固定球閥力矩計算的探討

何順高 楊孝均 袁 偉 韓澤海

四川德維閥門有限公司 四川自貢 643000

1 概述

隨著現代工業的高速發展，閥門作為工業過程控制的重要組成設備。精良的設備，先進的制造工藝，大大提高了零部件的表面粗糙度，低扭矩、轉動靈活，密封可靠的閥門越來越受到重視。在球閥設計過程中力矩控制已作為一項至關重要的技術指標。球閥力矩計算的準確性對閥門結構設計、性能分析、材料選用、執行器選用等方面的影響都比較大。

球閥的開啟或關閉，是通過驅動閥桿，從而帶動球體的旋轉得以實現。驅動閥桿所需克服力矩主要由以下幾部分組成：(1)閥座密封面與球體表面的摩擦力矩；(2)滑動軸承與閥桿的摩擦力矩；(3)止推墊與閥桿的摩擦力矩；(4)O形圈與閥桿的摩擦力矩；(5)填料與閥桿的摩擦力矩。

閥門在啟閉過程中，所需要的啟閉力和啟閉力矩是變化的，其最大值是在關閉的最終瞬時和開啟的最初瞬時。有些特殊工況還對閥門啟閉過程中的速度有特殊要求。為了方便受力分析及研究，本文以閥門開啟瞬時為例，做受力分析及推導演算過程。

本文重點分析閥座密封面與球體表面之間的摩擦力矩，因不同的受力分析方法，會產生較大的計算差異。本文采用兩種不同的方法對閥座密封面與球體表面的摩擦轉矩進行分析、推演，提出了新的符合閥門實際條件的計算公式。

2 工作原理

球閥球體支撐固定方式有：球體為上下軸固定支撐，球體為壓蓋法蘭與固定軸支撐，球體為支撐板支撐。與閥桿接觸部位安裝滑動軸承和推力軸承，閥座密封圈安裝在具有活塞效應的閥座支撐圈內，閥座支撐圈徑向安裝槽內安裝有O型圈形成閥體與閥座支撐圈的密封。閥座支撐圈后面安裝預緊彈簧提供彈簧力使閥座壓向球體形成初始預緊密封。閥門關閉，進口端介質力作用在閥座支撐圈外徑與閥座密封面內徑形成環狀面積上，使閥座密封圈與球體表面緊貼壓緊形成密封。

3 力矩分析說明

球閥總力矩由多個相關部件的摩擦轉矩組成，本文僅對閥座密封面與球體表面之間的摩擦力矩進行受力分析、推演驗算，并提出新的計算公式，其余組成部分力矩計算按參考文獻計算公式。

為了實現球閥密封獲得最佳的密封效果，同時又能獲得較低的摩擦轉矩，保證密封所需作用力為預緊彈簧推力與閥座支撐圈上安裝的O型圈與閥體間的摩擦力之差。本文簡化計算，忽略了閥座支撐圈上O型圈與閥體間摩擦力的計算，假設密封所需作用力為彈簧預緊力。

這里提出了兩種不同思路的受力分析、推演，并提出新的計算公式，相互驗證得以證明該受力分析過程是正確的，是確實可行的。

4 閥座密封面與球體間摩擦力矩受力分析與計算

4.1 閥座密封面與球體間摩擦力矩的計算方法(一)(粗略計算法)

一個物體在另一個物體表面發生滑動時，接觸面間產生阻礙它們相對運動的摩擦，稱為滑動摩擦。滑動摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度的大小和壓力大小有關，壓力越大，物體接觸面越粗糙，產生的滑動摩擦力就越大。滑動摩擦力大小與物體運動的快慢無關，與物體間接觸面積大小無關。所以當閥座密封面與球體摩擦時，與接觸面積大小無關。計算摩擦力時可僅考慮作用在其上力的大小與摩擦系數的大小。

本方法為了計算簡便，對閥座作用于球體上的力不進行力的分解，假設其為作用于球體面是均勻分布、正向壓力。其作用力為介質作用力和最小密封比壓所需的作用力(本文假設為彈簧預緊力)之和，二力和用Q表示。Q通過閥座作用在球體上，實現閥座與球體間的密封。當開啟或關閉閥門時轉動球體，此時球體表面與閥座密封面間將產生摩擦力矩，摩擦力矩等于摩擦力與力臂的乘積，摩擦力等于作用在球體上的力Q與密封面摩擦系數f的乘積；摩擦力的方向與接觸面相切，因此得出如下計算公式推導過程：

球體與閥座密封面的摩擦轉矩MM(N.mm)：

MM=Qfr

(1)

介質及彈簧預壓作用于球體的力Q(N)：

Q=2QYJ+QMJ

(2)

閥座承受的介質作用力QMJ(N)：

(3)

進、出口端均受彈簧預緊力的作用，彈簧預緊力QYJ(N)：

(4)

qmin——預緊所必需的最小比壓，qmin=0.1P(MPa)，且應保證大等于2MPa。

摩擦半徑r(mm)：

(5)

式中：f——球體與閥座之間的摩擦系數；

R——球體半徑(mm)；

α——閥座與球體密封處與通道中心的夾角；

DHJ——閥座O型圈外徑(mm)；

DMN——閥座密封面內徑(mm)；

P——流體壓力(MPa)；

DMW——閥座密封面外徑(mm)。

綜合以上公式(1)至(5)，得出以下公式：

(6)

4.2 閥座密封面與球體間摩擦力矩的計算方法(二)(力的分解法)

本方法采用力的分解法，介質作用力和彈簧預緊力的合力Q直接共同作用在閥座上(見圖1和圖2)，因為Q為主動力，作用在球面上時，分解為兩個力，一個是指向圓心的徑向力NMJ，一個是切向力NMF。切向力NMF乘摩擦系數即為切向的摩擦力，切向摩擦力乘以摩擦半徑r即為切向摩擦力矩M1。徑向力對球體產生的力矩計算，需對徑向力進行分解，一個是沿水平方向X軸的力，此力力臂為0，其力矩計算為0，所以沿水平方向X軸的力不予計算；另一個是垂直于水平方向X軸的力NMN，此力大小作用在球體上的半徑為r1，從而可計算出球體與閥座密封面在徑向方向的摩擦力矩M2。綜合M1和M2即可得閥座密封面與球體間的摩擦力矩MM。整個計算過程如下：

球體與閥座密封面的總摩擦轉矩M(N.mm)：

MM=M1+M2

(7)

球體與閥座密封面在切向方向的摩擦力矩M1(N.mm)：

M1=NMFfr

(8)

球體與閥座密封面在徑向方向的摩擦力矩M2(N.mm)：

M2=NMNfr1

(9)

球體承受的介質及彈簧預壓共同作用的切向力NMF(N)：

NMF=Qsinα

(10)

球體承受的介質及彈簧預壓共同作用的徑向力在垂直方向Y軸上的分力(N)：

NMN=NMJsinα

(11)

球體承受的介質及彈簧預壓共同作用的徑向壓力(N)：

NMJ=Qcosα

(12)

徑向力在Y軸上的分力所作用的摩擦半徑r1(mm)：

r1=rcosα

(13)

綜合公式(7)到(13)，可得以下摩擦力矩計算公式：

(14)

式中計算所需數據與計算方法(一)中的數據相同。

圖1 球閥密封結構

圖2 球體在密封面處受力近似分析圖

5 總力矩的計算

5.1 驅動閥桿的總力矩

M=MM+MC+MU+MO+MT

(15)

5.2 閥座密封面與球體間的摩擦力矩

MM結果見上文的公式(6)或公式(14)。

5.3 滑動軸承的摩擦力矩(參照參考文獻[1])

(16)

5.4 止推墊的摩擦力矩(參照參考文獻[1])

(17)

5.5 O形圈摩擦力矩(參照參考文獻[1])

(18)

5.6 閥桿與填料的摩擦力矩(參照參考文獻[1])

MT=0.6πμTdT2PH

(19)

6 計算數據對比

現在以NPS8-CLASS600，NPS4-CLASS300，NPS10-CLASS 1500的固定球閥為例，分別采用文獻[1]、文獻[2]中的公式及本文提及的公式分別計算，并根據型式實驗得出下表的對比數據表。

計算數據與相關數據對比表

結語

通過以上對比表數據顯示，球閥閥座密封面與球體表面間的摩擦力矩計算誤差較大，其主要原因在于對閥門密封面受力分析、推演及計算方法上存在不同的認識出現的偏差。本文通過對閥座密封面與球體表面摩擦力矩的重新推演、驗證，得出了新的計算公式。其結果可以滿足閥門執行器的選型及作為閥門設計的一項重要指標。希望同行技術人員提出合理的意見和建議，不斷提高閥門性能，獲得更好的經濟效益。