浅析轨道式球阀的原理及结构设计

    目前，在化工、冶金、石油和造纸等工业领域使用的球阀主要有两种结构，一种为固定球式，另一种为浮动球式。固定式球阀是利用阀座嵌入支承圈后靠弹簧的预紧力和活塞效应使阀座与球体压紧而密封，浮动式球阀是利用阀体与接体间的密封垫片调整和控制球体与阀座间的预紧比压而密封。二者的共同点是球体在启闭过程中始终与阀座接触，导致启闭力矩过大，密封副磨损严重，使用寿命短，易泄漏，严重制约了其使用范围。而轨道式球阀克服了上述球阀的缺点，综合了闸阀、截止阀、旋塞阀和球阀的优点，提高了使用性能。
一、结构及工作原理
    轨道式球阀主要由阀体、阀盖、球体、阀杆、支承圈、销轴、轴套、导向螺钉、手轮、保护罩和指示杆等零部件组成（图1）。

    逆时针转动手轮时，带动阀杆螺母旋转，使阀杆上升。此时导向螺钉与阀杆上的螺旋槽直行程段限制阀杆只作上升运动，阀杆下部斜面与销轴配合，使球体先向左偏移一角度β，密封副脱离。阀杆继续上升，导向螺钉与阀杆螺旋槽配合，使阀杆作9O°转动。这时阀杆下部扁面与销轴配合，带动球体作9O°旋转后，调节阀开启。反之，顺时针转动手轮，阀杆下降.此时导向螺钉与阀杆的螺旋槽配合，使阀杆作9O°转动，阀杆下部扁面与销轴配合，带动球体作90。转动后，球体密封面对正阀座密封面。阀杆继续下降，这时导向螺钉限制阀杆只作下降运动，阀杆的下部斜面与销轴配合，产生楔力。带动球体压紧阀座，阀门关闭。阀杆仍可以继续下降，能对密封面继续施加强制密封力。
二、性能
    轨道式球阀开启时先偏移一角度β，密封面脱离后才转动，启闭过程中密封副无摩擦，有效地解决了密封面磨损的问题，使用寿命长，启闭力矩小。该阀采用固定的单阀座结构，不仅保证了双向零泄漏，又可避免双阀座阀门的中腔压力升高。阀杆下端的斜面提供了机械楔紧力，以保证持续可靠的密封，改变了普通球阀依靠介质力或弹簧预紧力实现密封的特点。经硬化处理的阀杆螺旋导槽与刚性导向螺钉控制阀杆的升降与转动，进而控制球体的偏移与旋转，达到控制阀门开启与关闭的目的。球体表面根据需要堆焊13Cr或硬质合金，能满足在非常苛刻工况下的密封。阀门采用顶装式，在系统泄压后，可在线检查及维修，使维护简单化。减少装置停车，降低生产的成本。
三、设计计算
    1、阀体壁厚与球体偏移角
    轨道式球阀的阀体最小壁厚采用ASMEB16.34附录中壁厚的计算公式进行计算，或按BS5351规定的壳体壁厚数据选取。阀门开启时，球体先绕阀杆轴向偏移的角度一般取1°~2°（图2）。

    2、密封比压
    阀门密封比压q为
   
    式中q--验算的实际比压，MPa
    Q_M--密封面上的总作用力，N
   
    Q_MJ--密封面上的介质力，N
    Q_MJ=0.785（d+bm）²p
    p--计算压力（常取p=PN），MPa
    d--密封面接触内径，mm
    b_m--密封面垂直宽度，mm
    Q_MF--密封面上达到必需比压时的作用力，N
    Q_MF=2qMFπRhcosα
    q_MF--密封面上的必需比压，查表或计算，MPa
    R--球体半径，mm
    h--密封面水平宽度，mm
    α--球体和阀座接触点与通道轴法向夹角，（°）
   若密封面上的实际工作比压q满足q_MF<q<[q]，则密封可靠。[q]为密封面材料的许用比压。
    3、阀杆强度核算
    ① 阀杆轴向力
    关闭时阀杆总轴向力Q_FZ′为
    Q_FZ′=K₁Q_MJ+K₂Q_MF+Q_P+ Q_Tsinα_L
    开启时阀杆总轴向力Q_FZ″为
    Q_FZ″=K₃Q_MJ+K₄Q_MF-Q_P+Q_Tsinα_L
    阀杆最大轴向力Q_FZ取Q_FZ′和Q_FZ″中较大值。式中K₁、K₂、K₃、K₄--系数（查表选取）
    Q_P--阀杆径向截面上介质作用力，N
    Q_P=0.785d_F²P
    d_F--阀杆与填料配合处直径，mm
    Q_T--阀杆与填料摩擦力，N
    Q_T=ψd_Fb_TP
    ψ--系数，查表（按h_T/b_T）
    h_T--填料深度，mm
    b_T--填料宽度，mm
    α_L--梯形螺纹的升角，查表或计算，（°）
    ② 轴向应力
    阀杆受到的轴向应力σ_L和σ_Y为
   
    式中σ_L--拉应力，MPa
    σ_Y--压应力，MPa
    F_S--阀杆最小截面积，mm²
    若σ_L≤[σ_L]，σ_Y≤[σ_Y]为合格。[σ_L]和[σ_Y]分别为阀杆材料的许用拉应力和压应力。
    ③ 阀杆总力矩
    关闭时阀杆总力矩M_F′为
    M_F′=M_FL′+M_FT
    开启时阀杆总力矩M_F″为
    MF″=M_FL″+M_FT
    式中M_FL′--关闭时阀杆螺纹摩擦力矩，N•mm
    M_FL′=Q_FZ′•R_FM
    R_FM--关闭时阀杆螺纹摩擦半径（查表确定），mm
    M_FL″--开启时阀杆螺纹摩擦力矩，N•mm
    M_FL″=Q_FZ″•R_FM′。
    R_FM′--开启时阀杆螺纹摩擦半径（查表确定），mm
    M_FT--阀杆与填料的摩擦力矩，N •mm
    M_FT=0.5Q_Td_Fcosα_L
    ④ 扭应力
    阀杆受到的扭应力τ_N为
   
    式中W_S--阀杆最小断面系数，mm
    若τ_N≤[τ_N]，阀杆强度为合格，[τ_N]为阀杆材料的许用扭应力。
四、结论
    轨道式球阀设计的关键在于传动和导向部分的计算，以及阀杆、销轴、导向螺钉和支承圈等受力零件的合理选材与热处理。该阀门有软密封和硬密封两种阀座，以适应不同场合的需要。抗硫型轨道式球阀其选材可根据NACE MR 0175的要求进行，并在制造过程中进行严格的质量控制和质量检测，以满足硫化环境工况。轨道式球阀以其独特的结构设计及合理的选材，能使其适应-196~600℃ 各种温度范围，驱动方式有手动、齿轮传动、电动、气动和液动等，是一种适应范围广泛的阀门。

    参考资料
     BS 5351-1986，石化工业用钢制球阀[S]
     NACE MR 0175-1990，油田设备用抗硫应力裂纹的金属材料[S].
     杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社.1992.
     洪勉成，陆培文，高凤琴.阀门设计计算手册[M].北京：中国标准出版社，1996.
     ASME B16.34-1996，法兰.螺纹和焊连接的阀门[S].

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