沖擊式水輪機球閥漏油分析

　　介紹了沖擊式水輪機球閥的主要結構，總結了沖擊式水輪機球閥的特點和功能，分析了沖擊式水輪機球閥內密封結構存在的問題，介紹了邊界條件、臨界條件和應力張量在建模中的應用，并對沖擊式水輪機球閥的密封進行了分析，提出了設計時應該注意的關鍵問題。

　　伴隨著現(xiàn)代科技和經濟的快速發(fā)展，具有中高壓力大流量的液體、氣體工質的輸送逐漸增加，這就必然需要具有中高強度大流量的機電調控設備來滿足人們在科技和經濟方面的發(fā)展需要。為了推進科技和經濟的快速發(fā)展，迫使人們不得不研制具有中高強度大流量的機電調控設備，而球閥就是滿足這種要求的機電調控設備之一。球閥產生于20世紀50年代，隨著科學技術的飛速發(fā)展，生產、工藝及產品結構的不斷改進，在不到40年時間里，已迅速發(fā)展成為一種主要的閥類。它的主要優(yōu)點有：啟閉迅速、操作方便、結構簡單、質量輕、流體阻力小，適用于低溫、高溫、高壓、黏度較大的介質。由于球閥有這些優(yōu)點，因此，在西方發(fā)達的工業(yè)國家，球閥的使用量在不斷地增加；而在我國，球閥被廣泛應用于石油煉制、長輸管線、化工、造紙、制藥、水利、電力、市政、鋼鐵等行業(yè)，為我國國民經濟的快速發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。

1、球閥的結構概述

　　球閥是一種被廣泛使用的閥門，球閥的啟閉件采用圓形通孔的球體，球體隨閥桿轉動，以達到切斷、分配、改變介質流向等作用，其中V形開口的球閥還可用于流量調節(jié)。球閥的主要組成部件有：閥體、帶有軸頸閥門、滑動軸承、帶密封環(huán)的工作密封、檢修密封裝置和閥的操作機構等。球閥通常采用臥軸結構，活門全開式，工作密封蓋位于上部。

　　閥體通常由兩件組成。組合面的位置通常有兩種安排：一種是偏心分半，組合面放在靠近下游側(即靠近工作密封側)，閥體的地腳螺釘都布置在上游側這一大半閥體上。其優(yōu)點是分半面螺釘受力均勻，但采用這種結構，閥軸和活門必須是裝配式的，否則無法裝入閥體；另一種是對稱分半，將分半面放在閥軸中心上，這時閥軸和活門可以采用整體結構，以減輕質量。閥體通常采用鑄鋼鑄成。當閥軸與活門為整體結構時，可以采用鑄鋼鑄造或分別鑄造后焊在一起；當閥軸與活門為裝配式結構時，則是通過閥軸上的法蘭用螺釘和活門組裝。

　　球閥的密封裝置有兩種：工作密封和檢修密封。工作密封位于球閥出流側，主要零件有密封環(huán)、密封蓋等。球閥開啟前，先由旁通閥向下游充水，同時將密封蓋內的壓力水由C孔排出，由于下游水壓力逐漸升高，逐漸將密封蓋壓入，密封口脫開，這時可開啟活門；相反，當活門關閉后，此時C孔已關閉，壓力水由活門和密封蓋的護圈之間的間隙流到密封蓋的內腔，隨著下游水壓的下降，密封蓋逐漸突出，直至密封口壓嚴為止。文中主要探討球閥密封的設計與優(yōu)化。

2、球閥漏油的分析與探討

　　在經濟全球化高速發(fā)展的今天，由于機械產品日益標準化，要求生產機械零部件批量化、精密程度生產同一化，因而，在工程設計與實踐探索中對球閥的要求越來越高，這就必須借助模型和邊界條件的優(yōu)化設計，同時還要求理論與實踐的互化和回歸統(tǒng)一，它是現(xiàn)在同時也是將來研究和分析問題的出發(fā)點和落腳點。理論指導實踐，而在實踐中補充理論探索的不足，使理論進一步深化，更好地運用于生產實際。

　　2.1、球閥的工程設計與實踐分析

　　球閥的工程設計與其他機械零部件的設計一樣，首先是理論設計，以達到用戶的要求為目的。在設計過程中必然會出現(xiàn)沒有考慮到的許多邊界因素，因此，在生產實踐中也必然會出現(xiàn)許多工程實踐問題。而在球閥的理論設計過程中，根據工作壓力設計的要求，計算球閥的內徑、外徑和相關尺寸，同時還要考慮球閥的通用性�，F(xiàn)在就球閥的密封進行理論設計與實踐分析。如圖1所示，根據工作壓力和相關要求(只考慮一個單啟閉的行程過程)，進入球閥的液壓油：

　　式中：r為球閥內半徑(m)；v為進入球閥內液壓油單位時間內的位移(m/s)；t為球閥內液壓油單啟閉行程時間(s)。在工程設計過程中，采用密封面和護圈進行密封，而球閥在正常工作過程中，漏油常有出現(xiàn)，給生產帶來不便，究其原因，還是密封結構存在問題。

圖1 球閥密封部分結構圖

　　2.2、模型建立與邊界層的優(yōu)化

　　針對上節(jié)球閥在實踐中出現(xiàn)的漏油現(xiàn)象，現(xiàn)建模和考慮邊界條件優(yōu)化來分析和探索球閥在工作過程中漏油的具體原因。上述用密封面和護圈進行密封的球閥出現(xiàn)漏油與密封的結構和受力有關系。下面改變密封結構，建立新模型并應用數值軟件進行具體分析。如圖2所示，采用中空的“O”型密封圈，在對稱的180°圓環(huán)兩端各開一個小孔，開孔面積必須滿足下述方程：

　　式中：l為開孔曲線積分弧長(m)；v為液壓油設計速度(m/s)；t為“O”型密封圈從膨脹到防止球閥漏油所需時間，與球閥的相關密封件間隙有關(s)。其密封圈結構如圖3所示，兩孔均朝向液壓油來油方向。其工作原理是：

圖2 密封圈模型數值化軟件分析

圖3 密封圈

　　當高壓液壓油進入球閥時，從密封蓋外表面與密封環(huán)內表面間隙流出的高壓液壓油流到“O”型密封圈時，它們就從“O”型密封圈開孔位置進入其中空部分，由于高壓液壓油的壓力作用使“O”型密封圈膨脹，“O”型密封圈因彈力的作用將密封蓋外表面和密封環(huán)內表面壓緊而不讓液壓油漏出。密封圈力學特性如圖4所示，把“O”型密封圈簡化成簡支梁，滿足下述不等式：

結論

　　在研究和處理工程實踐問題時，實踐的檢驗固不可少，但建模理論分析尤為重要。在理論分析過程中，還必須借助作圖和邊界條件的處理來達到分析和解決問題的目的。