由摩擦力矩公式研究球閥設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制

楊熙翀 ，吳玉良 ，陳堅(jiān) ，曹小紅

（1.浙江永盛科技股份有限公司，杭州 311400；2.溫州富技閥門有限公司，浙江 永嘉 325000；3.高特自控閥門有限公司，浙江 永嘉 325000；4.新疆昌吉特變能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

0 引言

球閥零件較多，各零件的強(qiáng)度、剛度及相互配合精度關(guān)乎整機(jī)綜合性能的優(yōu)劣，在設(shè)計(jì)階段考慮的因素有很多，如閥體強(qiáng)度、球體剛度、閥桿強(qiáng)度及剛度等。球閥閥桿設(shè)計(jì)時(shí)，需計(jì)算球閥的驅(qū)動(dòng)力矩，驅(qū)動(dòng)力矩的組合項(xiàng)中，球體與閥座摩擦力矩是核心。

1 球體與閥座摩擦力矩計(jì)算公式

球體與閥座摩擦力矩公式如式（1）～式（3）所示，參數(shù)含義如圖1所示。

圖1 球閥結(jié)構(gòu)示意圖

式中：M為球體與閥座間的摩擦力矩，N·m；F為球體與閥座間的摩擦力，N；r為球體與閥座間的當(dāng)量摩擦半徑，m；Q為介質(zhì)壓力作用于閥座密封上的力（方向與流體方向一 致），N；μ為球體與閥座間的摩擦因數(shù)；α為閥座密封面法向與流道中心線夾角；R為球體半徑，m。

2 球體與閥座間摩擦力矩公式工程解讀

由上述公式可知，M的主要影響因素有R、μ、介質(zhì)壓力P、d、d1及D。為減小M的值，可縮小球體半徑R以減小當(dāng)量摩擦半徑r；降低摩擦力F，而F的大小與球體表面與閥座表面的摩擦因數(shù)μ、介質(zhì)壓力P及閥座直徑d1（對(duì)于固定球閥是D、d）相關(guān)。

球體半徑R不只是閥門公稱通徑的尺寸函數(shù)，R值是否可減小，需要復(fù)雜的計(jì)算，一般工程應(yīng)用可參考文獻(xiàn)[1]中數(shù)值。球體材料采用奧氏體不銹鋼、高壓應(yīng)用時(shí)，后文討論。

文獻(xiàn)[2]對(duì)球體與閥座間摩擦因數(shù)μ有詳細(xì)論述，在現(xiàn)有加工條件下，無論軟密封球閥還是硬密封球閥，密封副表面粗糙度越小，對(duì)摩擦因數(shù)降低越有益，故盡可能降低表面粗糙度，要求達(dá)到鏡面水平。

介質(zhì)壓力P作用在閥座直徑上產(chǎn)生力Q，由于介質(zhì)壓力P是定值，所以Q的大小取決于閥座直徑，尤其在管線球閥中，閥座外徑D太小，DIB試驗(yàn)時(shí)閥座發(fā)生過量變形導(dǎo)致泄漏；另外，d1太小，球體與閥座密封副之間壓強(qiáng)升高，增加球體在此處的變形，進(jìn)而影響摩擦力矩、閥門密封性能及壽命等。

3 球體與閥座的設(shè)計(jì)、工藝注意事項(xiàng)

3.1 球體的設(shè)計(jì)

如圖1所示，球體直徑Db=f(d、P、E、σs)，式中：d為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小流道尺寸；P為介質(zhì)壓力；E為球體材料彈性模量；σs為球體材料屈服強(qiáng)度。

做一個(gè)Db=52、d=25、dm=30的球體，用有限單元法對(duì)球體直徑進(jìn)行計(jì)算，施加介質(zhì)壓力45 MPa，分別采用碳鋼（Ec=2.02×105MPa）、不銹鋼（Es=1.95×105MPa），變形云圖如圖2所示。在密封中徑為dm=30的圓上，碳鋼球體的最大變形值為0.019 338 mm、最小變形值為0.018 872 mm、相對(duì)變形值為0.000 466 mm；不銹鋼球體的最大變形值為0.019 954 mm、最小變形值為0.019 471 mm、相對(duì)變形值為0.000 483 mm。可見，在相同幾何尺寸、相同受力情況時(shí)，彈性模量降低3.47%，球體的相對(duì)變形值增大3.65%。

圖2 球體變形云圖

本算例中球體是理想球體，沒有進(jìn)行其他結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)，如浮動(dòng)球球體銑驅(qū)動(dòng)槽、固定球球體加工上下軸孔或樞軸，這些結(jié)構(gòu)將會(huì)對(duì)球體剛度削弱。所以，對(duì)無成功工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的球閥，需對(duì)球體結(jié)構(gòu)、尺寸須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后方可用于工程中。

另外，密封面寬度不宜過窄。對(duì)于軟密封球閥，雖然閥座使用彈性極大的高分子材料，如工程塑料、尼龍、聚四氟乙烯等，但不可將其寬度縮減過小，因?yàn)殚y門在開啟過程中，高分子材料閥座在球體流道口發(fā)生擠壓變形，變形量過大會(huì)刮傷甚至切斷高分子材質(zhì)閥座。對(duì)于硬密封球閥，密封面寬度過窄，在球體對(duì)應(yīng)表面變形增大，開關(guān)過程中，閥座出現(xiàn)“爬坡過坎”現(xiàn)象，強(qiáng)制刮擦密封副，輕則導(dǎo)致球體、閥座表面擦傷（在球面3點(diǎn)、9點(diǎn)水平線上下一定寬度范圍內(nèi)且3點(diǎn)或9點(diǎn)附近處最嚴(yán)重，而后逐漸減輕），增加閥門轉(zhuǎn)矩、出現(xiàn)泄漏，嚴(yán)重時(shí)撕裂涂層，使球體與閥座異?？踔僚ぷ冃?、扭斷閥桿。

圖3（a）是國(guó)外某公司硬密封球閥閥座，可見密封面極寬。圖3（b）為國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的球體、閥座在未安裝前已產(chǎn)生良好的吸附態(tài)。

圖3 球體與閥座設(shè)計(jì)案例

3.2 球體的定位

如圖1所示，對(duì)于浮動(dòng)球球閥球體，需對(duì)沿x、z軸平動(dòng)和x、y軸轉(zhuǎn)動(dòng)加以限制，只保留沿y軸平動(dòng)和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，浮動(dòng)球球閥的兩個(gè)閥座對(duì)球體x軸和z軸的平動(dòng)進(jìn)行限制，由此可知該閥座需要承擔(dān)球體的自重，故軟密封浮動(dòng)球球閥口徑不能過大，否則球體自重對(duì)高分子材料閥座會(huì)產(chǎn)生極大的偏置壓縮而損壞。對(duì)于硬密封，閥座密封面極寬，一方面是承受球體自重，另一方面是為了降低對(duì)球體的擠壓變形，從而延長(zhǎng)噴涂層壽命并且在一定范圍內(nèi)降低閥門轉(zhuǎn)矩。

對(duì)于固定球球閥的球體，須將沿x、y、z軸的平動(dòng)和x、y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)加以限制，只保留沿z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，從對(duì)球體自由度限制方式出發(fā)，產(chǎn)生了上下穿軸和支撐板兩種結(jié)構(gòu)，這對(duì)球閥各零件的加工人員素質(zhì)、機(jī)加工裝備、工藝及過程質(zhì)量控制手段有很高的要求，一般要求零件精度控制在±0.05 mm以內(nèi)。

3.3 閥座的設(shè)計(jì)

球閥閥座也是關(guān)乎球閥質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要零件。對(duì)于浮動(dòng)軟密封球閥來說，有圖4所示3種常見結(jié)構(gòu)形式。

圖4 常見閥座結(jié)構(gòu)形式

圖4（a）所示閥座，閥門初始密封靠球體對(duì)軟質(zhì)閥座的強(qiáng)行擠壓實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)如下：1）開關(guān)過程中在球口刮擦、切割閥座，密封性能隨著時(shí)間的推移變差，降低閥門壽命；2）高分子材料熱脹系數(shù)大于金屬，會(huì)出現(xiàn)高溫天氣裝配調(diào)試好的閥門，在寒冷季節(jié)泄漏，或寒冷季節(jié)裝配調(diào)試好的閥門在高溫天氣或高溫工況開關(guān)不暢；3）不滿足API 608中規(guī)定的中腔不積壓要求。

圖4（b）所示閥座較好地改善了填塞式閥座的缺點(diǎn)，閥門的密封可靠性、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性得到了極大的保證，但由于撓性預(yù)壓縮變形蓄能，閥門開啟時(shí)，閥座唇口與球體通道口發(fā)生一定程度的刮擦，如設(shè)計(jì)不當(dāng)、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和高分子材料蠕變會(huì)發(fā)生閥座“切割”卡壞現(xiàn)象，所以該結(jié)構(gòu)的閥座設(shè)計(jì)及使用要滿足API 608中規(guī)定的“PTFE和RPTFE溫度壓力額定值”的規(guī)定。

圖4（c）所示閥座吸取前兩類閥座的不足，將閥座裝入閥體中，產(chǎn)生一定量的弓起蓄能，當(dāng)與球面接觸并裝配后，球面壓縮閥座表面，使閥座與球體吻合產(chǎn)生大的接觸面，降低密封比壓，并提高閥門密封能力，減小摩擦，提高閥門壽命，該閥座結(jié)構(gòu)常見于過程工業(yè)中的高頻動(dòng)作程控閥。

另外，對(duì)于高分子材料制成的閥座，在浮動(dòng)球球閥的設(shè)計(jì)中，一定要注意球體與閥座間和閥座與閥體間密封比壓的關(guān)系，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)是閥座與閥體間比壓遠(yuǎn)大于閥座與球體間比壓。

加工球閥閥座時(shí)尤其要注意高分子材料的幾個(gè)特性：1）高分子材料的成型工藝多為粉末燒結(jié)，所以成型后的零件有很大的殘余應(yīng)力，在采取機(jī)加工方法獲得預(yù)期形狀、尺寸時(shí)，一定要采用合適方式消除燒結(jié)成型過程中的殘余應(yīng)力，一般采用水淬工藝；2）高分子材料的導(dǎo)熱性能極差，在采用機(jī)加工方式獲得所需形狀、尺寸的時(shí)候，一定要注意刀具切削刃形狀、角度，保持鋒利，且切削速度不宜過快并有效冷卻，否則切削刃溫度過高會(huì)燙傷加工表面，降低密封面質(zhì)量，需要大的預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)密封效果，國(guó)外廠家一般采用模壓成型，不采用機(jī)加工方式獲得閥座；3）高分子材料的剛度、強(qiáng)度差，在機(jī)加工過程中，裝夾方式和裝夾力要合適，不能有大的和不均勻的變形，另外，粗加工、半精加工、精加工要分序，以降低殘余應(yīng)力及變形，保證閥座的形狀公差。

對(duì)于固定式球閥的閥座，如果是服役于長(zhǎng)輸管道，按照API 6D的要求需要DIB功能時(shí)，閥座的設(shè)計(jì)要考慮外壓下的失穩(wěn)，可參考文獻(xiàn)[6]校核閥座壓應(yīng)力。

3.4 閥座的安裝

對(duì)于軟密封浮動(dòng)球球閥來說，在高分子材料制成的閥座與閥體安裝時(shí)，一定要注意徑向泄壓槽的設(shè)計(jì)，否則會(huì)發(fā)生介質(zhì)壓力推動(dòng)上游閥座在開關(guān)過程中進(jìn)入球體流道口，產(chǎn)生剪切閥座現(xiàn)象。

對(duì)于金屬密封浮動(dòng)球球閥，目前國(guó)內(nèi)注重機(jī)加工工藝、過程質(zhì)量控制的廠商生產(chǎn)的球體、閥座之間的密封已不是難題，在圖3（b）所示工況環(huán)境條件下能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密密封，而閥座與閥體間的密封需要重點(diǎn)關(guān)注和進(jìn)一步研究。

對(duì)于固定球球閥，閥座與閥體之間一定要留有既能嚴(yán)格密封、又能靈活浮動(dòng)的間隙，這樣方能提高球閥的綜合性能。

4 球閥主要零件的質(zhì)量控制要點(diǎn)

從以上分析可知，球閥的主要零件的質(zhì)量控制要點(diǎn)如下：

1）金屬材料的理化性能、金相組織及熱處理工藝需要嚴(yán)格控制，這些質(zhì)量控制點(diǎn)影響球體、閥座等零件的物性參數(shù)，否則尺寸、形位公差和表面粗糙度達(dá)到加工要求的零件在后續(xù)使用中達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期。

2）對(duì)高分子材料要建立健全檢測(cè)手段，對(duì)物理性能，如密度、拉伸率、拉伸強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，建立高分子材料的熱處理設(shè)備及工藝規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行。

3）對(duì)主要零件的加工工藝，如球體的加工，應(yīng)采用“展成擺動(dòng)式”工藝方法，防止球體被加工成橄欖球形；金屬硬密封球閥閥座的凹球面加工，可采用圖5（a）所示的加工裝備保證。

4）球體與閥座精密加工完成后，須進(jìn)行配對(duì)精密研磨，研磨方式可用如圖5（b）所示裝備，使配對(duì)精研過程與閥門實(shí)際開關(guān)動(dòng)作一致。

圖5 加工設(shè)備

5）球體、閥座表面要達(dá)到鏡面，另外，對(duì)于球體的圓度，一般金屬密封球體4 in及以下口徑圓度不超過5μm，4 in以上口徑圓度不超過0.01 mm，軟密封球體圓度可適當(dāng)放大，但不超過0.02 mm為宜。

6）球體圓度檢測(cè)不宜使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，原因如下：a.不具有在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，只能在零件加工完成從機(jī)床卸下后判斷是否超差；b.三坐標(biāo)測(cè)量球體圓度用數(shù)學(xué)插值法，測(cè)量數(shù)據(jù)是數(shù)學(xué)運(yùn)算后的結(jié)果，與真實(shí)結(jié)果有出入。

7）注重工裝夾具設(shè)計(jì)、制造及質(zhì)量控制，在工裝夾具制作過程中，可使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)工裝夾具的相對(duì)位置公差進(jìn)行嚴(yán)格控制，來保證球閥零件的加工準(zhǔn)確度。

8）閥座形狀公差控制，無論是浮動(dòng)球閥還是固定球閥的閥座，閥座本身的圓度極其重要，如閥座不圓，在后期的裝配環(huán)節(jié)中就要加大預(yù)緊力，強(qiáng)制使閥座與球體或閥座與閥體吻合，這樣，雖可暫獲良好密封，但是增大閥門轉(zhuǎn)矩、犧牲閥門使用壽命。

9）控制球體本身及與之相關(guān)零件的位置公差，如固定球球體上下軸孔或樞軸的同心度、軸孔或樞軸與球體密封表面的同心度、浮動(dòng)球球體的驅(qū)動(dòng)槽與球體中心的對(duì)稱度等；另外，如上下穿軸式固定球球閥的閥體上、下軸孔同心度、支撐板結(jié)構(gòu)固定球球閥左右閥蓋銷釘孔位置度等，這些位置公差對(duì)后期閥門的密封性能、轉(zhuǎn)矩影響巨大，在加工過程中需要著重注意并控制。

10）對(duì)于球體、閥座的表面處理工藝的控制，無論是電/化學(xué)鍍、冷噴、熱噴還是堆焊處理，均需在一定的溫度下進(jìn)行，對(duì)各種表面處理的溫度需要進(jìn)行綜合評(píng)估，尤其是熱噴及重熔工藝，在這類表面處理工藝中，由于溫度較高，對(duì)基體材料的熱影響極大，需要進(jìn)行合理有效控制，在后續(xù)使用中方可防止應(yīng)力釋放造成無規(guī)律變形引起的各類故障。

5 結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品的綜合性能及成本在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)定型，所以性能優(yōu)越的球閥，在設(shè)計(jì)階段需要對(duì)零件的尺寸公差、形狀公差、位置公差、表面粗糙度、材料理化性能進(jìn)行合理規(guī)定，并對(duì)加工過程中裝備、工藝、工裝夾具進(jìn)行高質(zhì)量設(shè)計(jì)；在原材料獲取階段對(duì)各理化性能嚴(yán)格控制；加工過程中嚴(yán)格遵守加工工藝規(guī)程要求，及時(shí)有效實(shí)施在線檢測(cè)。只有這樣方可獲得預(yù)期質(zhì)量要求的產(chǎn)品，而對(duì)零件的材料用量、理化性能要求，需要綜合度量，不可貿(mào)然以降低成本之名義過分縮減而造成不可控的質(zhì)量缺陷，反而增加產(chǎn)品生產(chǎn)制造成本。