固定球閥力矩計算的探討

何順高 楊孝均 袁 偉 韓澤海

四川德維閥門有限公司 四川自貢 643000

1 概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，閥門作為工業(yè)過程控制的重要組成設(shè)備。精良的設(shè)備，先進的制造工藝，大大提高了零部件的表面粗糙度，低扭矩、轉(zhuǎn)動靈活，密封可靠的閥門越來越受到重視。在球閥設(shè)計過程中力矩控制已作為一項至關(guān)重要的技術(shù)指標。球閥力矩計算的準確性對閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能分析、材料選用、執(zhí)行器選用等方面的影響都比較大。

球閥的開啟或關(guān)閉，是通過驅(qū)動閥桿，從而帶動球體的旋轉(zhuǎn)得以實現(xiàn)。驅(qū)動閥桿所需克服力矩主要由以下幾部分組成：(1)閥座密封面與球體表面的摩擦力矩；(2)滑動軸承與閥桿的摩擦力矩；(3)止推墊與閥桿的摩擦力矩；(4)O形圈與閥桿的摩擦力矩；(5)填料與閥桿的摩擦力矩。

閥門在啟閉過程中，所需要的啟閉力和啟閉力矩是變化的，其最大值是在關(guān)閉的最終瞬時和開啟的最初瞬時。有些特殊工況還對閥門啟閉過程中的速度有特殊要求。為了方便受力分析及研究，本文以閥門開啟瞬時為例，做受力分析及推導演算過程。

本文重點分析閥座密封面與球體表面之間的摩擦力矩，因不同的受力分析方法，會產(chǎn)生較大的計算差異。本文采用兩種不同的方法對閥座密封面與球體表面的摩擦轉(zhuǎn)矩進行分析、推演，提出了新的符合閥門實際條件的計算公式。

2 工作原理

球閥球體支撐固定方式有：球體為上下軸固定支撐，球體為壓蓋法蘭與固定軸支撐，球體為支撐板支撐。與閥桿接觸部位安裝滑動軸承和推力軸承，閥座密封圈安裝在具有活塞效應(yīng)的閥座支撐圈內(nèi)，閥座支撐圈徑向安裝槽內(nèi)安裝有O型圈形成閥體與閥座支撐圈的密封。閥座支撐圈后面安裝預(yù)緊彈簧提供彈簧力使閥座壓向球體形成初始預(yù)緊密封。閥門關(guān)閉，進口端介質(zhì)力作用在閥座支撐圈外徑與閥座密封面內(nèi)徑形成環(huán)狀面積上，使閥座密封圈與球體表面緊貼壓緊形成密封。

3 力矩分析說明

球閥總力矩由多個相關(guān)部件的摩擦轉(zhuǎn)矩組成，本文僅對閥座密封面與球體表面之間的摩擦力矩進行受力分析、推演驗算，并提出新的計算公式，其余組成部分力矩計算按參考文獻計算公式。

為了實現(xiàn)球閥密封獲得最佳的密封效果，同時又能獲得較低的摩擦轉(zhuǎn)矩，保證密封所需作用力為預(yù)緊彈簧推力與閥座支撐圈上安裝的O型圈與閥體間的摩擦力之差。本文簡化計算，忽略了閥座支撐圈上O型圈與閥體間摩擦力的計算，假設(shè)密封所需作用力為彈簧預(yù)緊力。

這里提出了兩種不同思路的受力分析、推演，并提出新的計算公式，相互驗證得以證明該受力分析過程是正確的，是確實可行的。

4 閥座密封面與球體間摩擦力矩受力分析與計算

4.1 閥座密封面與球體間摩擦力矩的計算方法(一)(粗略計算法)

一個物體在另一個物體表面發(fā)生滑動時，接觸面間產(chǎn)生阻礙它們相對運動的摩擦，稱為滑動摩擦?；瑒幽Σ亮Φ拇笮∨c接觸面的粗糙程度的大小和壓力大小有關(guān)，壓力越大，物體接觸面越粗糙，產(chǎn)生的滑動摩擦力就越大?；瑒幽Σ亮Υ笮∨c物體運動的快慢無關(guān)，與物體間接觸面積大小無關(guān)。所以當閥座密封面與球體摩擦時，與接觸面積大小無關(guān)。計算摩擦力時可僅考慮作用在其上力的大小與摩擦系數(shù)的大小。

本方法為了計算簡便，對閥座作用于球體上的力不進行力的分解，假設(shè)其為作用于球體面是均勻分布、正向壓力。其作用力為介質(zhì)作用力和最小密封比壓所需的作用力(本文假設(shè)為彈簧預(yù)緊力)之和，二力和用Q表示。Q通過閥座作用在球體上，實現(xiàn)閥座與球體間的密封。當開啟或關(guān)閉閥門時轉(zhuǎn)動球體，此時球體表面與閥座密封面間將產(chǎn)生摩擦力矩，摩擦力矩等于摩擦力與力臂的乘積，摩擦力等于作用在球體上的力Q與密封面摩擦系數(shù)f的乘積；摩擦力的方向與接觸面相切，因此得出如下計算公式推導過程：

球體與閥座密封面的摩擦轉(zhuǎn)矩MM(N.mm)：

MM=Qfr

(1)

介質(zhì)及彈簧預(yù)壓作用于球體的力Q(N)：

Q=2QYJ+QMJ

(2)

閥座承受的介質(zhì)作用力QMJ(N)：

(3)

進、出口端均受彈簧預(yù)緊力的作用，彈簧預(yù)緊力QYJ(N)：

(4)

qmin——預(yù)緊所必需的最小比壓，qmin=0.1P(MPa)，且應(yīng)保證大等于2MPa。

摩擦半徑r(mm)：

(5)

式中：f——球體與閥座之間的摩擦系數(shù)；

R——球體半徑(mm)；

α——閥座與球體密封處與通道中心的夾角；

DHJ——閥座O型圈外徑(mm)；

DMN——閥座密封面內(nèi)徑(mm)；

P——流體壓力(MPa)；

DMW——閥座密封面外徑(mm)。

綜合以上公式(1)至(5)，得出以下公式：

(6)

4.2 閥座密封面與球體間摩擦力矩的計算方法(二)(力的分解法)

本方法采用力的分解法，介質(zhì)作用力和彈簧預(yù)緊力的合力Q直接共同作用在閥座上(見圖1和圖2)，因為Q為主動力，作用在球面上時，分解為兩個力，一個是指向圓心的徑向力NMJ，一個是切向力NMF。切向力NMF乘摩擦系數(shù)即為切向的摩擦力，切向摩擦力乘以摩擦半徑r即為切向摩擦力矩M1。徑向力對球體產(chǎn)生的力矩計算，需對徑向力進行分解，一個是沿水平方向X軸的力，此力力臂為0，其力矩計算為0，所以沿水平方向X軸的力不予計算；另一個是垂直于水平方向X軸的力NMN，此力大小作用在球體上的半徑為r1，從而可計算出球體與閥座密封面在徑向方向的摩擦力矩M2。綜合M1和M2即可得閥座密封面與球體間的摩擦力矩MM。整個計算過程如下：

球體與閥座密封面的總摩擦轉(zhuǎn)矩M(N.mm)：

MM=M1+M2

(7)

球體與閥座密封面在切向方向的摩擦力矩M1(N.mm)：

M1=NMFfr

(8)

球體與閥座密封面在徑向方向的摩擦力矩M2(N.mm)：

M2=NMNfr1

(9)

球體承受的介質(zhì)及彈簧預(yù)壓共同作用的切向力NMF(N)：

NMF=Qsinα

(10)

球體承受的介質(zhì)及彈簧預(yù)壓共同作用的徑向力在垂直方向Y軸上的分力(N)：

NMN=NMJsinα

(11)

球體承受的介質(zhì)及彈簧預(yù)壓共同作用的徑向壓力(N)：

NMJ=Qcosα

(12)

徑向力在Y軸上的分力所作用的摩擦半徑r1(mm)：

r1=rcosα

(13)

綜合公式(7)到(13)，可得以下摩擦力矩計算公式：

(14)

式中計算所需數(shù)據(jù)與計算方法(一)中的數(shù)據(jù)相同。

圖1 球閥密封結(jié)構(gòu)

圖2 球體在密封面處受力近似分析圖

5 總力矩的計算

5.1 驅(qū)動閥桿的總力矩

M=MM+MC+MU+MO+MT

(15)

5.2 閥座密封面與球體間的摩擦力矩

MM結(jié)果見上文的公式(6)或公式(14)。

5.3 滑動軸承的摩擦力矩(參照參考文獻[1])

(16)

5.4 止推墊的摩擦力矩(參照參考文獻[1])

(17)

5.5 O形圈摩擦力矩(參照參考文獻[1])

(18)

5.6 閥桿與填料的摩擦力矩(參照參考文獻[1])

MT=0.6πμTdT2PH

(19)

6 計算數(shù)據(jù)對比

現(xiàn)在以NPS8-CLASS600，NPS4-CLASS300，NPS10-CLASS 1500的固定球閥為例，分別采用文獻[1]、文獻[2]中的公式及本文提及的公式分別計算，并根據(jù)型式實驗得出下表的對比數(shù)據(jù)表。

計算數(shù)據(jù)與相關(guān)數(shù)據(jù)對比表

結(jié)語

通過以上對比表數(shù)據(jù)顯示，球閥閥座密封面與球體表面間的摩擦力矩計算誤差較大，其主要原因在于對閥門密封面受力分析、推演及計算方法上存在不同的認識出現(xiàn)的偏差。本文通過對閥座密封面與球體表面摩擦力矩的重新推演、驗證，得出了新的計算公式。其結(jié)果可以滿足閥門執(zhí)行器的選型及作為閥門設(shè)計的一項重要指標。希望同行技術(shù)人員提出合理的意見和建議，不斷提高閥門性能，獲得更好的經(jīng)濟效益。