浅析螺纹连接球阀的设计要点

姚一杰

（日丰企业集团有限公司）

摘 要：本文介绍了螺纹连接球阀的典型结构，重点分析了球阀通用件的设计要点，并论述了球阀密封夹角的设计和球阀压紧密封量的设计原则。

关键词：通用件的设计、密封夹角、T形柄、压紧密封量

球阀是20 世纪50 年代问世的一种新型阀門，具有外型尺寸小、质量较轻、密封性好、流体阻力小、开关迅速方便、便于气控和电控、使用寿命长、安全可靠性高、维修方便等优点而受到广泛的欢迎，因此在各行各业的管道上被广泛采用[1]。球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向，它只需要用旋转90度的操作就能关闭严密，最适宜做开关、切断阀使用。但是如果球阀设计不合理，就会出现阀杆断裂、手柄断裂、启闭卡阻、内漏等问题；因此有必要对球阀设计的要点作进一步的探讨和研究。

球阀的类别有很多，按照对外连接形式可以分为法兰球阀、焊接球阀、螺纹连接球阀、卡箍球阀等。这里主要讨论公称通径不大于DN100的螺纹连接球阀的结构设计要点。

1、球阀通用件的设计

球、阀杆、手柄等球阀通用件的设计优劣，直接影响着球阀的造型、使用性能和操作体验，由优质的通用件构建零件标准库，可以简化新产品开发工作，对项目管理意义重大。

（1）球的设计

球体的直径大小影响着球阀结构的紧凑性，所以球阀设计时应首先确定球体的大小，即确定球孔直径d和球体直径D。球阀通孔d等于相关标准规定的阀体通道直径。球体直径按D=（1.5～1.9）d计算，对小口径球阀D取相对大值，反之取较小值。为了保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后，须按下式校核： ，应满足D>Dmin，式中：Dmin——球体最小计算直径，D2——阀座密封面外径，d——球孔直径，D——球体实际直径。

密封夹角的设计和验算。球阀在关闭过程中，介质刚好被关断时至球阀完全关闭球体旋转所形成的夹角，称为密封夹角A，如图3所示。球阀标准EN13828规定：对于公称通径DN8～50的球阀，A最小6°；对于公称通径DN65～100球阀，A最小5°。在确定球体直径后，需对密封夹角进行设计和验算，验算公式：A=90°-arcsin[D3/D]-arccos（L6/D），式中：D——球体直径，D3——阀座密封面内径，L6——球体通孔两端面的距离。

球体结构的确定。由于自身重力作用，尤其大规格球体，长期使用后可能出现球体轻微的下移现象，导致球孔中心偏离阀体中心，球阀启闭时密封副圆周受力不均匀，容易磨损。所以，对于直径在40mm以上的球体，通常采用空心铸造结构，以降低球体本身的重量。

（2）阀杆的设计

球阀借助手柄在阀杆上端施加一定的转矩并传递给球体，使它旋转90°，完成全开或全关的动作[2]，可见阀杆承载着力矩传动的作用，在阀杆设计时要着重保证其强度性能。①应尽量保证各断面强度相当，避免出现过份薄弱断面。阀杆主要有两种结构形式。②阀杆凸肩部位的设计。为保证球阀在使用时阀杆不被冲出，阀杆凸肩直径需要大于阀杆直径，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，具体实际数值由球阀规格和结构而定，小规格球阀取较小数值，反之取较大数值。③阀杆插入球体的深度（即“L2-L1”），设计时既要考虑球体转动的灵活性，又要考虑球体转动的受力均匀性。球阀规格不同，阀杆阀球配合深度也不相同，小规格球阀一般要达到2.5mm以上，大规格球阀可以达到10mm以上。④另外，阀杆的材质、加工工艺对阀杆性能影响也很大。阀杆应尽量选用含铜量高的铜材（如HPb59-1、C37700等）或优质不锈钢，经去应力退火处理等，以保证阀杆足够的强度。

（3）手柄的设计

球阀通过手柄实现启闭动作，手柄的设计直接影响着操作者的体验。球阀在启闭过程中，预紧力始终作用在启闭密封副的摩擦面上，致使球阀启闭力矩大于其他类型的阀门 [3]。所以，设计手柄时要充分考虑球阀启闭手感。根据力矩公式MF=F·L，当力矩一定时，力与距离成反比。为了方便球阀启闭，在操作空间允许的条件下，要尽量选择较大的手柄长度和尽量便于握持的手柄高度。

手柄按形状主要分一字柄和T形柄，一字柄多为不锈钢材质，用于直通球阀、大规格球阀。一字柄结构简单，这里主要介绍一下T形柄的设计。T形柄一般为锌合金、铝合金材质，多用于角式球阀和公称通径不大于DN25的球阀。首先，T形柄的操作部位面积要大，即图6所示的K面，主要由尺寸L3、L4、h1构成，设计时根据球阀规格需重点优化这部分的尺寸比例。其次，T形柄操作部位外形过渡要圆滑，即R1、R2两个圆角，尽量避免尖锐棱角。第三，手柄档块长度L5，一部分与阀体档块配合，形成限位，同时剩余一部分高于阀体档位，便于球阀启闭的灵活性。为了兼顾球阀使用的灵活性和限位的可靠位，L5一般为5～7mm，其中限位部分的长度约占到2/3。第四，手柄档块厚度t不能太薄，为保险起见，根据手柄大小可取2.5～3.5mm。

3、压紧密封量的确定

球阀的内密封原理是，在阀体、阀盖压紧力作用下，阀座与球体压紧，并使阀座材料产生弹塑性变形而达到密封，其密封效果取决于阀座在流体压力或预紧力的作用下，能够补偿球体不圆度和表面微观不平度的程度，即密封面上所形成的密封比压需满足密封判别条件：qb≤q≤[q]，式中：q代表密封比压（单位：bar）；qb代表密封必需比压（bar）；[q]代表许用比压（bar）。由经验计算可知，满足密封必需比压要求，球阀阀座材料压缩量一般要大于0.6mm。从确保阀门密封的可靠性及延长其使用寿命的角度出发，密封压缩量应当大，但压紧密封量增大，会增大操作力矩[4]，不方便球阀的使用，实际球阀阀座材料压缩量通常取0.8～1.4mm。选取压紧密封量时，要综合考虑阀座材质硬度、球阀规格、手柄操作性等等因素，对于阀座材质硬度较高、球阀规格大、手柄不便受力的产品，压紧密封量应取较小值，反之取较大值。

总结：球阀设计时，需根据使用环境、球阀规格、阀座材质等因素，合理设计压紧密封量，优化阀球、阀杆、手柄的设计尺寸和性能，确保球阀优异的密封性和良好的操作使用性，提高开发产品的质量。

参考文献：

[1]张晓，余晓明，朱祥政，雷会玉，史明闯，球阀球体与阀杆一体化设计与分析[J]，机械制造，2014年1月，第52卷（第593期）：53-56

[2]曹平富，超低温浮动球阀密封结构设计[J]，中国高新技术企业，2015年（第26期）：26-27

[3]何常青，王军宁，一种新型低温球阀研究[J]，科技资讯，2013年（第16期）：71、73

[4]王建新，张清双，超低温球阀密封要素的分析[J]，阀门，2016年（第4期）：18-20