一種新型無摩擦球閥的設計

□ 雷永強 □ 韓致信,2 □ 馬春亮 □ 雒淑 □ 楊 博

1.蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

2.蘭州理工大學 溫州研究生分院 浙江溫州 325105

3.環球閥門有限公司 浙江溫州 325105

一種新型無摩擦球閥的設計

□ 雷永強1□ 韓致信1,2□ 馬春亮1□ 雒淑1□ 楊 博3

1.蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

2.蘭州理工大學 溫州研究生分院 浙江溫州 325105

3.環球閥門有限公司 浙江溫州 325105

球閥是一種新型閥門，不僅結構簡單，密封性能良好，而且在一定的公稱通徑范圍內體積較小、質量輕、材料耗用少、操作簡便，是近幾年發展速度最快的閥門品種之一。但隨著球閥的開關次數增加，球體與閥座表面會有不同程度的磨損，進而會使球閥的密封性能下降。介紹球閥的一種新型密封結構，該結構不僅可以實現球閥在啟閉過程中球體無摩擦轉動，還可以有效避免球體與閥座表面的磨損，而且能減小閥桿與執行元件所承載的扭矩，同時降低了對閥桿強度的要求。

球閥 密封 無摩擦 磨損

1 概述

球閥是上世紀50年代問世的一種新型閥門，由于其具有流體阻力小、可靠性高、啟閉速度快等優點，不僅在一般工業管道上，而且在核工業、宇航工業的液氧與液氫輸送管線中被普遍采用［1］。隨著工業化進程的加快，球閥產品現已被大量使用，這就對其產品質量和結構設計提出了更高的要求［3］。其中閥門的密封性能是衡量閥門質量最重要的指標，也是決定閥門壽命的主要因素［4-5］。閥門的密封分為硬密封和軟密封，當管道內流體或介質壓力較小、溫度較低時，可以采用軟密封；當管道內壓力較大、溫度較高時，采用硬密封［6-7］。無論是硬密封還是軟密封，隨著閥門開關次數的增多，密封面都有不同程度的磨損，為此提出了對其材料強度和加工精度的要求［8］。為了減少密封面的磨損，一般通過提高密封副材料的性能來提高密封面的耐磨性，或從減小閥座在閥門啟閉過程中與球體的接觸面積來降低磨損。目前，國內有一種閥桿上帶有凸輪的裝置，該球閥在球體轉動過程中連接在閥桿上的凸輪跟著一起轉動，進而利用凸輪推開閥座，實現球體與閥座密封副之間的啟閉［9］，這種結構是利用純機械式的推開，造成凸輪的磨損非?？?，而且對閥桿強度和硬度提出了高的要求［10］。筆者基于此裝置的理念提出了一種無摩擦球閥的新型結構，該球閥利用氣體來推開閥座，通過這種結構，不僅克服了球閥啟閉過程中的磨損，而且降低了對材料強度的要求。

2 無摩擦球閥的結構與工作原理

2.1 總體結構

無摩擦球閥主要由閥體、閥蓋、球體、閥桿、刮刀、閥座支撐圈、閥座、密封環、O型密封圈等組成,如圖1所示。該閥門采用側裝式、軟密封固定球球閥，球閥結構簡單、緊湊，便于拆卸、組裝、維修。閥門密封效果好，完全消除了球體轉動過程中球體密封面與閥座密封面之間的摩擦，大大提高了閥門的使用壽命。

2.2 球閥無摩擦原理

無摩擦球閥結構采用了氣動推開閥座裝置的形式,如圖1所示。

（1）當閥門由全開到關閉時，打開氣源接口1管路上的泄壓閥進行排氣，同時，打開氣源接口2管路上的進氣閥，向氣源接口2充氣，從而在密封環上形成活塞，使密封環帶動閥座向球體反方向移動，閥座密封面與球體密封面分離，轉動球體，使球體由全開轉到全關的位置（球體實現無摩擦轉動）；然后，打開氣源接口2管路上的泄壓閥進行排氣，同時，打開氣源接口1管路上的進氣閥，向氣源接口1充氣，從而在密封環上形成活塞，使密封環帶動閥座向球體方向移動，閥座密封面與球體密封面密封。

（2）當閥門由全關到開啟時，進排氣的順序與當閥門由全開到關閉時一致。

2.3 閥座運動過程受力分析

氣源壓力在推動閥座支撐圈帶動閥座偏向或偏離球體運動時，須克服閥座支撐圈運動過程與其接觸部件的摩擦阻力。當中腔有介質壓力時，阻力主要由O型密封圈的摩擦阻力和介質壓力組成；當中腔無介質壓力時，阻力主要來自于O型密封圈的摩擦阻力。

2.3.1 閥座推離球體時的受力分析

①當中腔無介質壓力、閥座推離球體時，閥座支撐圈所受的合力為：

式中：F0為4個O型密封圈總的摩擦力；F1為閥座推離球體時的氣源力，方向如圖1（b）所示；D2為進氣口的活塞內徑；D3為活塞外徑；P1為氣源壓力。

②當中腔有介質壓力、閥座推離球體時，閥座支撐圈所受的合力為：

式中：F2為閥座推離球體的介質力，方向如圖1（b）所示；D1為中腔活塞內徑；P為介質壓力。

無論中腔是否有介質壓力，要實現將閥座推離球體的運動，閥座支撐圈所受的合力F必須大于零。

2.3.2 閥座推向球體時的受力分析

①當中腔無介質壓力、閥座推向球體時，閥座支撐圈所受的合力為：

式中：F0為4個O型密封圈總的摩擦力，與圖1（b）所示方向相反；F3為閥座推向球體時的氣源力，方向如圖1（b）所示；D0為O型密封圈的密封直徑。

②當中腔有介質壓力、閥座推向球體時，閥座支撐圈所受的合力為：

同理，要實現將閥座推向球體的運動，無論中腔是否有介質壓力，閥座支撐圈所受的合力F必須大于零。

2.3.3 O型密封圈摩擦力的具體分析

O型密封圈總的摩擦阻力為：

式中：F01、F02、F03、F04分別代表4個O型密封圈的摩擦力。

以O型密封圈1的摩擦阻力F01為例來進行計算：

式中：bm為O型密封圈接觸寬度；Z為O型密封圈個數；f為橡膠O型密封圈的摩擦因數，一般取f= 0.4；QMFO為O型密封圈的密封比壓。

式中：P0為O型密封圈處的體腔內壓力。

其余3個O型密封圈的摩擦阻力計算方法和O型密封圈1的計算方法類似。

2.4 設計數據實例驗證

給定閥門公稱通徑DN=12"（1"=25.4 mm），公稱壓力PN=1 334.4 N,氣源壓力P1=0.8 MPa，介質壓力P=2.0 MPa，按照API-6D標準設計，取D0=330 mm，D1=313 mm，D2=390 mm，D3=500 mm，bm=0.9 mm，P0=0，Z=4來進行計算。

（1）假設中腔無介質壓力，數據代入式（2）、式（8）～式（10）可得,閥座推離球體時的氣源壓力F1=61 481.2 N；4個O型密封圈總的摩擦力F0=2 289 N；代入式（1）計算得閥座支撐圈所受合力F=59 192 N＞0，該運動過程可以實現。

（2）假設中腔有介質壓力，數據代入式（6）、式（4）可得,閥座推向球體時的氣源壓力F3=88 610.8 N；介質壓力F2=84 985.7 N；4個O型密封圈總摩擦力F0= 2 289 N；代入式（7）計算可得閥座支撐圈所受合力F= 1 336.1 N＞0,該運動過程亦可實現。由于篇幅原因，對于中腔有介質壓力推離球體和中腔無介質壓力推向球體兩過程不再羅列具體的計算數據。

3 結論

實例計算說明，通過推開閥座裝置的應用，在球體轉動過程中，閥座和球體可以有效地脫離，從而避免了閥門密封面和球體密封面之間的摩擦，起到了保護密封面的作用，不但提高了閥門的密封性能，減小了啟閉球閥的力矩，延長了閥門的使用壽命，而且有效降低了用戶的維護周期和成本，能夠更好地滿足用戶要求。

［1］張鎖龍，龐明軍，包鍵，等.大口徑球閥閥體設計［J］.農業機械學報，2006,37（2）:155-156.

［2］王新權.國外小型球閥的特點分析［J］.機械開發,1988（2）: 1-3.

［3］金成波.金屬密封球閥球體與閥桿接觸部位的優化設計［J］.閥門,2012（5）:30-33.

［4］王文霞，劉金美.燃氣閥門應用現狀及選型初探［J］.城市燃氣,2008（11）:19-21.

［5］吳尖斌.高壓球閥的結構設計［J］.閥門,2004（5）:4-6.

［6］王加新，印峰平，徐明華.球閥密封結構的分析及研究［J］.閥門,2000（6）:29-32.

［7］胡兆華，劉強.一種高壓球閥閥桿的密封設計改進［J］.液壓氣動與密封,2014（6）:76-77.

［8］葉惠軍.O型密封圈結構設計及相關問題探討［J］.液壓氣動與密封,2013（6）:63-64.

［9］張鎖龍,何云松，裴峻峰，等.大口徑球閥的結構設計和強度計算［J］.江蘇工業學院學報，2004,16（4）:36-39.

［10］謝清程.帶凸輪軟密封的高壓球閥設計［J］.機電設備,2003（3）:6-7.

（編輯 平 平）

TH122

A

1000-4998（2015）10-0041-03

2015年4月