新型單閥座雙偏心固定球閥結構設計

　　介紹了一種新型單閥座雙偏心固定球閥結構設計的主要特點(diǎn)及密封工作原理，這些新結構的使用，使得本閥門(mén)密封效果更加可靠，操作力矩得到有力控制，經(jīng)濟效益顯著(zhù)，本閥門(mén)多用于水輪機入水口處，采用液壓操作。

一、前言

　　傳統球閥由于球體與閥座密封面始終接觸，啟閉過(guò)程中易造成球體與閥座密封面的磨損，從而導致閥門(mén)產(chǎn)生內漏。為克服這一缺陷，將雙偏心蝶閥的設計理念融入到球閥的設計中來(lái)，研制出一種新型的球閥結構——單閥座雙偏心固定球閥。

　　本系列球閥隸屬閥后密封結構，主要用于水力發(fā)電站水輪機入口端，介質(zhì)為常溫水，用于發(fā)電機組檢修或機組調節系統失靈時(shí)的斷流保護。本產(chǎn)品也可以用于城市供水及油品輸送等其他系統。閥門(mén)的操作方式可采用液壓重錘、蝸桿傳動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)及氣動(dòng)等形式。

二、工作原理

　　本固定球設置兩個(gè)偏心結構，如圖1所示。

1.閥體 2.左閥蓋 3.左法蘭 4.球體 5.右閥蓋 6.右法蘭 7.閥座外圈8.密封圈 9.閥座內圈 10.球體密封圈 11.限位塊 12.彈簧

圖1 偏心結構

　　第一個(gè)偏心：閥桿的旋轉中心(中心1)與球體幾何中心在旋轉平面內Y方向上設置一個(gè)偏心距a;第二個(gè)偏心：閥桿的旋轉中心(中心1)與球體幾何中心在旋轉平面內X方向上設置一個(gè)偏心距b。

　　在閥門(mén)開(kāi)啟位置時(shí)，閥座密封面和球體密封圈不接觸�，F以DN600、PN5.0MPa球閥為例簡(jiǎn)要說(shuō)明。設計上，取偏心距a為12mm，偏心距b為12mm，閥門(mén)在全開(kāi)位置，閥座密封面和球體密封圈間距δ為10mm。

　　球體在操作機構的帶動(dòng)下，以中心1順時(shí)針旋轉，由于采用偏心的結構設計，閥座密封面和球體密封圈間的距離逐漸減小，當旋轉83°時(shí)，兩者開(kāi)始接觸，繼續旋轉，球體密封圈逐漸擠壓閥座密封面，閥座產(chǎn)生軸向位移與彈簧產(chǎn)生壓縮力建立球體與閥座的密封，直至球體旋轉90°，限位結構起作用，球體停止轉動(dòng)，此時(shí)依靠彈簧的彈性勢能及介質(zhì)壓力作用，將閥座密封面緊貼于球體密封圈上，實(shí)現密封。

三、主要結構設計

1、閥座設計

　　本球閥在設計時(shí)考慮到主要用于單向截斷介質(zhì)，因此在結構上采用單閥座設計，即密封閥座設置在閥門(mén)出口端，進(jìn)口端無(wú)閥座。閥門(mén)中腔開(kāi)放，介質(zhì)的流動(dòng)對中腔的沉積物可以自動(dòng)進(jìn)行清洗。

　　傳統的球閥多采用雙閥座的結構，在關(guān)閉位置，閥門(mén)中腔被兩個(gè)閥座隔離，當閥門(mén)輸送介質(zhì)中含有泥沙等雜質(zhì)時(shí)，容易造成淤積。在閥門(mén)的啟閉過(guò)程中，淤積的雜質(zhì)常將密封圈刮傷，造成閥門(mén)內漏。本新型結構的球閥由于采用單閥座設計，中腔與進(jìn)口端直接相通，隨著(zhù)閥門(mén)的逐漸關(guān)閉，過(guò)流面積不斷減小，介質(zhì)流速逐漸增大，淤積的雜質(zhì)被高速流動(dòng)的流體沖刷帶走。

2、球體密封圈設計

　　球體密封圈與球體本體采用分體結構，如圖2所示，螺栓聯(lián)接、球體密封圈的密封部位球面半徑比球體本體半徑大2～4mm，這樣加工時(shí)只需要研磨出球體密封圈密封部位的球面即可，球體的其他部位表面粗糙度及其材料可不作較高的要求。

1.球體密封座 2.O形圈 3.球體

圖2 分體結構

　　這種結構在很大程度上減少了球體的加工時(shí)間，提高了加工效率。而且可根據具體的使用工況條件選擇鑄造球體、半球體等結構，節約生產(chǎn)制造成本。為防止介質(zhì)從連接的間隙處泄漏，在球體與密封圈連接處設置一道O形圈密封結構，確保球體本體與密封圈的密封。為方便以后維修更換零部件，在球體本體與球體密封圈之間打定位銷(xiāo)，以防止更換零部件后裝配錯位，影響密封性。

3、密封圈設計

　　密封圈采用矩形截面結構的聚氨酯或聚四氟乙烯等無(wú)毒材質(zhì)，整體成型，無(wú)須機加工，更換方便，如圖3所示。也可將閥座內、外圈加工成溝槽，用O形圈代替矩形密封圈(此結構對加工精度的要求較高)。

1.密封圈 2.閥座外圈 3.O形圈 4.閥座內圈

圖3 密封圈設計

4、球體固定結構設計

　　球體采用上下支撐板固定式結構設計，具體結構如圖4所示。球體上下端分別加工有一圓形臺階，通過(guò)軸套Ι和自潤滑軸套Ⅱ與球體支撐板配合，球體支撐板兩端及左右閥蓋相對應位置各精確加工一組銷(xiāo)釘孔，支撐板通過(guò)銷(xiāo)釘分別固定在左右閥蓋上。采用支撐板固定球體的結構，介質(zhì)力作用于球體后通過(guò)支撐板被傳遞到閥體上，不會(huì )像傳統固定球閥那樣將介質(zhì)力傳遞到閥桿上。

　　因此，采用支撐板固定球體的結構在設計閥桿時(shí)，只需要計算操作閥門(mén)的力矩，而不必計算閥桿承受的剪切力，相對來(lái)說(shuō)，閥桿直徑比傳統固定式球閥要小。

1.閥體 2.閥柱銷(xiāo) 3.球體支撐板 4.球體 5.軸套 6.自潤滑軸套II

圖4 球體固定結構

5、閥桿密封結構設計

　　閥桿密封處結構設計屬動(dòng)密封類(lèi)，對于頻繁動(dòng)作的閥門(mén)，若閥桿密封設計不合理，閥門(mén)啟閉一段時(shí)間后常會(huì )造成密封件的失效，產(chǎn)生泄漏。本球閥閥桿密封結構如圖5所示，采用O形圈和Y形密封圈組合的密封結構設計，閥桿座中間采用自潤滑結構的復合襯套，可明顯減小操作力矩，襯套兩端各設置一個(gè)Y形橡膠密封圈，安裝方向如圖5所示。此結構不但密封效果顯著(zhù)，而且還能有效防止灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入襯套而引起閥門(mén)操作力矩的增大或是損壞密封結構。密封圈壓套內外圓均設置一組O形圈密封結構，密封效果很好。

1.密封圈壓套 2.閥體 3.O形圈 4.墊片 5.閥桿6.閥桿座 7.襯套 8.Y形密封圈

圖5 閥桿密封結構

四、壓力試驗與設計計算

　　該產(chǎn)品的壓力試驗方向為介質(zhì)流向方向(見(jiàn)圖6)，即閥門(mén)關(guān)閉，試驗介質(zhì)由閥門(mén)左側進(jìn)入，初始密封主要依靠彈簧的加載力保證，較高介質(zhì)壓力下，依靠DCH和DMP的面積差形成的活塞效應力使閥座密封圈緊壓球體密封座，實(shí)現密封，在承壓范圍內，壓力越大，密封效果越好。

1.球體 2.球體密封座 3.密封圈 4.圓柱銷(xiāo) 5.法蘭 6.閥蓋

圖6 介質(zhì)流向方向

　　此球閥為出口密封結構，其典型計算項目如下。

　　1)閥體壁厚

(1)

　　式中 p——計算壓力(設計給定);

　　Dn——計算內徑(設計給定);

　　[σL]——許用拉應力(查手冊表確定);

　　C——腐蝕余量(設計給定)。

　　2)密封比壓

(2)

　　式中 p——計算壓力(設計給定);

　　DMW——閥座密封面外徑(設計給定);

　　DCH——后閥座與閥體配合套筒外徑(設計給定);

　　DMN——閥座密封面內徑(設計給定);

　　R——球體半徑(設計給定);

　　h——密封面投影寬度(設計給定);

　　ψ——球體與密封圈接觸點(diǎn)與通道軸法向夾角(設計給定)。

五、結語(yǔ)

　　本結構的球閥多采用鍛造結構，閥門(mén)內外表面均由機加工獲得，表面質(zhì)量比較好，便于對閥門(mén)內外表面作防腐處理，特別適用于供水等輸送清潔型介質(zhì)的系統。本公司生產(chǎn)的DN600、PN5.0MPa及PN6.8MPa球閥為出口產(chǎn)品，現已交付用戶(hù)使用，工作運行狀態(tài)良好。