雙偏心球閥啟閉角設計對閥門性能的研究

張軍明 王玲

摘要：通過引入雙偏心球閥啟閉角理論，闡述啟閉角取值對閥門使用性能、密封性能和使用壽命的影響，并通過建立計算機輔助設計模型，采用計算機優(yōu)化啟閉角設計。

Abstract： By introducing the theory of opening and closing angle of double eccentric ball valve， this paper expounds the influence of opening and closing angle value on the service performance， sealing performance and service life of the valve， and optimizes the design of opening and closing angle by establishing the computer-aided design model.

關鍵詞：雙偏心球閥[1];程控閥;雙偏心閥;啟閉角度

Key words： double eccentric ball valve;program control valve;double eccentric valve;opening and closing angle

0? 引言

雙偏心球閥[5]是在O型球閥的基礎上發(fā)展起來的一種閥門結構。它不僅解決了O型球閥體積大、笨重等問題（相同口徑和壓力等級），而且還可以當作調節(jié)閥使用，具有切斷和調節(jié)雙重功能。從實際運用的適用范圍來看，雙偏心球閥在結晶、結焦及需要頻繁動作場合，具有比O型球閥更好的使用效果和使用壽命。因特殊的雙偏心設計，使閥門在開啟或者關閉到很小的角度時（一般被設計為小于1.5°），閥芯與閥座[2]就脫開（開閥）或貼合（關閥）運動，將閥芯與閥座的相對摩擦磨損降低到最低[4]。

通過生產實踐，我們發(fā)現(xiàn)雙偏心球閥的密封性能和耐磨損性能與閥門啟閉角有著密切關系，啟閉角越大，閥門密封性能和耐磨性能越好，但是不利的一面是增加了閥門的不平衡力矩。

1? 啟閉角理論及計算方法

1.1 啟閉角的定義

在垂直于雙偏心球閥旋轉軸的截面上，閥門密封線任一點的旋轉切線方向和此點在閥座上切線的夾角（如圖1所示），稱為啟閉角。根據幾何關系可知：閥座上過M點的半徑連線和閥板上過M點的半徑連線形成的夾角（旋轉中心與閥座正圓夾角）相等。

1.2 啟閉角計算方法（任一垂直于旋轉軸截面的幾何關系如圖2所示）

根據啟閉角原理簡化的物理模型，在Y軸正方向的啟閉角與圖2所示的β角相等;在Y軸負方向的啟閉角與圖2所示的γ角相等。故，啟閉角可轉換為求β、γ角，即只需求解即可。

式中，L值是與Z值相關的設計給定值，表示在Z軸方向上不同垂直截面下，閥板密封面上兩端點的距離。

2? 計算機輔助啟閉角優(yōu)化

式（3）和式（4）式雖然給出了啟閉角的理論計算公式，但是作為密封面上每個點來說都是不定值，完全由人工來計算顯得非常繁雜。重復繁雜的計算過程可以利用計算機來完成。在設計參數給定的條件下，設定好邊界值和計算精度，計算機就可以快速的計算出密封面上所有點的啟閉角度，并且找到最小的啟閉角度值。

3? 啟閉角與閥門性能的關系

通過我公司多年的生產實踐與閥門實際運用效果。我們發(fā)現(xiàn)，閥門閥芯旋轉切入角度（啟閉角）與介質工況有著密切的聯(lián)系。旋轉切入角度（啟閉角）越大，密封效果越好，使用壽命越長，但是也帶來了輸出力矩[3]增大這一不利因素。另外在結晶與結晶需要頻繁動作的工況場合，因具有顆粒物物質的影響，通常狀態(tài)下切入角度以較大為宜。

①啟閉角越大，閥門在關閉時閥座與閥板接觸及產生相對滑動位移越小，產生的機械摩擦磨損越小，有利于從結構設計上來延長閥門的使用壽命。②啟閉角越大，閥板與閥座的擠壓角度越大，執(zhí)行機構輸出的有效密封比壓越大，更有利于提高閥門的密封性能。③啟閉角越大，閥座與閥板未接觸間隙越大，給一些小的顆粒預留了足夠的活動空間，降低了顆粒物劃傷密封的可能性。④啟閉角度越大，閥門在開啟時閥板與閥座脫開角度越小，大大降低了開啟摩擦磨損。⑤啟閉角增大，閥門啟閉力矩也隨之增大，在選擇設計的啟閉角時，一定要綜合考慮閥門力矩的關系，以角度與力矩相匹配為宜。根據生產實踐，啟閉角度以不小于2°為宜。

4? 閥門在實際工況中的運用

圖3是某公司相同工況下O型球閥與雙偏心球閥檢修的實物對比圖。

從圖3可知，雙偏心球閥的密封面光潔如初，基本沒有什么磨損和較明顯的劃痕存在，閥門還可以免修下繼續(xù)使用。而O型球閥卻存在很明顯的，且較深的磨損痕跡，閥門必須維修后方可繼續(xù)使用。從實際運行壽命來看，雙偏心球閥的使用壽命是O型球閥的2.67倍。而且雙偏心球閥具有體積小，重量輕等特點，相同口徑下僅為O型球閥的40%的重量，便于安裝、維護和檢修。

為什么雙偏心球閥具有比O型球閥更好的使用效果，而且還可以用作調節(jié)閥使用。分析其結構因素如下：①雙偏心結構設計，使閥座與閥芯脫開運動。在啟閉到很小的角度前，閥芯與閥座完全沒有摩擦干涉，有效地保護了密封面的完整和光滑。只有在關閉到一個很小的角度下（小于1.5°），閥芯和閥座才有一個很小的相對接觸滑動摩擦。此種結構設計將閥門自身摩擦磨損降低至最低。閥門使用壽命得到大大的提高。而O型球閥在整個啟閉過程中閥芯與閥座一直貼合摩擦，閥門壓差越大，摩擦力越大，結構設計使自身摩擦磨損非常嚴重。②雙偏心球閥具有優(yōu)化的啟閉角度設計，閥門在關閉的一瞬間，閥芯旋轉切入角度是球閥的2倍以上，有效緩解了顆粒物對閥門的卡阻和摩擦磨損。所以偏心球閥在結晶、結焦工況下比球閥具有更好的使用效果。③雙偏心球閥能夠用作調節(jié)閥使用，是因為閥門在啟閉后，閥座與閥芯完全脫開，沒有中間半接觸位置，不會造成閥座發(fā)生冷流現(xiàn)象。而O型球閥，因閥座與閥芯一直接觸，如用作調節(jié)工況，存在閥芯與閥座半接觸位置，如果一直保持一個位置，閥座在機械壓力作用下，容易發(fā)生冷流現(xiàn)象，造成閥座損壞。如果是軟閥座，這種冷流現(xiàn)象更加明顯。

5? 結束語

雙偏心球閥從結構理論和實際使用上具有比O型球閥更加優(yōu)異的使用效果和更大的使用范圍。雙偏心球閥啟閉角設計就顯得尤為重要，設計時，應盡量加大閥門啟閉角度設計，角度越大越有利于提高閥門的使用、密封性能和延長閥門的使用壽命。如果取值不合理或者匹配關系沒有達到最優(yōu)指標，啟閉角度偏小，都會使雙偏心球閥的使用壽命及性能大打折扣。

參考文獻：

[1]張鴿.雙偏心半球閥密封結構的改進[J].科技信息，2012，24：424.

[2]孫艷梅，薛昌剛.雙偏心閥座軟密封蝶閥和陶瓷球閥的應用[J].人造纖維，2012，003：27-28.

[3]余得水，張愛平.雙偏心金屬密封球閥的設計[J].閥門，2015，1：5-6.

[4]華劍，胡磊，李美求，宋云逸.金屬陶瓷硬密封雙偏心半球閥密封性能分析[J].機械設計與制造，2017，2：243-245，249.

[5]郭風忠.雙偏心半球閥[J].閥門，2010：42-43.