闡述高溫固定球雙向耐磨球閥的設(shè)計(jì)、材料選用及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了主要部件的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，在機(jī)械行業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用中具有重要的意義。

1、概述

　　目前，國(guó)內(nèi)使用的耐磨球閥，一般采用通常的單向密封，閥座達(dá)不到整體密封效應(yīng)。傳統(tǒng)“松動(dòng)”閥座四周的間隙導(dǎo)致介質(zhì)積聚和磨損，在使用過程中，因粉塵等顆粒狀物質(zhì)在球體或閥座上粘連，啟閉時(shí)易引起閥座或球體磨損、閥座與球體“抱死”，從而導(dǎo)致密封失效。密封材料不耐高溫或密封面損壞又導(dǎo)致閥門泄漏和卡死，這樣大大減少了閥門的使用壽命，并難以適應(yīng)閥門行業(yè)的需要。高溫固定球雙向耐磨球閥應(yīng)用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝和新標(biāo)準(zhǔn)，采用耐高溫、耐腐蝕的高碳低硫密封墊作為雙向密封奠基，提供了穩(wěn)定的密封比壓。獨(dú)特的閥座組合設(shè)計(jì)，具有良好的密封效果和自研磨性能及刮削功能。

2、工作原理

　　高溫雙向耐磨固定球球閥的主要構(gòu)件(見圖1)，右閥體、左閥體、球體、閥桿、組合閥座、組合填料、手動(dòng)裝置組件。閥門在作開關(guān)動(dòng)作時(shí)，圖1中手動(dòng)裝置7的手柄只需順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90°，球閥作關(guān)閉動(dòng)作；逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，球體作開啟動(dòng)作。當(dāng)手柄軸線方向與球閥的軸線方向平行時(shí)，球閥處于全開狀態(tài)；當(dāng)手柄軸線方向與球閥的軸線方向垂直時(shí)，球閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 高溫固定球雙向耐磨球閥構(gòu)造圖

1.右閥體 2.左閥體 3.球體 4.閥桿 5.組合閥座 6.組合填料 7.手動(dòng)裝置組件

3、設(shè)計(jì)技術(shù)方案

　　(1)高溫固定球雙向耐磨球閥為固定球兩片式直通球閥，設(shè)計(jì)中主要零件部件材料為：閥體材質(zhì)采用WCB、CF8、CF8M，閥桿材質(zhì)為17-4PH、304、316，球體材質(zhì)F304+WC、F316 +WC。閥門的設(shè)計(jì)泄漏量符合GB/T13927的D級(jí)規(guī)定。

　　(2)球閥在使用過程中做開啟、關(guān)閉動(dòng)作時(shí)，由于受介質(zhì)的沖刷、腐蝕和積聚，造成密封面不同程度的磨損，導(dǎo)致閥門泄漏嚴(yán)重，這時(shí)采用組合閥座結(jié)構(gòu)的形式，如圖2，密封墊全部采用倒三角形的獨(dú)特設(shè)計(jì)，金屬密封閥座與支承圈選用高分子材料的三角形密封圈一，從而根本地杜絕了介質(zhì)竄入閥座底部凝聚，致使閥座密封副與閥體之間徑向泄漏的可能性。

圖2 閥座組合

　　推力圈與底座之間同樣采用高分子材料的三角形密封圈二和密封圈三相互支撐，完全解決了顆粒介質(zhì)竄入彈簧孔導(dǎo)致柱形彈簧無(wú)法伸縮的缺陷及高溫或顆粒介質(zhì)狀態(tài)下球體與閥座“抱死”的難題，保證彈簧在閥座密封副中正常發(fā)揮作用，使密封比壓始終維持在合理的范圍，實(shí)現(xiàn)了高溫工況狀態(tài)下閥門長(zhǎng)期運(yùn)行的高性能可靠性。

　　(3)填料組合采用分離正、反三角形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3。密封套和隔環(huán)把兩組填料分隔，填料一為正三角形，而填料二為反三角形。經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐，當(dāng)介質(zhì)壓力推動(dòng)球閥作用于閥桿時(shí)，閥桿作開、啟運(yùn)動(dòng)時(shí)，三角填料一、二有效地轉(zhuǎn)移、清除了石墨粉末依附在閥桿表面使其腐蝕的現(xiàn)象，這樣，閥桿、填料使用壽命提高了2～3倍，填料函滲漏率為零。

圖3 填料組合

4、工藝要求

　　(1)確保球體與閥座形成良性密封，主要部件直接由閥門臥式加工中心CWK800加工而成。閥體上安裝組合閥座處徑向公差選用D10級(jí)，光結(jié)度要求1.6與之配合。

　　(2)球體-閥座密封副(如圖4)，采用超音速噴涂碳化鎢(HRC≥70)工藝和本公司專利研磨工藝，結(jié)合刮削式寬弧面密封帶結(jié)構(gòu)，球體且必須與閥座配對(duì)研磨，使其形成不間斷的密封帶，從而實(shí)現(xiàn)零泄漏、抗粘垢、耐沖蝕的目的，延長(zhǎng)了閥門的使用壽命。

圖4 球一座密封副

5、計(jì)算與驗(yàn)證

　　為了保證閥門的密封性能、操作性能以及使用壽命長(zhǎng)，對(duì)殼體壁厚、密封比壓和閥桿等進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。

　　5.1、壁厚

　　計(jì)算厚度SB'：{1.32P·D/2[бL]-1.2P}+C式中：P為設(shè)計(jì)給定的壓力，MPa；D為閥體內(nèi)腔的最大直徑(設(shè)計(jì)給定)，mm；C為腐蝕余量(按推薦值選取)；[бL]為許用拉應(yīng)力(查表可得)，mm。

　　閥體實(shí)際壁厚SB可以通過查表法(ASMEB16.34或GB/T1224)與計(jì)算壁厚SB'相對(duì)比，滿足SB>SB '產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求。

　　5.2、密封力綜合計(jì)算

　　(1)高溫固定球雙向耐磨球閥是閥前和閥后密封的固定球球閥，其密封面總作用力的計(jì)算：

Q=Q0+Q1-Q2

　　式中：Q0為流體壓力在閥座密封面上引起的作用力，N；Q1為預(yù)緊力，N；Q2為閥座滑動(dòng)的摩擦力，N。

　　流體壓力在閥座密封面上引起的作用力：

Q0=QMJ-QJ

　　式中：QMJ為流體靜壓力在閥座密封的力(計(jì)算可得)，N；QJ為介質(zhì)壓力在間隙中的作用力(計(jì)算可得)，N。

　　預(yù)緊力Q1=0.785(D22-D23 )·qmin

　　式中：D2為密封面外徑(設(shè)計(jì)給定)mm；D3為密封面內(nèi)徑(設(shè)計(jì)給定)mm；qmin為預(yù)緊必需的最小比壓(按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取)；閥座滑動(dòng)的摩擦力Q2：當(dāng)閥座滑動(dòng)的摩擦力小于0.05QMJ時(shí)，在保證足夠?qū)嵱镁�度的情況下，為簡(jiǎn)化計(jì)算，Q2亦可以不考慮。

　　(2)密封比壓

　　密封面計(jì)算比壓q=4Q/π(D22-D23)

　　式中：Q為密封面總作用力( 上式中得出)，N；D2為密封面外徑(設(shè)計(jì)給定)，mm；D3為密封面內(nèi)徑(設(shè)計(jì)給定)，mm。

　　密封面必需比壓qb：

　　式中：m為與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)(按推薦值選取)；α為與密封面材料有關(guān)的系數(shù)(查表)；C為與密封面材料有關(guān)的系數(shù)；t為密封面寬度(計(jì)算可得)，mm。

　　密封面許用比壓：[q](查表)，MPa。根據(jù)密封比壓原理可知，如果要實(shí)現(xiàn)密封必須滿足： ①Q(mào)MF

　　5.3、固定球球閥的閥桿總轉(zhuǎn)矩及強(qiáng)度驗(yàn)算

　　總轉(zhuǎn)矩M=Mm+Mt+Mu

　　式中：Mm為球體與閥座密封圈間的摩擦轉(zhuǎn)矩(計(jì)算可得)，N·mm；Mt為閥桿與填料間的摩擦總轉(zhuǎn)矩計(jì)算可得)，N·mm；Mu為軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算可得)，N·mm。

　　閥桿斷面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τN=M/W

　　式中：M為總轉(zhuǎn)矩，N·m；W為斷面處的抗扭斷面系數(shù)，mm3。

　　許用扭應(yīng)力[τN]，MPa。如果要實(shí)現(xiàn)閥桿的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，必須符合τN<[τN]的要求，通過合理的設(shè)計(jì)與計(jì)算，參數(shù)滿足要求。

6、結(jié)語(yǔ)

　　通過設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)算和實(shí)際運(yùn)用，高溫固定球雙向耐磨球閥完全滿足工況的使用要求，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油、化工、輕工、建筑、冶金油品、水、腐蝕性流體工程及鋁業(yè)氧化鋁粉輸送工程，具有廣闊的發(fā)展?jié)撃堋?/p>