一种新型无摩擦球阀的设计

2015-11-24雷永强韩致信马春亮雒淑

机械制造 2015年10期

关键词：阀座球阀密封面

□ 雷永强 □ 韩致信,2 □ 马春亮 □ 雒淑 □ 杨博

1.兰州理工大学机电工程学院兰州 730050

2.兰州理工大学温州研究生分院浙江温州 325105

3.环球阀门有限公司浙江温州 325105

一种新型无摩擦球阀的设计

□ 雷永强1□ 韩致信1,2□ 马春亮1□ 雒淑1□ 杨博3

1.兰州理工大学机电工程学院兰州 730050

2.兰州理工大学温州研究生分院浙江温州 325105

3.环球阀门有限公司浙江温州 325105

球阀是一种新型阀门，不仅结构简单，密封性能良好，而且在一定的公称通径范围内体积较小、质量轻、材料耗用少、操作简便，是近几年发展速度最快的阀门品种之一。但随着球阀的开关次数增加，球体与阀座表面会有不同程度的磨损，进而会使球阀的密封性能下降。介绍球阀的一种新型密封结构，该结构不仅可以实现球阀在启闭过程中球体无摩擦转动，还可以有效避免球体与阀座表面的磨损，而且能减小阀杆与执行元件所承载的扭矩，同时降低了对阀杆强度的要求。

球阀密封无摩擦磨损

1 概述

球阀是上世纪50年代问世的一种新型阀门，由于其具有流体阻力小、可靠性高、启闭速度快等优点，不仅在一般工业管道上，而且在核工业、宇航工业的液氧与液氢输送管线中被普遍采用［1］。随着工业化进程的加快，球阀产品现已被大量使用，这就对其产品质量和结构设计提出了更高的要求［3］。其中阀门的密封性能是衡量阀门质量最重要的指标，也是决定阀门寿命的主要因素［4-5］。阀门的密封分为硬密封和软密封，当管道内流体或介质压力较小、温度较低时，可以采用软密封；当管道内压力较大、温度较高时，采用硬密封［6-7］。无论是硬密封还是软密封，随着阀门开关次数的增多，密封面都有不同程度的磨损，为此提出了对其材料强度和加工精度的要求［8］。为了减少密封面的磨损，一般通过提高密封副材料的性能来提高密封面的耐磨性，或从减小阀座在阀门启闭过程中与球体的接触面积来降低磨损。目前，国内有一种阀杆上带有凸轮的装置，该球阀在球体转动过程中连接在阀杆上的凸轮跟着一起转动，进而利用凸轮推开阀座，实现球体与阀座密封副之间的启闭［9］，这种结构是利用纯机械式的推开，造成凸轮的磨损非常快，而且对阀杆强度和硬度提出了高的要求［10］。笔者基于此装置的理念提出了一种无摩擦球阀的新型结构，该球阀利用气体来推开阀座，通过这种结构，不仅克服了球阀启闭过程中的磨损，而且降低了对材料强度的要求。

2 无摩擦球阀的结构与工作原理

2.1 总体结构

无摩擦球阀主要由阀体、阀盖、球体、阀杆、刮刀、阀座支撑圈、阀座、密封环、O型密封圈等组成,如图1所示。该阀门采用侧装式、软密封固定球球阀，球阀结构简单、紧凑，便于拆卸、组装、维修。阀门密封效果好，完全消除了球体转动过程中球体密封面与阀座密封面之间的摩擦，大大提高了阀门的使用寿命。

2.2 球阀无摩擦原理

无摩擦球阀结构采用了气动推开阀座装置的形式,如图1所示。

（1）当阀门由全开到关闭时，打开气源接口1管路上的泄压阀进行排气，同时，打开气源接口2管路上的进气阀，向气源接口2充气，从而在密封环上形成活塞，使密封环带动阀座向球体反方向移动，阀座密封面与球体密封面分离，转动球体，使球体由全开转到全关的位置（球体实现无摩擦转动）；然后，打开气源接口2管路上的泄压阀进行排气，同时，打开气源接口1管路上的进气阀，向气源接口1充气，从而在密封环上形成活塞，使密封环带动阀座向球体方向移动，阀座密封面与球体密封面密封。

（2）当阀门由全关到开启时，进排气的顺序与当阀门由全开到关闭时一致。

2.3 阀座运动过程受力分析

气源压力在推动阀座支撑圈带动阀座偏向或偏离球体运动时，须克服阀座支撑圈运动过程与其接触部件的摩擦阻力。当中腔有介质压力时，阻力主要由O型密封圈的摩擦阻力和介质压力组成；当中腔无介质压力时，阻力主要来自于O型密封圈的摩擦阻力。

2.3.1 阀座推离球体时的受力分析

①当中腔无介质压力、阀座推离球体时，阀座支撑圈所受的合力为：

式中：F0为4个O型密封圈总的摩擦力；F1为阀座推离球体时的气源力，方向如图1（b）所示；D2为进气口的活塞内径；D3为活塞外径；P1为气源压力。

②当中腔有介质压力、阀座推离球体时，阀座支撑圈所受的合力为：

式中：F2为阀座推离球体的介质力，方向如图1（b）所示；D1为中腔活塞内径；P为介质压力。

无论中腔是否有介质压力，要实现将阀座推离球体的运动，阀座支撑圈所受的合力F必须大于零。

2.3.2 阀座推向球体时的受力分析

①当中腔无介质压力、阀座推向球体时，阀座支撑圈所受的合力为：

式中：F0为4个O型密封圈总的摩擦力，与图1（b）所示方向相反；F3为阀座推向球体时的气源力，方向如图1（b）所示；D0为O型密封圈的密封直径。

②当中腔有介质压力、阀座推向球体时，阀座支撑圈所受的合力为：

同理，要实现将阀座推向球体的运动，无论中腔是否有介质压力，阀座支撑圈所受的合力F必须大于零。

2.3.3 O型密封圈摩擦力的具体分析

O型密封圈总的摩擦阻力为：

式中：F01、F02、F03、F04分别代表4个O型密封圈的摩擦力。

以O型密封圈1的摩擦阻力F01为例来进行计算：

式中：bm为O型密封圈接触宽度；Z为O型密封圈个数；f为橡胶O型密封圈的摩擦因数，一般取f= 0.4；QMFO为O型密封圈的密封比压。

式中：P0为O型密封圈处的体腔内压力。

其余3个O型密封圈的摩擦阻力计算方法和O型密封圈1的计算方法类似。

2.4 设计数据实例验证

给定阀门公称通径DN=12"（1"=25.4 mm），公称压力PN=1 334.4 N,气源压力P1=0.8 MPa，介质压力P=2.0 MPa，按照API-6D标准设计，取D0=330 mm，D1=313 mm，D2=390 mm，D3=500 mm，bm=0.9 mm，P0=0，Z=4来进行计算。

（1）假设中腔无介质压力，数据代入式（2）、式（8）～式（10）可得,阀座推离球体时的气源压力F1=61 481.2 N；4个O型密封圈总的摩擦力F0=2 289 N；代入式（1）计算得阀座支撑圈所受合力F=59 192 N＞0，该运动过程可以实现。

（2）假设中腔有介质压力，数据代入式（6）、式（4）可得,阀座推向球体时的气源压力F3=88 610.8 N；介质压力F2=84 985.7 N；4个O型密封圈总摩擦力F0= 2 289 N；代入式（7）计算可得阀座支撑圈所受合力F= 1 336.1 N＞0,该运动过程亦可实现。由于篇幅原因，对于中腔有介质压力推离球体和中腔无介质压力推向球体两过程不再罗列具体的计算数据。