淺析螺紋連接球閥的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

姚一杰

（日豐企業(yè)集團(tuán)有限公司）

摘 要：本文介紹了螺紋連接球閥的典型結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了球閥通用件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并論述了球閥密封夾角的設(shè)計(jì)和球閥壓緊密封量的設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：通用件的設(shè)計(jì)、密封夾角、T形柄、壓緊密封量

球閥是20 世紀(jì)50 年代問世的一種新型閥門，具有外型尺寸小、質(zhì)量較輕、密封性好、流體阻力小、開關(guān)迅速方便、便于氣控和電控、使用壽命長、安全可靠性高、維修方便等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的歡迎，因此在各行各業(yè)的管道上被廣泛采用[1]。球閥在管路中主要用來做切斷、分配和改變介質(zhì)的流動(dòng)方向，它只需要用旋轉(zhuǎn)90度的操作就能關(guān)閉嚴(yán)密，最適宜做開關(guān)、切斷閥使用。但是如果球閥設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)出現(xiàn)閥桿斷裂、手柄斷裂、啟閉卡阻、內(nèi)漏等問題；因此有必要對球閥設(shè)計(jì)的要點(diǎn)作進(jìn)一步的探討和研究。

球閥的類別有很多，按照對外連接形式可以分為法蘭球閥、焊接球閥、螺紋連接球閥、卡箍球閥等。這里主要討論公稱通徑不大于DN100的螺紋連接球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1、球閥通用件的設(shè)計(jì)

球、閥桿、手柄等球閥通用件的設(shè)計(jì)優(yōu)劣，直接影響著球閥的造型、使用性能和操作體驗(yàn)，由優(yōu)質(zhì)的通用件構(gòu)建零件標(biāo)準(zhǔn)庫，可以簡化新產(chǎn)品開發(fā)工作，對項(xiàng)目管理意義重大。

（1）球的設(shè)計(jì)

球體的直徑大小影響著球閥結(jié)構(gòu)的緊湊性，所以球閥設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確定球體的大小，即確定球孔直徑d和球體直徑D。球閥通孔d等于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥體通道直徑。球體直徑按D=（1.5～1.9）d計(jì)算，對小口徑球閥D取相對大值，反之取較小值。為了保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后，須按下式校核： ，應(yīng)滿足D>Dmin，式中：Dmin——球體最小計(jì)算直徑，D2——閥座密封面外徑，d——球孔直徑，D——球體實(shí)際直徑。

密封夾角的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。球閥在關(guān)閉過程中，介質(zhì)剛好被關(guān)斷時(shí)至球閥完全關(guān)閉球體旋轉(zhuǎn)所形成的夾角，稱為密封夾角A，如圖3所示。球閥標(biāo)準(zhǔn)EN13828規(guī)定：對于公稱通徑DN8～50的球閥，A最小6°；對于公稱通徑DN65～100球閥，A最小5°。在確定球體直徑后，需對密封夾角進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，驗(yàn)算公式：A=90°-arcsin[D3/D]-arccos（L6/D），式中：D——球體直徑，D3——閥座密封面內(nèi)徑，L6——球體通孔兩端面的距離。

球體結(jié)構(gòu)的確定。由于自身重力作用，尤其大規(guī)格球體，長期使用后可能出現(xiàn)球體輕微的下移現(xiàn)象，導(dǎo)致球孔中心偏離閥體中心，球閥啟閉時(shí)密封副圓周受力不均勻，容易磨損。所以，對于直徑在40mm以上的球體，通常采用空心鑄造結(jié)構(gòu)，以降低球體本身的重量。

（2）閥桿的設(shè)計(jì)

球閥借助手柄在閥桿上端施加一定的轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，使它旋轉(zhuǎn)90°，完成全開或全關(guān)的動(dòng)作[2]，可見閥桿承載著力矩傳動(dòng)的作用，在閥桿設(shè)計(jì)時(shí)要著重保證其強(qiáng)度性能。①應(yīng)盡量保證各斷面強(qiáng)度相當(dāng)，避免出現(xiàn)過份薄弱斷面。閥桿主要有兩種結(jié)構(gòu)形式。②閥桿凸肩部位的設(shè)計(jì)。為保證球閥在使用時(shí)閥桿不被沖出，閥桿凸肩直徑需要大于閥桿直徑，且凸肩要有一定的厚度。通常，“d4-d1”=1～3mm，“d5-d3”=2.5～6.5mm，L1=1～3mm，具體實(shí)際數(shù)值由球閥規(guī)格和結(jié)構(gòu)而定，小規(guī)格球閥取較小數(shù)值，反之取較大數(shù)值。③閥桿插入球體的深度（即“L2-L1”），設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮球體轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性，又要考慮球體轉(zhuǎn)動(dòng)的受力均勻性。球閥規(guī)格不同，閥桿閥球配合深度也不相同，小規(guī)格球閥一般要達(dá)到2.5mm以上，大規(guī)格球閥可以達(dá)到10mm以上。④另外，閥桿的材質(zhì)、加工工藝對閥桿性能影響也很大。閥桿應(yīng)盡量選用含銅量高的銅材（如HPb59-1、C37700等）或優(yōu)質(zhì)不銹鋼，經(jīng)去應(yīng)力退火處理等，以保證閥桿足夠的強(qiáng)度。

（3）手柄的設(shè)計(jì)

球閥通過手柄實(shí)現(xiàn)啟閉動(dòng)作，手柄的設(shè)計(jì)直接影響著操作者的體驗(yàn)。球閥在啟閉過程中，預(yù)緊力始終作用在啟閉密封副的摩擦面上，致使球閥啟閉力矩大于其他類型的閥門 [3]。所以，設(shè)計(jì)手柄時(shí)要充分考慮球閥啟閉手感。根據(jù)力矩公式MF=F·L，當(dāng)力矩一定時(shí)，力與距離成反比。為了方便球閥啟閉，在操作空間允許的條件下，要盡量選擇較大的手柄長度和盡量便于握持的手柄高度。

手柄按形狀主要分一字柄和T形柄，一字柄多為不銹鋼材質(zhì)，用于直通球閥、大規(guī)格球閥。一字柄結(jié)構(gòu)簡單，這里主要介紹一下T形柄的設(shè)計(jì)。T形柄一般為鋅合金、鋁合金材質(zhì)，多用于角式球閥和公稱通徑不大于DN25的球閥。首先，T形柄的操作部位面積要大，即圖6所示的K面，主要由尺寸L3、L4、h1構(gòu)成，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)球閥規(guī)格需重點(diǎn)優(yōu)化這部分的尺寸比例。其次，T形柄操作部位外形過渡要圓滑，即R1、R2兩個(gè)圓角，盡量避免尖銳棱角。第三，手柄檔塊長度L5，一部分與閥體檔塊配合，形成限位，同時(shí)剩余一部分高于閥體檔位，便于球閥啟閉的靈活性。為了兼顧球閥使用的靈活性和限位的可靠位，L5一般為5～7mm，其中限位部分的長度約占到2/3。第四，手柄檔塊厚度t不能太薄，為保險(xiǎn)起見，根據(jù)手柄大小可取2.5～3.5mm。

3、壓緊密封量的確定

球閥的內(nèi)密封原理是，在閥體、閥蓋壓緊力作用下，閥座與球體壓緊，并使閥座材料產(chǎn)生彈塑性變形而達(dá)到密封，其密封效果取決于閥座在流體壓力或預(yù)緊力的作用下，能夠補(bǔ)償球體不圓度和表面微觀不平度的程度，即密封面上所形成的密封比壓需滿足密封判別條件：qb≤q≤[q]，式中：q代表密封比壓（單位：bar）；qb代表密封必需比壓（bar）；[q]代表許用比壓（bar）。由經(jīng)驗(yàn)計(jì)算可知，滿足密封必需比壓要求，球閥閥座材料壓縮量一般要大于0.6mm。從確保閥門密封的可靠性及延長其使用壽命的角度出發(fā)，密封壓縮量應(yīng)當(dāng)大，但壓緊密封量增大，會(huì)增大操作力矩[4]，不方便球閥的使用，實(shí)際球閥閥座材料壓縮量通常取0.8～1.4mm。選取壓緊密封量時(shí)，要綜合考慮閥座材質(zhì)硬度、球閥規(guī)格、手柄操作性等等因素，對于閥座材質(zhì)硬度較高、球閥規(guī)格大、手柄不便受力的產(chǎn)品，壓緊密封量應(yīng)取較小值，反之取較大值。

總結(jié)：球閥設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)使用環(huán)境、球閥規(guī)格、閥座材質(zhì)等因素，合理設(shè)計(jì)壓緊密封量，優(yōu)化閥球、閥桿、手柄的設(shè)計(jì)尺寸和性能，確保球閥優(yōu)異的密封性和良好的操作使用性，提高開發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉，余曉明，朱祥政，雷會(huì)玉，史明闖，球閥球體與閥桿一體化設(shè)計(jì)與分析[J]，機(jī)械制造，2014年1月，第52卷（第593期）：53-56

[2]曹平富，超低溫浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]，中國高新技術(shù)企業(yè)，2015年（第26期）：26-27

[3]何常青，王軍寧，一種新型低溫球閥研究[J]，科技資訊，2013年（第16期）：71、73

[4]王建新，張清雙，超低溫球閥密封要素的分析[J]，閥門，2016年（第4期）：18-20