双偏心球阀启闭角设计对阀门性能的研究

张军明 王玲

摘要：通过引入双偏心球阀启闭角理论，阐述启闭角取值对阀门使用性能、密封性能和使用寿命的影响，并通过建立计算机辅助设计模型，采用计算机优化启闭角设计。

Abstract： By introducing the theory of opening and closing angle of double eccentric ball valve， this paper expounds the influence of opening and closing angle value on the service performance， sealing performance and service life of the valve， and optimizes the design of opening and closing angle by establishing the computer-aided design model.

关键词：双偏心球阀[1];程控阀;双偏心阀;启闭角度

Key words： double eccentric ball valve;program control valve;double eccentric valve;opening and closing angle

0  引言

双偏心球阀[5]是在O型球阀的基础上发展起来的一种阀门结构。它不仅解决了O型球阀体积大、笨重等问题（相同口径和压力等级），而且还可以当作调节阀使用，具有切断和调节双重功能。从实际运用的适用范围来看，双偏心球阀在结晶、结焦及需要频繁动作场合，具有比O型球阀更好的使用效果和使用寿命。因特殊的双偏心设计，使阀门在开启或者关闭到很小的角度时（一般被设计为小于1.5°），阀芯与阀座[2]就脱开（开阀）或贴合（关阀）运动，将阀芯与阀座的相对摩擦磨损降低到最低[4]。

通过生产实践，我们发现双偏心球阀的密封性能和耐磨损性能与阀门启闭角有着密切关系，启闭角越大，阀门密封性能和耐磨性能越好，但是不利的一面是增加了阀门的不平衡力矩。

1  启闭角理论及计算方法

1.1 启闭角的定义

在垂直于双偏心球阀旋转轴的截面上，阀门密封线任一点的旋转切线方向和此点在阀座上切线的夹角（如图1所示），称为启闭角。根据几何关系可知：阀座上过M点的半径连线和阀板上过M点的半径连线形成的夹角（旋转中心与阀座正圆夹角）相等。

1.2 启闭角计算方法（任一垂直于旋转轴截面的几何关系如图2所示）

根据启闭角原理简化的物理模型，在Y轴正方向的启闭角与图2所示的β角相等;在Y轴负方向的启闭角与图2所示的γ角相等。故，启闭角可转换为求β、γ角，即只需求解即可。

式中，L值是与Z值相关的设计给定值，表示在Z轴方向上不同垂直截面下，阀板密封面上两端点的距离。

2  计算机辅助启闭角优化

式（3）和式（4）式虽然给出了启闭角的理论计算公式，但是作为密封面上每个点来说都是不定值，完全由人工来计算显得非常繁杂。重复繁杂的计算过程可以利用计算机来完成。在设计参数给定的条件下，设定好边界值和计算精度，计算机就可以快速的计算出密封面上所有点的启闭角度，并且找到最小的启闭角度值。

3  启闭角与阀门性能的关系

通过我公司多年的生产实践与阀门实际运用效果。我们发现，阀门阀芯旋转切入角度（启闭角）与介质工况有着密切的联系。旋转切入角度（启闭角）越大，密封效果越好，使用寿命越长，但是也带来了输出力矩[3]增大这一不利因素。另外在结晶与结晶需要频繁动作的工况场合，因具有颗粒物物质的影响，通常状态下切入角度以较大为宜。

①启闭角越大，阀门在关闭时阀座与阀板接触及产生相对滑动位移越小，产生的机械摩擦磨损越小，有利于从结构设计上来延长阀门的使用寿命。②启闭角越大，阀板与阀座的挤压角度越大，执行机构输出的有效密封比压越大，更有利于提高阀门的密封性能。③启闭角越大，阀座与阀板未接触间隙越大，给一些小的颗粒预留了足够的活动空间，降低了颗粒物划伤密封的可能性。④启闭角度越大，阀门在开启时阀板与阀座脱开角度越小，大大降低了开启摩擦磨损。⑤启闭角增大，阀门启闭力矩也随之增大，在选择设計的启闭角时，一定要综合考虑阀门力矩的关系，以角度与力矩相匹配为宜。根据生产实践，启闭角度以不小于2°为宜。

4  阀门在实际工况中的运用

图3是某公司相同工况下O型球阀与双偏心球阀检修的实物对比图。

从图3可知，双偏心球阀的密封面光洁如初，基本没有什么磨损和较明显的划痕存在，阀门还可以免修下继续使用。而O型球阀却存在很明显的，且较深的磨损痕迹，阀门必须维修后方可继续使用。从实际运行寿命来看，双偏心球阀的使用寿命是O型球阀的2.67倍。而且双偏心球阀具有体积小，重量轻等特点，相同口径下仅为O型球阀的40%的重量，便于安装、维护和检修。

为什么双偏心球阀具有比O型球阀更好的使用效果，而且还可以用作调节阀使用。分析其结构因素如下：①双偏心结构设计，使阀座与阀芯脱开运动。在启闭到很小的角度前，阀芯与阀座完全没有摩擦干涉，有效地保护了密封面的完整和光滑。只有在关闭到一个很小的角度下（小于1.5°），阀芯和阀座才有一个很小的相对接触滑动摩擦。此种结构设计将阀门自身摩擦磨损降低至最低。阀门使用寿命得到大大的提高。而O型球阀在整个启闭过程中阀芯与阀座一直贴合摩擦，阀门压差越大，摩擦力越大，结构设计使自身摩擦磨损非常严重。②双偏心球阀具有优化的启闭角度设计，阀门在关闭的一瞬间，阀芯旋转切入角度是球阀的2倍以上，有效缓解了颗粒物对阀门的卡阻和摩擦磨损。所以偏心球阀在结晶、结焦工况下比球阀具有更好的使用效果。③双偏心球阀能够用作调节阀使用，是因为阀门在启闭后，阀座与阀芯完全脱开，没有中间半接触位置，不会造成阀座发生冷流现象。而O型球阀，因阀座与阀芯一直接触，如用作调节工况，存在阀芯与阀座半接触位置，如果一直保持一个位置，阀座在机械压力作用下，容易发生冷流现象，造成阀座损坏。如果是软阀座，这种冷流现象更加明显。

5  结束语

双偏心球阀从结构理论和实际使用上具有比O型球阀更加优异的使用效果和更大的使用范围。双偏心球阀启闭角设计就显得尤为重要，设计时，应尽量加大阀门启闭角度设计，角度越大越有利于提高阀门的使用、密封性能和延长阀门的使用寿命。如果取值不合理或者匹配关系没有达到最优指标，启闭角度偏小，都会使双偏心球阀的使用寿命及性能大打折扣。

参考文献：

[1]张鸽.双偏心半球阀密封结构的改进[J].科技信息，2012，24：424.

[2]孙艳梅，薛昌刚.双偏心阀座软密封蝶阀和陶瓷球阀的应用[J].人造纤维，2012，003：27-28.

[3]余得水，张爱平.双偏心金属密封球阀的设计[J].阀门，2015，1：5-6.

[4]华剑，胡磊，李美求，宋云逸.金属陶瓷硬密封双偏心半球阀密封性能分析[J].机械设计与制造，2017，2：243-245，249.

[5]郭风忠.双偏心半球阀[J].阀门，2010：42-43.