固定球阀力矩计算的探讨

何顺高 杨孝均 袁 伟 韩泽海

四川德维阀门有限公司 四川自贡 643000

1 概述

随着现代工业的高速发展，阀门作为工业过程控制的重要组成设备。精良的设备，先进的制造工艺，大大提高了零部件的表面粗糙度，低扭矩、转动灵活，密封可靠的阀门越来越受到重视。在球阀设计过程中力矩控制已作为一项至关重要的技术指标。球阀力矩计算的准确性对阀门结构设计、性能分析、材料选用、执行器选用等方面的影响都比较大。

球阀的开启或关闭，是通过驱动阀杆，从而带动球体的旋转得以实现。驱动阀杆所需克服力矩主要由以下几部分组成：(1)阀座密封面与球体表面的摩擦力矩；(2)滑动轴承与阀杆的摩擦力矩；(3)止推垫与阀杆的摩擦力矩；(4)O形圈与阀杆的摩擦力矩；(5)填料与阀杆的摩擦力矩。

阀门在启闭过程中，所需要的启闭力和启闭力矩是变化的，其最大值是在关闭的最终瞬时和开启的最初瞬时。有些特殊工况还对阀门启闭过程中的速度有特殊要求。为了方便受力分析及研究，本文以阀门开启瞬时为例，做受力分析及推导演算过程。

本文重点分析阀座密封面与球体表面之间的摩擦力矩，因不同的受力分析方法，会产生较大的计算差异。本文采用两种不同的方法对阀座密封面与球体表面的摩擦转矩进行分析、推演，提出了新的符合阀门实际条件的计算公式。

2 工作原理

球阀球体支撑固定方式有：球体为上下轴固定支撑，球体为压盖法兰与固定轴支撑，球体为支撑板支撑。与阀杆接触部位安装滑动轴承和推力轴承，阀座密封圈安装在具有活塞效应的阀座支撑圈内，阀座支撑圈径向安装槽内安装有O型圈形成阀体与阀座支撑圈的密封。阀座支撑圈后面安装预紧弹簧提供弹簧力使阀座压向球体形成初始预紧密封。阀门关闭，进口端介质力作用在阀座支撑圈外径与阀座密封面内径形成环状面积上，使阀座密封圈与球体表面紧贴压紧形成密封。

3 力矩分析说明

球阀总力矩由多个相关部件的摩擦转矩组成，本文仅对阀座密封面与球体表面之间的摩擦力矩进行受力分析、推演验算，并提出新的计算公式，其余组成部分力矩计算按参考文献计算公式。

为了实现球阀密封获得最佳的密封效果，同时又能获得较低的摩擦转矩，保证密封所需作用力为预紧弹簧推力与阀座支撑圈上安装的O型圈与阀体间的摩擦力之差。本文简化计算，忽略了阀座支撑圈上O型圈与阀体间摩擦力的计算，假设密封所需作用力为弹簧预紧力。

这里提出了两种不同思路的受力分析、推演，并提出新的计算公式，相互验证得以证明该受力分析过程是正确的，是确实可行的。

4 阀座密封面与球体间摩擦力矩受力分析与计算

4.1 阀座密封面与球体间摩擦力矩的计算方法(一)(粗略计算法)

一个物体在另一个物体表面发生滑动时，接触面间产生阻碍它们相对运动的摩擦，称为滑动摩擦。滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度的大小和压力大小有关，压力越大，物体接触面越粗糙，产生的滑动摩擦力就越大。滑动摩擦力大小与物体运动的快慢无关，与物体间接触面积大小无关。所以当阀座密封面与球体摩擦时，与接触面积大小无关。计算摩擦力时可仅考虑作用在其上力的大小与摩擦系数的大小。

本方法为了计算简便，对阀座作用于球体上的力不进行力的分解，假设其为作用于球体面是均匀分布、正向压力。其作用力为介质作用力和最小密封比压所需的作用力(本文假设为弹簧预紧力)之和，二力和用Q表示。Q通过阀座作用在球体上，实现阀座与球体间的密封。当开启或关闭阀门时转动球体，此时球体表面与阀座密封面间将产生摩擦力矩，摩擦力矩等于摩擦力与力臂的乘积，摩擦力等于作用在球体上的力Q与密封面摩擦系数f的乘积；摩擦力的方向与接触面相切，因此得出如下计算公式推导过程：

球体与阀座密封面的摩擦转矩MM(N.mm)：

MM=Qfr

(1)

介质及弹簧预压作用于球体的力Q(N)：

Q=2QYJ+QMJ

(2)

阀座承受的介质作用力QMJ(N)：

(3)

进、出口端均受弹簧预紧力的作用，弹簧预紧力QYJ(N)：

(4)

qmin——预紧所必需的最小比压，qmin=0.1P(MPa)，且应保证大等于2MPa。

摩擦半径r(mm)：

(5)

式中：f——球体与阀座之间的摩擦系数；

R——球体半径(mm)；

α——阀座与球体密封处与通道中心的夹角；

DHJ——阀座O型圈外径(mm)；

DMN——阀座密封面内径(mm)；

P——流体压力(MPa)；

DMW——阀座密封面外径(mm)。

综合以上公式(1)至(5)，得出以下公式：

(6)

4.2 阀座密封面与球体间摩擦力矩的计算方法(二)(力的分解法)

本方法采用力的分解法，介质作用力和弹簧预紧力的合力Q直接共同作用在阀座上(见图1和图2)，因为Q为主动力，作用在球面上时，分解为两个力，一个是指向圆心的径向力NMJ，一个是切向力NMF。切向力NMF乘摩擦系数即为切向的摩擦力，切向摩擦力乘以摩擦半径r即为切向摩擦力矩M1。径向力对球体产生的力矩计算，需对径向力进行分解，一个是沿水平方向X轴的力，此力力臂为0，其力矩计算为0，所以沿水平方向X轴的力不予计算；另一个是垂直于水平方向X轴的力NMN，此力大小作用在球体上的半径为r1，从而可计算出球体与阀座密封面在径向方向的摩擦力矩M2。综合M1和M2即可得阀座密封面与球体间的摩擦力矩MM。整个计算过程如下：

球体与阀座密封面的总摩擦转矩M(N.mm)：

MM=M1+M2

(7)

球体与阀座密封面在切向方向的摩擦力矩M1(N.mm)：

M1=NMFfr

(8)

球体与阀座密封面在径向方向的摩擦力矩M2(N.mm)：

M2=NMNfr1

(9)

球体承受的介质及弹簧预压共同作用的切向力NMF(N)：

NMF=Qsinα

(10)

球体承受的介质及弹簧预压共同作用的径向力在垂直方向Y轴上的分力(N)：

NMN=NMJsinα

(11)

球体承受的介质及弹簧预压共同作用的径向压力(N)：

NMJ=Qcosα

(12)

径向力在Y轴上的分力所作用的摩擦半径r1(mm)：

r1=rcosα

(13)

综合公式(7)到(13)，可得以下摩擦力矩计算公式：

(14)

式中计算所需数据与计算方法(一)中的数据相同。

图1 球阀密封结构

图2 球体在密封面处受力近似分析图

5 总力矩的计算

5.1 驱动阀杆的总力矩

M=MM+MC+MU+MO+MT

(15)

5.2 阀座密封面与球体间的摩擦力矩

MM结果见上文的公式(6)或公式(14)。

5.3 滑动轴承的摩擦力矩(参照参考文献[1])

(16)

5.4 止推垫的摩擦力矩(参照参考文献[1])

(17)

5.5 O形圈摩擦力矩(参照参考文献[1])

(18)

5.6 阀杆与填料的摩擦力矩(参照参考文献[1])

MT=0.6πμTdT2PH

(19)

6 计算数据对比

现在以NPS8-CLASS600，NPS4-CLASS300，NPS10-CLASS 1500的固定球阀为例，分别采用文献[1]、文献[2]中的公式及本文提及的公式分别计算，并根据型式实验得出下表的对比数据表。

计算数据与相关数据对比表

结语

通过以上对比表数据显示，球阀阀座密封面与球体表面间的摩擦力矩计算误差较大，其主要原因在于对阀门密封面受力分析、推演及计算方法上存在不同的认识出现的偏差。本文通过对阀座密封面与球体表面摩擦力矩的重新推演、验证，得出了新的计算公式。其结果可以满足阀门执行器的选型及作为阀门设计的一项重要指标。希望同行技术人员提出合理的意见和建议，不断提高阀门性能，获得更好的经济效益。