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(yōu)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(fā)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(guī)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(yōu)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(fā)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(tài)。

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(fā)，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(yōu)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(jié)泄漏，或寒冷季節(jié)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(guī)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(wěn)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(fā)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(fā)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(guī)定的“PTFE和RPTFE溫度壓力額定值”的規(guī)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(yè)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(yōu)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(wěn)，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(fā)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(huán)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(xù)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(guī)程并嚴格執(zhí)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(jiān)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(huán)節(jié)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(xù)使用中方可防止應力釋放造成無規(guī)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(yōu)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(guī)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(guī)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。