衬套旋塞阀开关力矩的影响因素及计算研究

2020-03-02周长宝

机械工程师 2020年2期

周长宝

（安策阀门（太仓）有限公司，江苏太仓215400）

0 引言

衬套旋塞阀的开关力矩的不稳定一直是旋塞阀生产企业的难点，阀门转矩过大频繁发生。最终导致阀门无法开启，只能更换转矩更大的执行机构。使得成本增加，而且给产品的生产周期带来影响。问题反复出现的频率极高，很难有效控制。为此本文分析了衬套旋塞阀开关力矩的主要影响因素和计算方法。

1 衬套旋塞阀整体结构

旋塞阀是使用较早的一种阀门，通过旋转90°使旋塞上的通道口与阀体上的通道口分开，实现阀门的开启和关闭。适用于作为切断和接通介质及分流使用，用带通孔的旋塞作为启闭件的阀门，旋塞旋转90°可以实现启闭动作。旋塞多为圆锥体，与阀体的圆锥面配合形成密封副，其结构简单，开关迅速，流体阻力小[1]。但由于衬套旋塞阀是依靠精加工后的旋塞与阀体之间直接接触来实现密封，因此旋塞阀开关力矩较大。衬套旋塞阀的整体结构如图1所示。

图1 衬套旋塞阀

2 开关力矩影响因素

衬套旋塞阀的开关力矩不稳定是实际生产中频繁发生的现象，产品的实际开关力矩与计算力矩不吻合，影响产品性能、使用寿命及产品供货期等，因此有必要对旋塞阀开关力矩的主要影响因素做细致的分析。

2.1 衬套材料

内衬旋塞阀的常用衬套材料主要有PTFE[2]、UHMWPE等。不同的衬套材料主要化学成分不同，性能会有差别。每种材料的压缩强度会有较大的区别。旋塞阀的旋塞材料一般是金属，而衬套相当于阀座，它与旋塞过盈配合来实现密封，在旋塞安装的过程中，一般衬套的厚度被压缩20%～30%之间，来实现旋塞与衬套间的密封。金属旋塞与非金属衬套之间的压缩量一般是固定的，非金属衬套材料本身的摩擦因数及材料本身的伸长比等物理性能都会影响到旋塞与衬套之间的压缩强度。依据胡克定律，摩擦力等于摩擦因数与正压力的乘积，即f=kN,压缩强度N越大，衬套与旋塞之间的摩擦力f就会增大。

图2 PTFE试件的压缩变形与压缩强度的关系曲线

图3 UHMWPE试件的压缩变形与压缩强度的关系曲线

通过5种不同的试样，通过试验的方法，获得PTFE以及UHMWPE两种材料的压缩强度曲线[3]，如图2、图3所示。从图中可以看出，在相同的变形量下，PTFE的压缩强度要明显小于UHMWPE，因此对于其他影响因素相同的情况下，使用UHMPWE衬套的旋塞阀的开关转矩会明显大于使用PTFE衬套的旋塞阀。

2.2 旋塞材料

大多数旋塞阀的旋塞都是选用金属材料，但是个别需要超高耐腐蚀性（介质是强酸或者强碱）的阀门要求旋塞材料是非金属，以避免阀门的金属部分与介质直接接触。因此，旋塞的材料有时会选用金属铁芯外包非金属材料，一般是PFA或者PTFE。在选择旋塞材料时，避免旋塞的材料与衬套的材料一致，同种材料的旋塞和衬套，在它们之间的压缩强度的作用下及介质温度较高的情况下，材料之间会更容易产生扩散和互溶，从而使得阀门开关需要很大的转矩来完成。

2.3 密封副表面粗糙度

衬套旋塞阀的密封副是衬套和旋塞，衬套和旋塞的表面越光滑，则阀门的密封越可靠，阀门的开关力矩就会越小。因此尽量保证密封副表面光滑，阀门的开关力矩才能降低。摩擦因数的大小对力矩的影响是成倍变化。一般可以采取衬套涂抹油脂的方式来实现降低摩擦因数，来实现降低转矩[4]。另外一种方法是通过机械加工来提高工件表面粗糙度。可以通过提高机床转速，减小进给量和背吃刀量，保证车刀的刀尖锋利，一次装夹完成机械加工，选取适合的车刀加工每一个密封面。

2.4 密封副尺寸

旋塞尺寸与阀体中腔尺寸的变化会造成阀门开关转矩的不稳定，和计算值偏差较大。鉴于旋塞阀结构的特殊性，旋塞阀的阀体一般采用铸造的方式，而且阀体内腔很难机加工。内腔的尺寸或者旋塞的外径尺寸偏差都会影响到衬套的实际压缩量，因此衬套的压缩强度就会不同。压缩强度与转矩值成正比关系，直接影响转矩的大小。

2.5 衬套厚度

衬套的压缩比大小，会影响到旋塞与衬套之间的摩擦力大小，从而引起阀门的开关转矩的变化。对于同一个阀门，衬套越厚，装配到阀门上之后，衬套的压缩比就越大，衬套的压缩强度就会增加。从图1或图2的曲线可以看到，材料的压缩变形量增大，衬套的压缩强度就会随之增加。衬套与旋塞间的压力增大，摩擦力增大，阀门的开关转矩会随衬套与旋塞间的压力增大而成倍增大。