由摩擦力矩公式研究球閥設計及質量控制

楊熙翀 ，吳玉良 ，陳堅 ，曹小紅

（1.浙江永盛科技股份有限公司，杭州 311400；2.溫州富技閥門有限公司，浙江 永嘉 325000；3.高特自控閥門有限公司，浙江 永嘉 325000；4.新疆昌吉特變能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

0 引言

球閥零件較多，各零件的強度、剛度及相互配合精度關乎整機綜合性能的優劣，在設計階段考慮的因素有很多，如閥體強度、球體剛度、閥桿強度及剛度等。球閥閥桿設計時，需計算球閥的驅動力矩，驅動力矩的組合項中，球體與閥座摩擦力矩是核心。

1 球體與閥座摩擦力矩計算公式

球體與閥座摩擦力矩公式如式（1）～式（3）所示，參數含義如圖1所示。

圖1 球閥結構示意圖

式中：M為球體與閥座間的摩擦力矩，N·m；F為球體與閥座間的摩擦力，N；r為球體與閥座間的當量摩擦半徑，m；Q為介質壓力作用于閥座密封上的力（方向與流體方向一 致），N；μ為球體與閥座間的摩擦因數；α為閥座密封面法向與流道中心線夾角；R為球體半徑，m。

2 球體與閥座間摩擦力矩公式工程解讀

由上述公式可知，M的主要影響因素有R、μ、介質壓力P、d、d1及D。為減小M的值，可縮小球體半徑R以減小當量摩擦半徑r；降低摩擦力F，而F的大小與球體表面與閥座表面的摩擦因數μ、介質壓力P及閥座直徑d1（對于固定球閥是D、d）相關。

球體半徑R不只是閥門公稱通徑的尺寸函數，R值是否可減小，需要復雜的計算，一般工程應用可參考文獻[1]中數值。球體材料采用奧氏體不銹鋼、高壓應用時，后文討論。

文獻[2]對球體與閥座間摩擦因數μ有詳細論述，在現有加工條件下，無論軟密封球閥還是硬密封球閥，密封副表面粗糙度越小，對摩擦因數降低越有益，故盡可能降低表面粗糙度，要求達到鏡面水平。

介質壓力P作用在閥座直徑上產生力Q，由于介質壓力P是定值，所以Q的大小取決于閥座直徑，尤其在管線球閥中，閥座外徑D太小，DIB試驗時閥座發生過量變形導致泄漏；另外，d1太小，球體與閥座密封副之間壓強升高，增加球體在此處的變形，進而影響摩擦力矩、閥門密封性能及壽命等。

3 球體與閥座的設計、工藝注意事項

3.1 球體的設計

如圖1所示，球體直徑Db=f(d、P、E、σs)，式中：d為產品標準規定的最小流道尺寸；P為介質壓力；E為球體材料彈性模量；σs為球體材料屈服強度。

做一個Db=52、d=25、dm=30的球體，用有限單元法對球體直徑進行計算，施加介質壓力45 MPa，分別采用碳鋼（Ec=2.02×105MPa）、不銹鋼（Es=1.95×105MPa），變形云圖如圖2所示。在密封中徑為dm=30的圓上，碳鋼球體的最大變形值為0.019 338 mm、最小變形值為0.018 872 mm、相對變形值為0.000 466 mm；不銹鋼球體的最大變形值為0.019 954 mm、最小變形值為0.019 471 mm、相對變形值為0.000 483 mm。可見，在相同幾何尺寸、相同受力情況時，彈性模量降低3.47%，球體的相對變形值增大3.65%。

圖2 球體變形云圖

本算例中球體是理想球體，沒有進行其他結構方面的設計，如浮動球球體銑驅動槽、固定球球體加工上下軸孔或樞軸，這些結構將會對球體剛度削弱。所以，對無成功工程應用經驗的球閥，需對球體結構、尺寸須進行優化設計后方可用于工程中。

另外，密封面寬度不宜過窄。對于軟密封球閥，雖然閥座使用彈性極大的高分子材料，如工程塑料、尼龍、聚四氟乙烯等，但不可將其寬度縮減過小，因為閥門在開啟過程中，高分子材料閥座在球體流道口發生擠壓變形，變形量過大會刮傷甚至切斷高分子材質閥座。對于硬密封球閥，密封面寬度過窄，在球體對應表面變形增大，開關過程中，閥座出現“爬坡過坎”現象，強制刮擦密封副，輕則導致球體、閥座表面擦傷（在球面3點、9點水平線上下一定寬度范圍內且3點或9點附近處最嚴重，而后逐漸減輕），增加閥門轉矩、出現泄漏，嚴重時撕裂涂層，使球體與閥座異常卡滯甚至扭變形、扭斷閥桿。

圖3（a）是國外某公司硬密封球閥閥座，可見密封面極寬。圖3（b）為國內某廠家生產的球體、閥座在未安裝前已產生良好的吸附態。

圖3 球體與閥座設計案例

3.2 球體的定位

如圖1所示，對于浮動球球閥球體，需對沿x、z軸平動和x、y軸轉動加以限制，只保留沿y軸平動和z軸的轉動。所以，浮動球球閥的兩個閥座對球體x軸和z軸的平動進行限制，由此可知該閥座需要承擔球體的自重，故軟密封浮動球球閥口徑不能過大，否則球體自重對高分子材料閥座會產生極大的偏置壓縮而損壞。對于硬密封，閥座密封面極寬，一方面是承受球體自重，另一方面是為了降低對球體的擠壓變形，從而延長噴涂層壽命并且在一定范圍內降低閥門轉矩。

對于固定球球閥的球體，須將沿x、y、z軸的平動和x、y軸的轉動加以限制，只保留沿z軸的轉動。此時，從對球體自由度限制方式出發，產生了上下穿軸和支撐板兩種結構，這對球閥各零件的加工人員素質、機加工裝備、工藝及過程質量控制手段有很高的要求，一般要求零件精度控制在±0.05 mm以內。

3.3 閥座的設計

球閥閥座也是關乎球閥質量優劣的重要零件。對于浮動軟密封球閥來說，有圖4所示3種常見結構形式。

圖4 常見閥座結構形式

圖4（a）所示閥座，閥門初始密封靠球體對軟質閥座的強行擠壓實現，其缺點如下：1）開關過程中在球口刮擦、切割閥座，密封性能隨著時間的推移變差，降低閥門壽命；2）高分子材料熱脹系數大于金屬，會出現高溫天氣裝配調試好的閥門，在寒冷季節泄漏，或寒冷季節裝配調試好的閥門在高溫天氣或高溫工況開關不暢；3）不滿足API 608中規定的中腔不積壓要求。

圖4（b）所示閥座較好地改善了填塞式閥座的缺點，閥門的密封可靠性、轉矩穩定性得到了極大的保證，但由于撓性預壓縮變形蓄能，閥門開啟時，閥座唇口與球體通道口發生一定程度的刮擦，如設計不當、長時間運行和高分子材料蠕變會發生閥座“切割”卡壞現象，所以該結構的閥座設計及使用要滿足API 608中規定的“PTFE和RPTFE溫度壓力額定值”的規定。

圖4（c）所示閥座吸取前兩類閥座的不足，將閥座裝入閥體中，產生一定量的弓起蓄能，當與球面接觸并裝配后，球面壓縮閥座表面，使閥座與球體吻合產生大的接觸面，降低密封比壓，并提高閥門密封能力，減小摩擦，提高閥門壽命，該閥座結構常見于過程工業中的高頻動作程控閥。

另外，對于高分子材料制成的閥座，在浮動球球閥的設計中，一定要注意球體與閥座間和閥座與閥體間密封比壓的關系，優秀的設計是閥座與閥體間比壓遠大于閥座與球體間比壓。

加工球閥閥座時尤其要注意高分子材料的幾個特性：1）高分子材料的成型工藝多為粉末燒結，所以成型后的零件有很大的殘余應力，在采取機加工方法獲得預期形狀、尺寸時，一定要采用合適方式消除燒結成型過程中的殘余應力，一般采用水淬工藝；2）高分子材料的導熱性能極差，在采用機加工方式獲得所需形狀、尺寸的時候，一定要注意刀具切削刃形狀、角度，保持鋒利，且切削速度不宜過快并有效冷卻，否則切削刃溫度過高會燙傷加工表面，降低密封面質量，需要大的預緊力實現密封效果，國外廠家一般采用模壓成型，不采用機加工方式獲得閥座；3）高分子材料的剛度、強度差，在機加工過程中，裝夾方式和裝夾力要合適，不能有大的和不均勻的變形，另外，粗加工、半精加工、精加工要分序，以降低殘余應力及變形，保證閥座的形狀公差。

對于固定式球閥的閥座，如果是服役于長輸管道，按照API 6D的要求需要DIB功能時，閥座的設計要考慮外壓下的失穩，可參考文獻[6]校核閥座壓應力。

3.4 閥座的安裝

對于軟密封浮動球球閥來說，在高分子材料制成的閥座與閥體安裝時，一定要注意徑向泄壓槽的設計，否則會發生介質壓力推動上游閥座在開關過程中進入球體流道口，產生剪切閥座現象。

對于金屬密封浮動球球閥，目前國內注重機加工工藝、過程質量控制的廠商生產的球體、閥座之間的密封已不是難題，在圖3（b）所示工況環境條件下能實現嚴密密封，而閥座與閥體間的密封需要重點關注和進一步研究。

對于固定球球閥，閥座與閥體之間一定要留有既能嚴格密封、又能靈活浮動的間隙，這樣方能提高球閥的綜合性能。

4 球閥主要零件的質量控制要點

從以上分析可知，球閥的主要零件的質量控制要點如下：

1）金屬材料的理化性能、金相組織及熱處理工藝需要嚴格控制，這些質量控制點影響球體、閥座等零件的物性參數，否則尺寸、形位公差和表面粗糙度達到加工要求的零件在后續使用中達不到設計預期。

2）對高分子材料要建立健全檢測手段，對物理性能，如密度、拉伸率、拉伸強度進行檢測，建立高分子材料的熱處理設備及工藝規程并嚴格執行。

3）對主要零件的加工工藝，如球體的加工，應采用“展成擺動式”工藝方法，防止球體被加工成橄欖球形；金屬硬密封球閥閥座的凹球面加工，可采用圖5（a）所示的加工裝備保證。

4）球體與閥座精密加工完成后，須進行配對精密研磨，研磨方式可用如圖5（b）所示裝備，使配對精研過程與閥門實際開關動作一致。

圖5 加工設備

5）球體、閥座表面要達到鏡面，另外，對于球體的圓度，一般金屬密封球體4 in及以下口徑圓度不超過5μm，4 in以上口徑圓度不超過0.01 mm，軟密封球體圓度可適當放大，但不超過0.02 mm為宜。

6）球體圓度檢測不宜使用三坐標測量儀，原因如下：a.不具有在線實時監測能力，只能在零件加工完成從機床卸下后判斷是否超差；b.三坐標測量球體圓度用數學插值法，測量數據是數學運算后的結果，與真實結果有出入。

7）注重工裝夾具設計、制造及質量控制，在工裝夾具制作過程中，可使用三坐標測量儀對工裝夾具的相對位置公差進行嚴格控制，來保證球閥零件的加工準確度。

8）閥座形狀公差控制，無論是浮動球閥還是固定球閥的閥座，閥座本身的圓度極其重要，如閥座不圓，在后期的裝配環節中就要加大預緊力，強制使閥座與球體或閥座與閥體吻合，這樣，雖可暫獲良好密封，但是增大閥門轉矩、犧牲閥門使用壽命。

9）控制球體本身及與之相關零件的位置公差，如固定球球體上下軸孔或樞軸的同心度、軸孔或樞軸與球體密封表面的同心度、浮動球球體的驅動槽與球體中心的對稱度等；另外，如上下穿軸式固定球球閥的閥體上、下軸孔同心度、支撐板結構固定球球閥左右閥蓋銷釘孔位置度等，這些位置公差對后期閥門的密封性能、轉矩影響巨大，在加工過程中需要著重注意并控制。

10）對于球體、閥座的表面處理工藝的控制，無論是電/化學鍍、冷噴、熱噴還是堆焊處理，均需在一定的溫度下進行，對各種表面處理的溫度需要進行綜合評估，尤其是熱噴及重熔工藝，在這類表面處理工藝中，由于溫度較高，對基體材料的熱影響極大，需要進行合理有效控制，在后續使用中方可防止應力釋放造成無規律變形引起的各類故障。

5 結語

產品的綜合性能及成本在設計階段就已經定型，所以性能優越的球閥，在設計階段需要對零件的尺寸公差、形狀公差、位置公差、表面粗糙度、材料理化性能進行合理規定，并對加工過程中裝備、工藝、工裝夾具進行高質量設計；在原材料獲取階段對各理化性能嚴格控制；加工過程中嚴格遵守加工工藝規程要求，及時有效實施在線檢測。只有這樣方可獲得預期質量要求的產品，而對零件的材料用量、理化性能要求，需要綜合度量，不可貿然以降低成本之名義過分縮減而造成不可控的質量缺陷，反而增加產品生產制造成本。