一種改進(jìn)的固定式軟密封管線球閥設(shè)計(jì)研究
本文主要闡述了閥門在長(zhǎng)輸管線中的重要作用及其分類，其中球閥由于良好的密封性能等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。本文選擇的是固定式軟密封球閥，描述了球閥的結(jié)構(gòu)、球閥的特點(diǎn)、材料的選擇和強(qiáng)度計(jì)算等，最后設(shè)計(jì)出了一種新的系統(tǒng)，同時(shí)提出了球閥今后的發(fā)展方向。
1、概述
用長(zhǎng)輸管線輸送氣、油等介質(zhì)時(shí)，都具有量大、壓力大、材料要求高等特點(diǎn)。長(zhǎng)輸管線在傳送流動(dòng)介質(zhì)時(shí)需要對(duì)它們進(jìn)行控制，因而在管線上設(shè)置大量閥門。閥門的作用分兩種：1)各系統(tǒng)干線的出入口，開啟和關(guān)閉的作用；2)中部增壓站等，控制介質(zhì)的輸送。目前閥門的種類較多，有平板閘閥、球閥、止回閥等。閥門的連接形式有法蘭和對(duì)接焊連接兩種。目前球閥由于其結(jié)構(gòu)緊湊、密封性能好、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。如圖1所示為其中一種球閥。
圖1 球閥圖片
球閥的組成一般有閥座、閥體、球體、閥桿和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置五部分。其中閥體的形式有：兩段式螺栓連接閥體、三段式螺栓連接閥體、全焊接式閥體和上裝式閥體。介質(zhì)溫度范圍為-29℃~200℃；球閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)為API6D、API608；適合介質(zhì)有石油、天然氣、煤氣等；操作方式為渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)、手動(dòng)和電動(dòng)等。
1.1、工作原理
球閥就是用閥桿帶動(dòng)圓形通道的球體繞軸線旋轉(zhuǎn)的閥門。主要負(fù)責(zé)接通和切斷流體通道，所以球閥一般是閉路閥，也可以用于控制和調(diào)節(jié)流體。球閥是一個(gè)有孔的球體，借助手柄等裝置在閥桿上施加轉(zhuǎn)矩使其沿著和通道的軸線垂直方向旋轉(zhuǎn)90度，完成分配、切斷或改變介質(zhì)流向的管道和動(dòng)作。近年來隨著其技術(shù)的發(fā)展，它又具備了節(jié)流和控制流量的作用。
1.2、球閥特點(diǎn)
球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、密封性好和操作簡(jiǎn)單，近些年來發(fā)展迅速，在各行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用，成為主導(dǎo)的閥門之一。
1)密封性能好：大部分球閥的閥座選用彈性材料聚四氟乙烯等制造，緊急注脂的密封性較好，對(duì)密封表面的粗糙程度和表面的加工精度的要求也不高。
2)使用壽命長(zhǎng)：管線投入使用是不允許停止的，聚四氟乙烯的自潤(rùn)滑性很好，對(duì)球體的磨損較小，加上先進(jìn)的加工技術(shù)，使其粗糙度降低，延長(zhǎng)其使用壽命。
3)流體阻力小：球閥為全流量型，其管道內(nèi)徑就是整個(gè)通道直徑，因此管內(nèi)阻力很小，是所有閥門中流阻最小的一種。
4)開啟關(guān)閉方便迅速：只要手柄轉(zhuǎn)動(dòng)90°就能很輕松的控制球閥。
5)閥體內(nèi)光滑平整：對(duì)于輸送粘性流體、固體顆粒、漿液都很適宜。
2、球閥結(jié)構(gòu)
下面具體介紹本文所選用的固定球球閥的結(jié)構(gòu)，圖2為本文介紹的固定球球閥彈性閥座結(jié)構(gòu)。
圖2 固定球球閥彈性閥座
1)球體支撐結(jié)構(gòu)形式
通常球閥按照球體的支撐方式可以分為有浮動(dòng)球和固定球球閥兩種，而浮動(dòng)球球閥的球體中并無支撐軸，球體的支撐依靠閥門進(jìn)口、出口的閥座來控制。固定球球閥就具有支撐軸，相比浮動(dòng)球球閥所能承受的重力要大得多，所以我們選擇固定球形式的球閥。固定式受壓后球體不會(huì)移動(dòng)，而是浮動(dòng)的閥座移動(dòng)，使密封圈緊壓球閥，確保其密封性。
2)密封形式
這里我們選擇彈性密封閥座，這樣球體的彈力在介質(zhì)壓力和彈簧預(yù)壓縮的雙重作用之下，能夠滿足密封力和密封比壓的要求，獲得較好的密封比壓。如圖1所示，在沿著閥門的通道橫截面周圍布置一組壓縮彈簧，作為其推力，這樣就能保持閥座和球體的預(yù)緊狀態(tài)。
3)減速器的結(jié)構(gòu)
考慮到軸減速器在球閥中的形式以及其安裝的位置，考慮用體積較小、傳動(dòng)比大的蝸輪-蝸桿減速器，球閥球體只需要旋轉(zhuǎn)90°，用扇形的蝸輪來取代全蝸輪減速器。
4)軸承端蓋的結(jié)構(gòu)
軸承端蓋也是十分重要的一個(gè)零件，用途廣泛。主要用作軸承外圈的固定、防塵和密封、調(diào)節(jié)軸承間隙并承受軸向力，使得主軸箱平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。它可分為嵌入式和凸緣式，選擇凸緣式軸承端蓋效果更好，密封性能好，調(diào)整軸承間隙方便。
3、設(shè)計(jì)過程
3.1、設(shè)計(jì)規(guī)范
按照上面關(guān)于球閥的介紹，依據(jù)GB12221-2005決定用PN40、DN500來做球閥金屬閥門結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度l=1250mm，由計(jì)算確定鋼質(zhì)閥體的壁厚最小t=30mm；球閥連接法蘭的尺寸為D=755mm，d=500mm；球閥力Q=247793.7N，彈簧的預(yù)緊力Q1=35168N；驅(qū)動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩M=7701348N/mm，選擇蝸輪-蝸桿傳動(dòng)作為減速器；用聯(lián)軸器連接驅(qū)動(dòng)裝置和閥桿。此外還需要增加防靜電裝置、防火裝置、緊急注脂等，滿足特殊場(chǎng)合下使用的要求。
3.2、強(qiáng)度計(jì)算及材料
1)計(jì)算密封力
(1)流體壓力在閥座密封面上引起的作用力Q0：
QMJ為流體靜壓力在閥座密封面的作用力。
QJ為流體靜壓力在密封面余隙中的作用力；
預(yù)緊力不但確保低壓球閥的密封性，同時(shí)補(bǔ)充流體作用力，確保使用時(shí)高壓球閥的密封性。固定球球閥的預(yù)緊力靠彈性元件達(dá)到。
(2)彈簧預(yù)緊力Q1的計(jì)算：
公式中，qmin為最小比壓，qmin=0.1Mpa。D1、D2分別表示閥座的內(nèi)徑和外徑。
(3)計(jì)算閥座滑動(dòng)摩擦力Q2：
公式中，d1為支座的外徑；F'0為0形圈開始彈性壓縮在接觸面上的摩擦力；F0為0形圈在流體壓力下的摩擦力。
2)球閥轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
計(jì)算球體和閥座密封圈摩擦轉(zhuǎn)矩的公式：
滑動(dòng)或者滾動(dòng)軸承能夠降低球閥旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的巨大摩擦力。軸承的結(jié)構(gòu)和軸頸連接方式，由球閥的通徑、壓力、工作介質(zhì)等因素決定。
軸承摩擦轉(zhuǎn)矩Mc的公式：
公式中，QC為軸承的徑向作用力，QC=π/4•d12p固定球球閥，預(yù)緊力和閥座摩擦力對(duì)軸承的總推力相互抵消。
3)主要零部件的校核
校核的范圍包括牙嵌式離合器的強(qiáng)度、閥桿的強(qiáng)度、鍵的強(qiáng)度、中法蘭用雙頭螺栓的強(qiáng)度。
4)選擇球閥材料
選擇球閥的材料要考慮到球閥的具體用途和使用所需的條件。主要考慮介質(zhì)的溫度、介質(zhì)的腐蝕性、輸送介質(zhì)的性質(zhì)等方面。本文中選擇球體A105，側(cè)閥體和中閥體為WCB，閥桿、蝸桿軸、蝸輪軸選擇40Cr，蝸輪的輪轂型號(hào)為TH200、輪芯型號(hào)為ZCuSn10P1，軸承端蓋采用HT150，減速器的箱體選用HT250。
4、未來發(fā)展趨勢(shì)
管線球閥今后的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)為：1)大型化管線球閥的大型化將帶去更大的經(jīng)濟(jì)效益。2)高耐腐蝕材料閥門技術(shù)的發(fā)展，要求高強(qiáng)度的耐腐蝕材料與之適應(yīng)。3)多重密封結(jié)構(gòu)閥門想要更長(zhǎng)的使用壽命，需要多重復(fù)合材料。4)快速關(guān)閉及高可靠性。5)高自動(dòng)化能夠預(yù)知事故的發(fā)生，緊急關(guān)斷球閥。
5、結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的對(duì)象為管線球閥，球閥由于開關(guān)迅速、阻力小、密封性好等特點(diǎn)而被廣泛采用。對(duì)于球閥的球體支撐結(jié)構(gòu)、密封形式、減速器等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定了結(jié)構(gòu)較好的固定式軟密封球閥，并給出了結(jié)構(gòu)圖；又詳細(xì)給出了零件所用材料和強(qiáng)度校核的計(jì)算。最后指出了球閥今后的發(fā)展趨勢(shì)。這種球閥結(jié)構(gòu)合理，性能較好，能夠滿足長(zhǎng)輸管線的要求。
