儀表閥門密封分析與計算

（浙江鋒源儀表有限公司，浙江富陽 311400）

目前儀表閥門被廣泛應用于化工、天然氣、醫療等各行各業的管道運輸中，它通常與儀器儀表進行配對使用。儀器儀表用于對系統中管道信號的讀取，儀表閥門是一種管路附件，主要是用來改變通路斷面和介質流動方向，控制輸送介質流動。而儀表閥門的密封性是指儀表閥門對于管道中運輸物質的阻斷能力，它是儀表閥門最基礎也是最重要的技術指標。而且隨著工業的不斷發展進步，各行各業對于儀表閥門密封性等綜合性的要求越來越高，不僅需要它的密封性很好，還需要它具有高安全性、高穩定性和經濟實惠。所以現在的制造企業會將儀表閥門進行集成小型化來使它的造價更便宜，同時使用更好的材料和設計來使儀表閥門的密封性更好更穩定，同時企業也在進行更多的研究和實驗計算，以求得到更加豐富的數據去進行儀表閥門密封性的研究[1-2]。

1.密封填料的受力分析

目前市場上的大部分儀表閥門填料密封結構都和圖1所示相差不大，它主要利用工作人員在進行填料螺母轉動的時候，使其作用力作用到密封填料上面，使填料被擠壓變形，從而消除填料與閥桿、填料函之間的間隙，以此來實現儀表閥門的密封。同時在填料被擠壓的這個過程中就產生了軸向應力和徑向應力，使得儀表閥門里面產生一定得密封比壓，通過這個密封比壓使閥門密封，是得密封性能更好，填料應力狀態如圖2所示。當企業生產過程中的加工工藝可以使得密封填料內外圓同心，通過仿真的分析可以得到以下的數據，填料在軸向應力P的作用下產生的徑向應力PX是非線性的，同時引入一個系數Y，使得計算中的PX/P=Y。當儀表在沒有受到任何外界沖擊和熱能等外界因素的影響時，這樣就不會產生其他的應力和能量損耗。在這樣的條件下，填料截面在受力平衡后，通過系統受力分析可得軸向應力和徑向應力隨著填料的長度而減小，見圖3。而儀表閥門在工作壓力范圍內，壓力越大，密封性能越好，使用就需要填料的長度不能太長。

圖1 儀表閥門填料密封示意圖

圖2 填料應力狀態圖

圖3 徑向應力示意圖

圖1中1是填料螺母，2是閥桿，3是密封填料，4是閥蓋，D1和D2分別是填料外徑和填料內徑。H是填料的軸向長度。P 是指軸向應力。f1是填料與填料函（閥蓋）的摩擦系數，f2是填料與閥桿的摩擦系數。

2.影響密封能力變化的因素

當我們給予密封填料一個初始的壓力的時候，起到密封作用的軸向應力和徑向應力會因為填料軸向長度的變成長而衰減，這樣就會導致填料密封能力的減弱，降低儀表閥門的密封能力。而且影響儀表閥門密封能力還有填料內徑和外徑大小、填料與填料函的摩擦因數、填料與閥桿的摩擦因數等因素有關。當填料與填料函的摩擦因數、填料與閥桿的摩擦因數增加以后，會使填料中的軸向應力和徑向應力降低，從而影響儀表的密封能力。并且因為填料外徑和填料內徑的比值是大于一的，因此填料與閥蓋的摩擦系數對于軸向應力和徑向應力的影響要明顯大于填料與閥桿的摩擦系數對于軸向應力和徑向應力的影響。當填料與閥蓋的摩擦系數大于填料與閥桿的摩擦系數的時候，填料外徑和填料內徑的比值越大，徑向應力降低得越快，這樣的情況下儀表閥門的密封性就會變得更差。當填料與閥蓋的摩擦系數小于填料與閥桿的摩擦系數的時候，填料外徑和填料內徑的比值越大，徑向應力降低得慢，對于儀表閥門的密封性更加有利。PX/P=Y中的Y值對于徑向應力的影響是矛盾的，在摩擦系數f1和f2以及填料外徑和填料內徑均在固定的設計值下的時候，要是徑向應力達到最大，就有一個最合適的Y值。但是在實際的生產過程中，填料外徑和填料內徑是由結構設計決定的，而填料與填料函（閥蓋）的摩擦系數于填料與閥桿的摩擦系數是由材料和加工工藝決定的，所以最佳的Y值是由填料的高度決定的。

3.填料尺寸的對比分析

由圖1所示的高壓儀表閥門的閥桿密封結構可以知道，這個閥門的密封填料采用的是碳纖維材料，這種材料有著很好的自潤滑性，可以大大的減小填料與填料函的摩擦因數、填料與閥桿的摩擦因數。并且閥蓋的填料函精加工、表面粗糙度達Ra0.4，閥桿采用硬化拋光處理、表面粗糙度可達 Ra0.2，我們取 f1=0.2、f2=0.1；填料設計外徑D1=12mm、內徑D2=8mm。為了分析，計算在不同填料高度H的情況下徑向應力PX的值。其中YG為每種規格的最佳Y值，YM和YN為給定Y值。為便于對比分析，取YM=YG-0.1，YN=YG+0.1。通過分析這個表格，可以發現不管設定的YM和YN是比YG大還是比它小，它的PXG依然大于PXM和PXN。只有當填料的Y值為最佳的YG時，我們才能得到最佳的軸向應力和徑向應力。所以企業在進行生產填料設計的時候應該選取最佳的Y值或者靠近Y值的數值，這樣才能得到最佳的壓力。填料的高度過高或者過低，對于儀表的密封性能都不好。而且當填料高度很高的時候，密封的面積就會變得更大。這樣的話，在閥門長期工作中，會加大閥門的操作扭矩以及疲勞磨損，由此會降低儀表閥門的使用壽命。而且因為填料使用的材料不同，它們的表面和閥桿的表面并不是百分之百光滑的，也會有不同程度的劃痕和損傷，這些缺陷在密封的表面分布散亂，如果填料高度太低，缺陷就可能會貫穿整個密封表面，從而產生泄露，所以我們在選擇填料高度的時候一定要注意，不能太大也不能太小。

4.結語

儀表閥門密封性的好壞是決定一個儀表閥門質量最重要的指標，而且現在儀表閥門被應用于各種各樣的企業生產中，它的質量越來越受到大家的重視。從文中可以得知儀表閥門密封性能的提高不僅僅需要填料結構尺寸合理安排，也需要密封副表面比較光滑，有較低的摩擦系數?，F在的加工工藝和新型材料的使用已經能夠基本保證密封副表面十分光滑，摩擦系數較小。但是目前對于填料尺寸的選擇，還沒有十分具體的標準，目前很多都是靠工作人員的經驗。在實際的閥門生產過程中，在不同的壓力下，公稱尺寸需要使用不同的填料尺寸，就算是一個閥門當它使用的是不同填料的時候，它所受到的軸向應力和徑向應力也是不同的，也需要不同的填料尺寸才能達到最佳的密封性能，所以在實際的生產過程中想要得到最佳的填料結構尺寸是很困難的。圖1所示的儀表閥門填料結構是可以補償式的密封結構，它可以在不進行閥門拆卸和不泄放介質壓力的前提下，通過再次將填料螺母的擰緊來補償因為填料受損和熱脹冷縮引起的閥門泄露，在一定的程度上降低密封性性能對填料尺寸的依賴。這樣的設計相比較平常的閥門設計更加有優勢。在以后的閥門設計過程中，應該先進行理論上的計算，在理論計算的基礎上。通過不斷創新、不斷生產實踐和驗證改進，最后才能得到更好的設計結構和更加合理的設計尺寸。