浮動式軟密封球閥扭矩計算
上海申弘閥門有限公司
之前介紹高壓管路氮氣減壓閥組協(xié)調(diào)工作，現(xiàn)在介紹浮動式軟密封球閥扭矩計算球閥硅溶膠精密鑄造閥體，帶ISO5211標準，與執(zhí)行器安裝方便，互換性好。球閥閥體與閥芯之間帶有防靜電裝置，閥桿防爆設(shè)計，雙層填料，雙蝶形彈片自動壓緊填料設(shè)計。閥門的扭矩計算具體是：二分之一閥門口徑的平方×3.14得出是閥板的面積，再乘以所承壓力（即閥門工作壓力）得出軸所承受的靜壓力，乘以磨擦系數(shù)（去查表一般鋼鐵的磨擦系數(shù)取0.1，鋼對橡膠的磨擦系數(shù)取0.15），乘以軸徑除以1000即得閥門的扭矩數(shù)，單位為牛·米，
電動裝置和氣動執(zhí)行器參考安全值取閥門扭矩的1.5倍。是應(yīng)用較為廣泛的閥門之一，它出現(xiàn)很早，推廣使用較晚。它的工作原理與旋塞閥一樣，都是靠旋轉(zhuǎn)閥芯來使閥門啟閉的，但比旋塞閥開關(guān)輕便，相對體積小，可以做成大口徑閥門。球閥密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，密封面與球體常在閉合狀態(tài)，不易被介質(zhì)沖蝕。目前，國外球閥口徑己達 3050cm，在石油、化工、冶金、輕紡、食品、原子能、等部門廣泛使用。
1 浮動式軟密封球閥扭矩計算球閥的分類
球閥分為兩大類：浮動式、固定式（見圖 1、圖 2）。
浮動式球閥圖片
圖 1 浮動式球閥
固定式球閥圖片
圖 2 固定式球閥
1.1 浮動式球球閥
球閥的球體是浮動的，在介質(zhì)壓力作用下，球體能產(chǎn)生一定的位移并緊壓在出口端的密封面上，保證球閥的密封。浮動球球閥的結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，但球體承受工作介質(zhì)的載荷全部傳給了出口密封圈，因此要考慮密封圈材料能否經(jīng)受得住球體介質(zhì)的工作載荷。這種結(jié)構(gòu)，廣泛用于中低壓球閥。
1.2 固定球球閥
球閥的球體是固定的，受壓后不產(chǎn)生移動。固定球球閥都帶有浮動閥座，受介質(zhì)壓力后，閥座產(chǎn)生移動，使密封圈緊壓在球體上，以保證密封。通常在與球體的上、下軸上裝有軸承，操作扭距小，適用于高壓和大口徑的閥門。為了減少球閥的操作扭矩和增加密封的可靠程度，近年來又出現(xiàn)了油封球閥，既在密封面間壓注特制的潤滑油，以形成一層油膜，勤增強了密封性，又減少了操作扭矩，更適用高壓大口徑的球閥。
本文主要對浮動式人口徑球閥的密封性啟閉力矩等作粗淺的探討，希望能對球閥的應(yīng)用有所幫助。
2 浮動球閥的密封
浮動球球閥的結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，但球體承受工作介質(zhì)的載荷全部傳給了出口密封圈，因此密封圈材料能否經(jīng)受得住球體介質(zhì)的工作載荷是關(guān)鍵。一般說來，密封圈都是用聚四氟乙烯等彈性材料制造，金屬與非金屬材料組成密封副，也就是通常稱為軟密封。軟密封的密封性容易保證，而且對密封表面的加工精度與表面粗糙度要求也不很高。在介質(zhì)的壓力下，球體向出口端位移并壓緊閥座，這時，球體壓在閥座上的力 QMJ 為：
公式1
式中：DMW—閥座密封面外徑，DMN—閥座密封面內(nèi)徑，P—介質(zhì)工作壓力
為了保證低壓時的密封，球閥和閥座所必須的預(yù)緊比壓不應(yīng)小于 1200N•M，預(yù)緊密封主要靠閥座本身的彈性，所以密封面的寬度是受一定限制的，計算式為：
公式2
式中：[q]—許用應(yīng)力（琢明氟乙烯許用應(yīng)力為 1530N•M）對于帶彈性元件的閥座，它的工作可靠性和使用期限很大程度上取決于正確選擇密封閥座的預(yù)壓縮力。
低壓時，在預(yù)緊力不足的情況下，將不能保證球閥的密封，過渡的壓縮會引起球體和閥座間的摩擦力矩增加，并可能引起閥座材料的塑性變形。
閥座與閥體槽之間的間隙 δ1，是保證球閥正常工作的基本條件，在選擇間隙 δ1 時，必須考慮預(yù)壓縮閥座的均勻仲長應(yīng)在總的彈性變形范圍內(nèi)，對此采用：
公式3
式中：DMP—閥座平均直徑；σMJ—彈性變形范圍內(nèi)閥座橫截面的許用應(yīng)力，對聚四氟乙烯制閥座，σMJ=820 (N-M)；E—閥座材料的彈性模數(shù)，對聚四氟乙烯制閥座，E=48000~81600 (N-M)。
閥座的密封材料一般都是用聚四氟乙烯，在現(xiàn)有塑料中，化學(xué)的是聚四氟乙烯，它對化學(xué)作用的穩(wěn)定甚至超過貴重金屬金和鉑、玻璃、陶瓷、搪瓷、特種鋼材和合金?；瘜W(xué)腐蝕性較強的物質(zhì)一濃酸、稀酸、濃堿液、強的氧化劑也不能對聚四氟乙烯起任何作用，有“塑科王”之稱。除某些鹵化胺或芳香烴使聚四氟乙烯塑料有輕微的溶脹現(xiàn)象之外，酮類、酸類、酷類等有機溶劑對聚四氟乙烯都無作用，不會發(fā)生重量變化及溶脹現(xiàn)象。對它能發(fā)生作用的僅為熔融態(tài)的堿金屬、三氟化氯及元素氟等，但也只是在高溫、高壓下作用才顯著。此外，聚四氟乙烯也不受氧或紫外線的作用，不吸水、具有不燃性。它具有很高的耐熱性和耐寒性，使用溫度范圍為 -180~250℃，在 250℃ 處理 240h，力學(xué)性能無降低，390℃ 每小時失重 0.006%。它的介電性能優(yōu)良，并且電性能不受頻率和溫度的影響，可在 250℃ 下工作。由上可知，用聚四氟乙烯作為球閥的密封是較為理想的。
聚四氟乙烯的彈性模數(shù)值很大，因此，材料的性能決定了其彈性變形很小，一但便用，材料的彈性不足以彌補密封面的磨損，這時球閥的密封就要破壞，因此，在設(shè)計閥座時考慮如何從結(jié)構(gòu)上增加它的彈性，我們選用了彈性結(jié)構(gòu)。
這種閥座有如下特點：
(1) 密封面內(nèi)有一個角度 40° ±1；
(2) 密封閥座底部有一個 R2 的半圓槽；
(3) 與閥體的配合留有間隙 δ1 可增加彈性。
結(jié)構(gòu)原理為：在無預(yù)緊力裝配時，球體與 A 點相切，裝配預(yù)緊力使球軸位移，位移一般在 0.2~0.4(mm) 之間，當球體受到壓力后，球體隨壓力方向緊貼在密封面上，這時密封圈向外膨脹，使密封面與球面不會貼的太緊而造成扭矩增大，卸壓后，密封閥座基本上又恢復(fù)到原來安裝時的位置。
自緊密封，是較為特殊的密封形式，滬工閥門生產(chǎn)的大口徑球閥，閥桿密封全部采用該結(jié)構(gòu)。工作原理是：利用介質(zhì)壓力進行自緊密封，它的密封圈裝在內(nèi)錐體外，跟介質(zhì)相向的一面成一定角度，介質(zhì)壓力傳給內(nèi)錐體，以傳遞給密封圈，在一定角度的錐面上產(chǎn)生兩個分力，一個與閥體中心線平行向外，另一壓向閥體內(nèi)壁，后面這個力便是自緊力，介質(zhì)壓力愈大，自緊力也愈大，考慮到低壓時的密封，在自緊密封上面必須增加一定的預(yù)緊力，保證其密封性能。電動執(zhí)行器扭矩50N.m可配DN15，DN20，DN25，DN32軟密封法蘭球閥。
電動執(zhí)行器主要性能特點：
1.該電動執(zhí)行器外殼—由于使用了鋁合金，重量輕。并且內(nèi)外表面經(jīng)陽極氧化處理，外表面經(jīng)聚酯粉末涂層，耐腐蝕性強。
2.電機—采用鼠籠式電機，輸出扭距大，并且內(nèi)置熱保護開關(guān)，進行溫度控制，可防止損壞電機。
3.受動結(jié)構(gòu)—不通電時，扳動離合器手柄可進行手動操作。通電時，離合器自動復(fù)位。
4.位置指示器—指示器安裝在中心軸上，可以觀察閥門位置。并有指示燈可供選擇。
5.干燥器—用來控制溫度，防止執(zhí)行器內(nèi)部水分凝結(jié)，保持內(nèi)部電器元件的干燥。
6.限位開關(guān)—由凸輪機構(gòu)來控制，簡單的調(diào)整機構(gòu)能并方便地設(shè)定位置。
7.密封性能好，標準產(chǎn)品防護等級為IP67，可選IP68防護等級。
8.自鎖—有自鎖功能，防止反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動部分穩(wěn)定可靠。
9.安裝—底部安裝尺寸符合ISO5211標準，驅(qū)動軸套可拆下根據(jù)需要進行加工，適應(yīng)性強。可以垂直安裝，也可以水平安裝。
10.接線端子—線路布置緊湊合理，接線端子直徑為2.5mm，壓力大，聯(lián)接牢固。
11.蝸輪—采用凹輪設(shè)計，與蝸桿的接觸面大，傳輸扭距大，平穩(wěn)且耐磨，使用壽命長。
12.PCU板—結(jié)構(gòu)緊湊合理，將PCU板內(nèi)置于機殼內(nèi)。
3 球閥的扭矩
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥球閥摩擦力的大小，不僅取決于介質(zhì)的工作壓力和閥門的通徑，而且和球閥的形式、密封和支承部件的結(jié)構(gòu)及密封材料的性質(zhì)有關(guān)，此外，每一具體結(jié)構(gòu)中，密封座上的摩擦力還取決于球閥轉(zhuǎn)動的角度。
在正常差壓下動作的扭矩：當球閥轉(zhuǎn)動開啟到 30° 時，出現(xiàn)大值，全開時（90°）為零，實際上，當球閥轉(zhuǎn)到 80° 時，壓差通常大大地小于大值。當關(guān)閉球閥時壓差大，隨著它的打開程度增加而逐漸減小，因而在壓力恒定的情況下，大力扭矩產(chǎn)生轉(zhuǎn)動到 30°~40° 時。球閥的工作可劃分為二個主要階段。
(1) 從球體啟動到開始打開球閥階段，這個階段球體中僅作用著由密封元件中預(yù)緊力和工作介質(zhì)靜壓力所產(chǎn)生的摩擦力。
(2) 從開始打開閥門到球孔與閥門通道*重合階段，這個階段對靜壓差產(chǎn)生的摩擦力，還要加上由于液體或氣體介質(zhì)力作用的力。
隨著閥門的關(guān)閉，球體將堵住通孔，這樣，球體上的流體動作力將減小，而差壓增大。
球閥扭矩由球芯與兩邊密封產(chǎn)生，其扭矩如下：
DN15 9NM
DN20 12NM
DN25 15NM
DN32 25NM
DN40 45NM
DN50 70NM
DN65 140NM
DN80 190NM
DN100 220NM
DN125 400NM
DN150 450NM
DN150 500NM
4 總摩擦扭矩的計算
閥門的摩擦扭矩按下式計算：
MF=MQZ+MFT+MFC (N-M) (4)
式中：MQZ—球體在閥座中的摩擦力矩；MFT—填料與閥桿的摩擦力矩；MFC—閥桿頭部的摩擦力矩
分析球閥產(chǎn)生的作用力表明，球閥在介質(zhì)的作用下，浮動球體向出口端位移，所產(chǎn)生的作用力全部由出口的閥座密封圈承受，球前閥座密封圈不承受作用力，同時也不影響摩擦扭矩。
公式5
式中：f—摩擦系數(shù)，對于聚四氟乙烯密封圈 f=0.5
閥桿在填料中的摩擦力矩取決于密封的形式和工作壓力的大小，在壓緊時，上下密封圈都承受均勻的壓力，填料中的摩擦力不取決于球體的轉(zhuǎn)動角度，所以，填料的摩擦力矩按下式：
公式6
式中：df—閥桿直徑；h1—單圈填料與閥桿接觸高度；Z1—填料圈數(shù)
閥桿頭部的摩擦力矩可按下式：
公式7
式中：dF、dFT—閥桿頭計算直徑
由上可知，球閥的啟閉力矩是由多方面來決定的，對于通徑≤100mm，使用壓力在 1.6MPa 以內(nèi)的球閥，其啟閉力矩不能超過 60N-M。以上分析可知，浮動球閥有它的局限性，由于結(jié)構(gòu)上的原因，在大口徑高壓力下會出現(xiàn)扭矩成倍增加。因此，就必須選用固定式結(jié)構(gòu)的球閥，我們也將進一步進行探討其適用性能。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：超高溫?zé)煹赖y閥桿斷裂處理
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