由摩擦力矩公式研究球阀设计及质量控制

杨熙翀 ，吴玉良 ，陈坚 ，曹小红

（1.浙江永盛科技股份有限公司，杭州 311400；2.温州富技阀门有限公司，浙江 永嘉 325000；3.高特自控阀门有限公司，浙江 永嘉 325000；4.新疆昌吉特变能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

0 引言

球阀零件较多，各零件的强度、刚度及相互配合精度关乎整机综合性能的优劣，在设计阶段考虑的因素有很多，如阀体强度、球体刚度、阀杆强度及刚度等。球阀阀杆设计时，需计算球阀的驱动力矩，驱动力矩的组合项中，球体与阀座摩擦力矩是核心。

1 球体与阀座摩擦力矩计算公式

球体与阀座摩擦力矩公式如式（1）～式（3）所示，参数含义如图1所示。

图1 球阀结构示意图

式中：M为球体与阀座间的摩擦力矩，N·m；F为球体与阀座间的摩擦力，N；r为球体与阀座间的当量摩擦半径，m；Q为介质压力作用于阀座密封上的力（方向与流体方向一 致），N；μ为球体与阀座间的摩擦因数；α为阀座密封面法向与流道中心线夹角；R为球体半径，m。

2 球体与阀座间摩擦力矩公式工程解读

由上述公式可知，M的主要影响因素有R、μ、介质压力P、d、d1及D。为减小M的值，可缩小球体半径R以减小当量摩擦半径r；降低摩擦力F，而F的大小与球体表面与阀座表面的摩擦因数μ、介质压力P及阀座直径d1（对于固定球阀是D、d）相关。

球体半径R不只是阀门公称通径的尺寸函数，R值是否可减小，需要复杂的计算，一般工程应用可参考文献[1]中数值。球体材料采用奥氏体不锈钢、高压应用时，后文讨论。

文献[2]对球体与阀座间摩擦因数μ有详细论述，在现有加工条件下，无论软密封球阀还是硬密封球阀，密封副表面粗糙度越小，对摩擦因数降低越有益，故尽可能降低表面粗糙度，要求达到镜面水平。

介质压力P作用在阀座直径上产生力Q，由于介质压力P是定值，所以Q的大小取决于阀座直径，尤其在管线球阀中，阀座外径D太小，DIB试验时阀座发生过量变形导致泄漏；另外，d1太小，球体与阀座密封副之间压强升高，增加球体在此处的变形，进而影响摩擦力矩、阀门密封性能及寿命等。

3 球体与阀座的设计、工艺注意事项

3.1 球体的设计

如图1所示，球体直径Db=f(d、P、E、σs)，式中：d为产品标准规定的最小流道尺寸；P为介质压力；E为球体材料弹性模量；σs为球体材料屈服强度。

做一个Db=52、d=25、dm=30的球体，用有限单元法对球体直径进行计算，施加介质压力45 MPa，分别采用碳钢（Ec=2.02×105MPa）、不锈钢（Es=1.95×105MPa），变形云图如图2所示。在密封中径为dm=30的圆上，碳钢球体的最大变形值为0.019 338 mm、最小变形值为0.018 872 mm、相对变形值为0.000 466 mm；不锈钢球体的最大变形值为0.019 954 mm、最小变形值为0.019 471 mm、相对变形值为0.000 483 mm。可见，在相同几何尺寸、相同受力情况时，弹性模量降低3.47%，球体的相对变形值增大3.65%。

图2 球体变形云图

本算例中球体是理想球体，没有进行其他结构方面的设计，如浮动球球体铣驱动槽、固定球球体加工上下轴孔或枢轴，这些结构将会对球体刚度削弱。所以，对无成功工程应用经验的球阀，需对球体结构、尺寸须进行优化设计后方可用于工程中。

另外，密封面宽度不宜过窄。对于软密封球阀，虽然阀座使用弹性极大的高分子材料，如工程塑料、尼龙、聚四氟乙烯等，但不可将其宽度缩减过小，因为阀门在开启过程中，高分子材料阀座在球体流道口发生挤压变形，变形量过大会刮伤甚至切断高分子材质阀座。对于硬密封球阀，密封面宽度过窄，在球体对应表面变形增大，开关过程中，阀座出现“爬坡过坎”现象，强制刮擦密封副，轻则导致球体、阀座表面擦伤（在球面3点、9点水平线上下一定宽度范围内且3点或9点附近处最严重，而后逐渐减轻），增加阀门转矩、出现泄漏，严重时撕裂涂层，使球体与阀座异常卡滞甚至扭变形、扭断阀杆。

图3（a）是国外某公司硬密封球阀阀座，可见密封面极宽。图3（b）为国内某厂家生产的球体、阀座在未安装前已产生良好的吸附态。

图3 球体与阀座设计案例

3.2 球体的定位

如图1所示，对于浮动球球阀球体，需对沿x、z轴平动和x、y轴转动加以限制，只保留沿y轴平动和z轴的转动。所以，浮动球球阀的两个阀座对球体x轴和z轴的平动进行限制，由此可知该阀座需要承担球体的自重，故软密封浮动球球阀口径不能过大，否则球体自重对高分子材料阀座会产生极大的偏置压缩而损坏。对于硬密封，阀座密封面极宽，一方面是承受球体自重，另一方面是为了降低对球体的挤压变形，从而延长喷涂层寿命并且在一定范围内降低阀门转矩。

对于固定球球阀的球体，须将沿x、y、z轴的平动和x、y轴的转动加以限制，只保留沿z轴的转动。此时，从对球体自由度限制方式出发，产生了上下穿轴和支撑板两种结构，这对球阀各零件的加工人员素质、机加工装备、工艺及过程质量控制手段有很高的要求，一般要求零件精度控制在±0.05 mm以内。

3.3 阀座的设计

球阀阀座也是关乎球阀质量优劣的重要零件。对于浮动软密封球阀来说，有图4所示3种常见结构形式。

图4 常见阀座结构形式

图4（a）所示阀座，阀门初始密封靠球体对软质阀座的强行挤压实现，其缺点如下：1）开关过程中在球口刮擦、切割阀座，密封性能随着时间的推移变差，降低阀门寿命；2）高分子材料热胀系数大于金属，会出现高温天气装配调试好的阀门，在寒冷季节泄漏，或寒冷季节装配调试好的阀门在高温天气或高温工况开关不畅；3）不满足API 608中规定的中腔不积压要求。

图4（b）所示阀座较好地改善了填塞式阀座的缺点，阀门的密封可靠性、转矩稳定性得到了极大的保证，但由于挠性预压缩变形蓄能，阀门开启时，阀座唇口与球体通道口发生一定程度的刮擦，如设计不当、长时间运行和高分子材料蠕变会发生阀座“切割”卡坏现象，所以该结构的阀座设计及使用要满足API 608中规定的“PTFE和RPTFE温度压力额定值”的规定。

图4（c）所示阀座吸取前两类阀座的不足，将阀座装入阀体中，产生一定量的弓起蓄能，当与球面接触并装配后，球面压缩阀座表面，使阀座与球体吻合产生大的接触面，降低密封比压，并提高阀门密封能力，减小摩擦，提高阀门寿命，该阀座结构常见于过程工业中的高频动作程控阀。

另外，对于高分子材料制成的阀座，在浮动球球阀的设计中，一定要注意球体与阀座间和阀座与阀体间密封比压的关系，优秀的设计是阀座与阀体间比压远大于阀座与球体间比压。

加工球阀阀座时尤其要注意高分子材料的几个特性：1）高分子材料的成型工艺多为粉末烧结，所以成型后的零件有很大的残余应力，在采取机加工方法获得预期形状、尺寸时，一定要采用合适方式消除烧结成型过程中的残余应力，一般采用水淬工艺；2）高分子材料的导热性能极差，在采用机加工方式获得所需形状、尺寸的时候，一定要注意刀具切削刃形状、角度，保持锋利，且切削速度不宜过快并有效冷却，否则切削刃温度过高会烫伤加工表面，降低密封面质量，需要大的预紧力实现密封效果，国外厂家一般采用模压成型，不采用机加工方式获得阀座；3）高分子材料的刚度、强度差，在机加工过程中，装夹方式和装夹力要合适，不能有大的和不均匀的变形，另外，粗加工、半精加工、精加工要分序，以降低残余应力及变形，保证阀座的形状公差。

对于固定式球阀的阀座，如果是服役于长输管道，按照API 6D的要求需要DIB功能时，阀座的设计要考虑外压下的失稳，可参考文献[6]校核阀座压应力。

3.4 阀座的安装

对于软密封浮动球球阀来说，在高分子材料制成的阀座与阀体安装时，一定要注意径向泄压槽的设计，否则会发生介质压力推动上游阀座在开关过程中进入球体流道口，产生剪切阀座现象。

对于金属密封浮动球球阀，目前国内注重机加工工艺、过程质量控制的厂商生产的球体、阀座之间的密封已不是难题，在图3（b）所示工况环境条件下能实现严密密封，而阀座与阀体间的密封需要重点关注和进一步研究。

对于固定球球阀，阀座与阀体之间一定要留有既能严格密封、又能灵活浮动的间隙，这样方能提高球阀的综合性能。

4 球阀主要零件的质量控制要点

从以上分析可知，球阀的主要零件的质量控制要点如下：

1）金属材料的理化性能、金相组织及热处理工艺需要严格控制，这些质量控制点影响球体、阀座等零件的物性参数，否则尺寸、形位公差和表面粗糙度达到加工要求的零件在后续使用中达不到设计预期。

2）对高分子材料要建立健全检测手段，对物理性能，如密度、拉伸率、拉伸强度进行检测，建立高分子材料的热处理设备及工艺规程并严格执行。

3）对主要零件的加工工艺，如球体的加工，应采用“展成摆动式”工艺方法，防止球体被加工成橄榄球形；金属硬密封球阀阀座的凹球面加工，可采用图5（a）所示的加工装备保证。

4）球体与阀座精密加工完成后，须进行配对精密研磨，研磨方式可用如图5（b）所示装备，使配对精研过程与阀门实际开关动作一致。

图5 加工设备

5）球体、阀座表面要达到镜面，另外，对于球体的圆度，一般金属密封球体4 in及以下口径圆度不超过5μm，4 in以上口径圆度不超过0.01 mm，软密封球体圆度可适当放大，但不超过0.02 mm为宜。

6）球体圆度检测不宜使用三坐标测量仪，原因如下：a.不具有在线实时监测能力，只能在零件加工完成从机床卸下后判断是否超差；b.三坐标测量球体圆度用数学插值法，测量数据是数学运算后的结果，与真实结果有出入。

7）注重工装夹具设计、制造及质量控制，在工装夹具制作过程中，可使用三坐标测量仪对工装夹具的相对位置公差进行严格控制，来保证球阀零件的加工准确度。

8）阀座形状公差控制，无论是浮动球阀还是固定球阀的阀座，阀座本身的圆度极其重要，如阀座不圆，在后期的装配环节中就要加大预紧力，强制使阀座与球体或阀座与阀体吻合，这样，虽可暂获良好密封，但是增大阀门转矩、牺牲阀门使用寿命。

9）控制球体本身及与之相关零件的位置公差，如固定球球体上下轴孔或枢轴的同心度、轴孔或枢轴与球体密封表面的同心度、浮动球球体的驱动槽与球体中心的对称度等；另外，如上下穿轴式固定球球阀的阀体上、下轴孔同心度、支撑板结构固定球球阀左右阀盖销钉孔位置度等，这些位置公差对后期阀门的密封性能、转矩影响巨大，在加工过程中需要着重注意并控制。

10）对于球体、阀座的表面处理工艺的控制，无论是电/化学镀、冷喷、热喷还是堆焊处理，均需在一定的温度下进行，对各种表面处理的温度需要进行综合评估，尤其是热喷及重熔工艺，在这类表面处理工艺中，由于温度较高，对基体材料的热影响极大，需要进行合理有效控制，在后续使用中方可防止应力释放造成无规律变形引起的各类故障。

5 结语

产品的综合性能及成本在设计阶段就已经定型，所以性能优越的球阀，在设计阶段需要对零件的尺寸公差、形状公差、位置公差、表面粗糙度、材料理化性能进行合理规定，并对加工过程中装备、工艺、工装夹具进行高质量设计；在原材料获取阶段对各理化性能严格控制；加工过程中严格遵守加工工艺规程要求，及时有效实施在线检测。只有这样方可获得预期质量要求的产品，而对零件的材料用量、理化性能要求，需要综合度量，不可贸然以降低成本之名义过分缩减而造成不可控的质量缺陷，反而增加产品生产制造成本。