球閥被廣泛的應(yīng)用在石油煉制、長(zhǎng)輸管線、化工、造紙、制藥、水利、電力、市政、鋼鐵等行業(yè)，流體阻力小，全通徑的球閥基本沒有流阻，緊密可靠，但球閥的啟閉扭矩是反映球閥性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，它是指閥門開啟或關(guān)閉所必須施加的作用力或力矩，是閥門在介質(zhì)壓力作用下動(dòng)作的一項(xiàng)綜合技術(shù)指標(biāo)。隨著時(shí)代發(fā)展，進(jìn)入21世經(jīng)以后，生產(chǎn)和制造技術(shù)有了顯著優(yōu)化提高，為了解決球閥減輕啟閉力矩，降低成本，滾動(dòng)軸承在球閥中得到應(yīng)用，使其啟閉扭矩明顯降低，延長(zhǎng)使用壽命，操作性能顯著提高。

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在輸送礦漿用球閥、水煤漿工況用球閥等大口徑固定球閥，閥桿采用防塵和防噴出設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上確保閥桿只承受閥門啟閉力矩，介質(zhì)的推力由上、下支承軸承擔(dān)，使閥桿的受力情況有了很好改善，保證閥桿能夠長(zhǎng)期可靠地工作，上下支承軸均設(shè)置有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承，由此降低閥門的操作力矩。如圖1、圖2所示。小徑口浮動(dòng)球閥，閥桿軸頸處設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承與密封圈。如圖3所示。

圖1 固定球閥上承軸結(jié)構(gòu)

圖2 固定球閥下承軸結(jié)構(gòu)

圖3 浮動(dòng)球閥閥桿軸頸結(jié)構(gòu)

2、球閥的摩擦力矩分析

　　球閥的轉(zhuǎn)矩計(jì)算是確定驅(qū)動(dòng)裝置的功率及主要零件強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)矩大小決于摩擦力矩和介質(zhì)流經(jīng)閥門所產(chǎn)生的動(dòng)水力矩。動(dòng)水力矩是由于轉(zhuǎn)軸兩動(dòng)水作用力不等而引起的力矩，是在啟閉件脫離閥座密封圈封面后，在介質(zhì)流動(dòng)中產(chǎn)生的。它和密封面間的摩擦力矩不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生，在數(shù)值上一般小于密封面的摩擦力矩。摩擦力矩一般包括：?jiǎn)㈤]件與閥座密封面之間的摩擦力矩，閥桿與填料間摩擦轉(zhuǎn)矩，閥桿與軸承之間的摩擦力矩等。如圖4所示。

圖4 球閥轉(zhuǎn)矩與開度關(guān)系

　　由圖4可以看出在球體開啟的瞬間，轉(zhuǎn)矩具有最大值。因?yàn)檫@時(shí)密封副受到的密封力最大(要承受最大壓差及預(yù)緊力作用)。隨著開度增大轉(zhuǎn)矩逐漸下降，雖然在12°～14°時(shí)又略有升高，但總的來說，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在開啟瞬間。因此，計(jì)算分析閥桿力矩時(shí)，按最大壓差(即處于全關(guān)狀態(tài)下)進(jìn)行。在這一階段，只有摩擦力矩而無動(dòng)水力矩。如圖5所示。

圖5 密封面上任意受力分析

　　設(shè)密封面上任一點(diǎn)A的坐標(biāo)為A(x，y，z)，轉(zhuǎn)軸L(即z軸)的方程為

　(1)

　　A點(diǎn)到L距離為

　(2)

　　由幾何關(guān)系分析，摩擦力的方向是沿A點(diǎn)處繞軸旋轉(zhuǎn)的切向方向并與旋轉(zhuǎn)度方向相反，則摩擦力為

　(3)

　　摩擦力矩為

　(4)

　　摩擦總力矩為

　(5)

3、閥桿力矩計(jì)算

　　閥門在石油、化工、電力、城建和工業(yè)企業(yè)的給排水、供熱及供氣系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。存些系統(tǒng)中使用的球閥通常處于常開或常閉狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)的球閥需要開啟時(shí)，關(guān)閉與開啟的力矩最很大。

　　固定球球閥的閥桿力矩計(jì)算公式：

MF=MQG+MFT+MZC (6)

　　固定球球閥的球體與閥座密封面間的摩擦力矩計(jì)算公式：

MQG=MQG1+MQG2 (7)

　　由閥座對(duì)球體的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

　(8)

　　由介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

　　浮動(dòng)球球閥閥桿力矩計(jì)算公式：

MQF=MQF+MFT+MZC (10)

　　浮動(dòng)球球閥的球體與閥座密封面間的摩擦力矩計(jì)算公式：

MQF=MQF1+MQF2 (11)

　　進(jìn)口端閥座密封面與球體間的摩擦力矩計(jì)算公式：

MQF1=M'QF1+M''QF1 (12)

　　進(jìn)口端閥座對(duì)球體預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

　　介質(zhì)對(duì)進(jìn)口閥座的作用力而產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

　　球體與出口閥座密封面間的摩擦力矩計(jì)算公式：

　　填料與閥桿間摩擦力矩計(jì)算公式：

　(16)

　　軸承產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

　(17)

　　式中 MF——球閥的閥桿力矩，N.mm;

　　MQG——固定球球閥的球體與閥座密封面間的摩擦力矩，N.mm;

　　MQG1——由閥座對(duì)球體的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，N.mm;

　　MQG2——由介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩，N.mm;

　　MQF1——進(jìn)口端閥座密封面對(duì)球體預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，N.mm;

　　M'QF1——進(jìn)口端閥座對(duì)球體預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，N.mm;

　　M''QF1——介質(zhì)對(duì)進(jìn)口閥座的作用力而產(chǎn)后的摩擦力矩，N.mm;

　　MQF2——球體與出口閥座密封面間的摩擦力矩，N.mm;

　　MFT——填料與閥桿間摩擦力

　　MZC——軸承產(chǎn)生的摩擦力矩，N.mm;

　　DMW——閥座密封圈與球體接融面外徑，mm;

　　DMN——閥座密封圈與球體接融面內(nèi)徑，mm;

　　DJH——活動(dòng)閥座外徑，mm;

　　dQJ——軸頸，mm;

　　R——球體半徑，mm;

　　Φ——球體與密封圈與球體接融面內(nèi)徑，(°);

　　qM——球體最小預(yù)緊比壓，MPa

　　P——設(shè)計(jì)壓力，MPa

　　fM——球體與密封面間摩擦因數(shù)(對(duì)聚四氟乙烯密封面fM=0.05，對(duì)卡普隆密封面fM=0.1～0.15，對(duì)鋼密封面fM=0.3)

　　fZ——軸承摩擦因數(shù)(用聚四氟乙烯制的滑動(dòng)軸承為0.05～0.1，滾動(dòng)軸承為0.002，鋼與鋼0.30，鋼與青銅為0.20)

　　假設(shè)DN200-1.6MPa，活動(dòng)閥座外徑DJH為240mm，軸頸為50mm;DN50-1.6MPa，活動(dòng)閥座外徑DJH為68mm，軸頸為25mm;從上面公式(17)可以得出，DN200-1.6MPa用滾動(dòng)軸承可以減輕閥桿力矩539N.m;DN50-1.6MPa用滾動(dòng)軸承可以減輕閥桿力矩27N.m。

4、滾動(dòng)軸承受力分析

　　滾動(dòng)軸承在工作中，在通過軸心線的軸向載荷(中心軸向載荷)Fa作用下，可認(rèn)為各滾動(dòng)體平均分擔(dān)載荷，即各滾動(dòng)體受力相等。當(dāng)軸承在純徑向載荷Fr作用，下如圖6所示，內(nèi)圈沿Fr方向移動(dòng)一距離δ0，上半圈滾動(dòng)體不承載，下半圈各滾動(dòng)體由于個(gè)接觸點(diǎn)上的彈性變形量不同承受不同的載荷，處于Fr作用線最下位置的滾動(dòng)體承載最大，其值近似為5Fr/Z(點(diǎn)接觸軸承)或4.6Fr/Z(線接觸軸承)，Z為軸承滾動(dòng)體總數(shù)，遠(yuǎn)離作用線的各滾動(dòng)體承載逐漸減小。對(duì)于內(nèi)外圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)體的位置是不斷變化的，因此，每個(gè)滾動(dòng)體所受的徑向載荷是變載荷。

圖6 滾動(dòng)軸承徑向載荷的分析圖

5、當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算

　　軸承的基本額定動(dòng)載荷是在假定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下確定的�；�中載荷條件是：向心軸承僅承受徑向載荷，推力軸承僅承受純軸向載荷。實(shí)際上，軸承在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，常常同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，因此，在進(jìn)行軸承計(jì)算時(shí)，必須把實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換與確定額定動(dòng)載荷條件相一致的當(dāng)量動(dòng)載荷。當(dāng)量動(dòng)載荷的一般計(jì)算公式為：

P=XFr+YFa (18)

　　式中

　　P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N;

　　Fr——徑向載荷，N;

　　Fa——軸向載荷，N;

　　X——徑向動(dòng)載荷系數(shù);

　　Y——軸向動(dòng)載荷系數(shù)。

6、額定靜載荷計(jì)算

　　對(duì)低速旋轉(zhuǎn)或緩慢擺動(dòng)的軸承，應(yīng)分別計(jì)算額定動(dòng)載荷和額定靜載荷。取其中較大者選擇軸承。額定靜載荷的計(jì)算公式為：

　(19)

　　式中 C0——基本額定靜載荷計(jì)算值，N;

　　P0——當(dāng)量靜載荷，N;

　　S0——安全因數(shù)，靜止軸承和緩慢擺動(dòng)或轉(zhuǎn)速極低的軸承S0見表1;

　　C0r——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷，N;

　　C0a——軸承尺寸及性能表中所列軸向基本額定靜載荷，N。

　　當(dāng)量靜載荷計(jì)算公式：

　　a=0的向心滾子軸承，徑向當(dāng)量靜載荷P0r=Fr;

　　向心球軸承和a≠0的向心滾子軸承，徑向當(dāng)量靜載荷

　　(X0為徑向靜載荷系數(shù)，Y0為軸向靜載荷系數(shù));

　　a=90°的推力軸承，軸向當(dāng)量靜載荷P0a=Fa;

　　a≠90°的推力軸承，軸向當(dāng)量靜載荷P0a=2.3Frtanα+Fa;

7、滾動(dòng)軸承的摩擦力矩算

　　滾動(dòng)軸承主要有：滾動(dòng)體與滾道之間的滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦;保持架與滾動(dòng)體及套圈引導(dǎo)面之間的滑動(dòng)摩擦等。其大小取決于軸承的類型、尺寸、載荷、轉(zhuǎn)速等。軸承的摩擦力矩一般計(jì)算公式為：

M=μFd/2 (20)

　　式中

　　M——軸承摩擦力矩，N.mm;

　　μ——軸承摩擦因數(shù);(滾針軸承-滿針μ為0.0025～0.0040;滾針軸承-有保持架μ為0.0020～0.0040;單向推力球軸承μ為0.0013～0.0020;角接觸球軸承μ為0.0018～0.0025)

　　F——軸承載荷，N，

　　d——軸承內(nèi)徑，mm。

8、需要的最小軸向載荷計(jì)算

　　在滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中滾動(dòng)體受離心力矩作用，滾動(dòng)體和滾道之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致軸、座圈分離，為保證承正常工作，必須施加一定的軸向載荷預(yù)緊。所需的最小軸向載荷公式為：

　　對(duì)推力球軸承：

　(21)

　　對(duì)推力圓柱滾子軸承、推力圓錐滾子軸承：

　(22)

　　對(duì)于推力調(diào)心滾子軸承：

　(23)

　　對(duì)于推力滾針軸承：

　(24)

　　式中

　　Famin——需要的最小軸向載荷，kN;

　　Fr——徑向載荷，kN;

　　C0a——基本額定靜載荷，kN;

　　A——最小載荷常數(shù);

　　n——轉(zhuǎn)速，r/min。

9、滾動(dòng)軸承材料選擇

　　滾動(dòng)軸承材料必須具有的特性：接觸疲勞強(qiáng)度高、硬度高、純潔度高、耐磨性好、組織穩(wěn)定性好、機(jī)械加工性能好。材料的選擇，設(shè)計(jì)人員依據(jù)球閥使用工況和環(huán)境下工作要求而定，如表1所示。

表1 常用滾動(dòng)軸承常用材料

10、滾動(dòng)軸承裝配注意事項(xiàng)

　　滾動(dòng)軸承在球閥很重要，通過多年球閥裝配實(shí)踐，提出了滾動(dòng)軸承裝配的方法和要點(diǎn)，按要點(diǎn)裝配可有效的提高軸承裝配質(zhì)理，從而保證滾動(dòng)軸承在球閥中起到的作用，總結(jié)出如下軸承裝配方法。

　　1)裝配前檢查項(xiàng)目及要求

　　利用千分尺、內(nèi)徑量表核對(duì)軸孔及軸承尺寸是否符合要求，0-260mm內(nèi)徑軸承的過盈量0.01-0.03mm;加熱前，仔細(xì)檢查軸承外觀是否有損傷、裂紋，保持架完整、無缺陷;裝配前必須清理和清洗干凈，不得有毛刺、飛邊、氧化皮、銹蝕、切屑、油污、著色劑和灰塵等。

　　2)裝配過程中的注意事項(xiàng)

　　軸承采用機(jī)油和軸承加熱器加熱進(jìn)行熱裝，溫度不得超過100℃;需用錘擊軸承時(shí)，應(yīng)墊紫銅棒、鋁棒等;采用潤(rùn)滑脂的軸承，裝配后應(yīng)注入相當(dāng)于軸承空腔容積約50%的符合規(guī)定的清潔潤(rùn)滑脂，凡稀油潤(rùn)滑的軸承，不準(zhǔn)加潤(rùn)滑脂;可拆卸軸承時(shí)，必須嚴(yán)格按原組裝位置，不得裝反或與別的軸承混裝，可調(diào)頭裝的軸承，裝配時(shí)應(yīng)將軸承的標(biāo)記端朝外。

　　3)裝配后檢查項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

　　在同軸的兩個(gè)軸承中，必須有一個(gè)可以隨軸熱膨脹時(shí)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，熱膨脹間隙ΔL，一般不大于0.5mm;滾動(dòng)軸承裝好后，用手轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)靈活;軸承內(nèi)圈應(yīng)緊靠軸向定位端面，其允許最大間隙，對(duì)圓錐滾子軸承和角接觸軸承為0.05mm，其他軸承為0.1mm。

11、預(yù)測(cè)的不確定性

　　不管按什么設(shè)計(jì)方法，實(shí)際軸承能否達(dá)到計(jì)算的性能，常常不能斷定，這主要是因?yàn)楦鶕?jù)尺寸對(duì)扭矩能否減少的影響來判斷時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)由于實(shí)際制造公差使尺寸變化非常大。運(yùn)轉(zhuǎn)中滾動(dòng)軸承可能由于裝配不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、水分和異物侵入、腐蝕、過熱、和過載等原因造成過早其損壞;即使在安裝、潤(rùn)滑和使用維護(hù)都正常的情況下，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承也會(huì)出現(xiàn)疲勞剝落和磨損。滾動(dòng)軸承雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但失效形式卻表現(xiàn)在多樣性，主要的失效形式有：

　　1)疲勞失效

　　疲勞是滾動(dòng)軸承失效的主要形式，常表現(xiàn)為滾動(dòng)體或內(nèi)外圈滾道表面脫落或蛻皮，初期是在接觸表面形成不規(guī)則凹坑，而后逐漸延伸成片，沖擊載荷造成振動(dòng)和噪聲的加劇，交變的疲勞應(yīng)力是造成疲勞剝落的主要原因，有時(shí)也與潤(rùn)滑不良或強(qiáng)迫安裝有關(guān)，而通常所說的軸承壽命即是指軸承的疲勞壽命。

　　2)磨損失效

　　磨損是滾動(dòng)軸承失效的另一常見形式，是軸承滾道、滾動(dòng)體、保持架、座孔或軸頸由于機(jī)械原因引起的表面磨損。磨損造成軸承游隙增大、表面粗糙度增加，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)精度降低、振動(dòng)和噪聲增大。磨粒(塵埃、導(dǎo)物的侵入)及潤(rùn)滑不良造成磨損的根本原因。

　　3)腐蝕失效

　　潤(rùn)滑油、水份或濕氣產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕，電流通過引起電火花而產(chǎn)生的電腐蝕及軸承內(nèi)外圈與座孔或軸頸存在微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成微振腐蝕是滾動(dòng)軸承腐蝕失效的三種表現(xiàn)形式，表面腐蝕導(dǎo)致高精度軸承精度一喪失而失去其功能。

　　4)斷裂失效

　　滾動(dòng)軸承零件材料有缺陷和熱處理不良，運(yùn)行中過載、轉(zhuǎn)速過高、潤(rùn)滑不良或裝配不善造成過大的熱應(yīng)力等可能引起軸承零件軸承出現(xiàn)裂紋或斷裂、加速其劣化。

12、總結(jié)

　　上述的結(jié)構(gòu)經(jīng)長(zhǎng)期適用運(yùn)行證明，滾動(dòng)軸承在球閥應(yīng)用，閥門操作力矩小。不管固定球閥，還是浮動(dòng)球閥都要防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防止細(xì)小顆粒進(jìn)入滾動(dòng)軸承，避免滾動(dòng)軸承卡死失效;根據(jù)球閥適用工況正確選用滾動(dòng)軸承的材料，不同介質(zhì)溫度、耐腐選用滾動(dòng)軸承材料不同，軸承材料選擇恰當(dāng)直接關(guān)系到能否滿足機(jī)構(gòu)的功能與使用要求，對(duì)軸承工作性能和疲勞壽命具有決定性的影響。