數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

實(shí)例計(jì)算說明，通過推開閥座裝置的應(yīng)用，在球體轉(zhuǎn)動過程中，閥座和球體可以有效地脫離，從而避免了閥門密封面和球體密封面之間的摩擦，起到了保護(hù)密封面的作用，不但提高了閥門的密封性能，減小了啟閉球閥的力矩，延長了閥門的使用壽命，而且有效降低了用戶的維護(hù)周期和成本，能夠更好地滿足用戶要求。

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（編輯 平 平）

TH122

A

1000-4998（2015）10-0041-03

2015年4月