新型單閥座雙偏心固定球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計
介紹了一種新型單閥座雙偏心固定球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點及密封工作原理，這些新結(jié)構(gòu)的使用，使得本閥門密封效果更加可靠，操作力矩得到有力控制，經(jīng)濟(jì)效益顯著，本閥門多用于水輪機入水口處，采用液壓操作。
一、前言
傳統(tǒng)球閥由于球體與閥座密封面始終接觸，啟閉過程中易造成球體與閥座密封面的磨損，從而導(dǎo)致閥門產(chǎn)生內(nèi)漏。為克服這一缺陷，將雙偏心蝶閥的設(shè)計理念融入到球閥的設(shè)計中來，研制出一種新型的球閥結(jié)構(gòu)——單閥座雙偏心固定球閥。
本系列球閥隸屬閥后密封結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)系統(tǒng)失靈時的斷流保護(hù)。本產(chǎn)品也可以用于城市供水及油品輸送等其他系統(tǒng)。閥門的操作方式可采用液壓重錘、蝸桿傳動、電動、液動及氣動等形式。
二、工作原理
本固定球設(shè)置兩個偏心結(jié)構(gòu)，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(nèi)圈 10.球體密封圈 11.限位塊 12.彈簧
圖1 偏心結(jié)構(gòu)
第一個偏心：閥桿的旋轉(zhuǎn)中心(中心1)與球體幾何中心在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)Y方向上設(shè)置一個偏心距a;第二個偏心：閥桿的旋轉(zhuǎn)中心(中心1)與球體幾何中心在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)X方向上設(shè)置一個偏心距b。
在閥門開啟位置時，閥座密封面和球體密封圈不接觸�，F(xiàn)以DN600、PN5.0MPa球閥為例簡要說明。設(shè)計上，取偏心距a為12mm，偏心距b為12mm，閥門在全開位置，閥座密封面和球體密封圈間距δ為10mm。
球體在操作機構(gòu)的帶動下，以中心1順時針旋轉(zhuǎn)，由于采用偏心的結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥座密封面和球體密封圈間的距離逐漸減小，當(dāng)旋轉(zhuǎn)83°時，兩者開始接觸，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)90°，限位結(jié)構(gòu)起作用，球體停止轉(zhuǎn)動，此時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，實現(xiàn)密封。
三、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計
1、閥座設(shè)計
本球閥在設(shè)計時考慮到主要用于單向截斷介質(zhì)，因此在結(jié)構(gòu)上采用單閥座設(shè)計，即密封閥座設(shè)置在閥門出口端，進(jìn)口端無閥座。閥門中腔開放，介質(zhì)的流動對中腔的沉積物可以自動進(jìn)行清洗。
傳統(tǒng)的球閥多采用雙閥座的結(jié)構(gòu)，在關(guān)閉位置，閥門中腔被兩個閥座隔離，當(dāng)閥門輸送介質(zhì)中含有泥沙等雜質(zhì)時，容易造成淤積。在閥門的啟閉過程中，淤積的雜質(zhì)常將密封圈刮傷，造成閥門內(nèi)漏。本新型結(jié)構(gòu)的球閥由于采用單閥座設(shè)計，中腔與進(jìn)口端直接相通，隨著閥門的逐漸關(guān)閉，過流面積不斷減小，介質(zhì)流速逐漸增大，淤積的雜質(zhì)被高速流動的流體沖刷帶走。
2、球體密封圈設(shè)計
球體密封圈與球體本體采用分體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)在很大程度上減少了球體的加工時間，提高了加工效率。而且可根據(jù)具體的使用工況條件選擇鑄造球體、半球體等結(jié)構(gòu)，節(jié)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(shè)置一道O形圈密封結(jié)構(gòu)，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，以防止更換零部件后裝配錯位，影響密封性。
3、密封圈設(shè)計
密封圈采用矩形截面結(jié)構(gòu)的聚氨酯或聚四氟乙烯等無毒材質(zhì)，整體成型，無須機加工，更換方便，如圖3所示。也可將閥座內(nèi)、外圈加工成溝槽，用O形圈代替矩形密封圈(此結(jié)構(gòu)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(nèi)圈
圖3 密封圈設(shè)計
4、球體固定結(jié)構(gòu)設(shè)計
球體采用上下支撐板固定式結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。球體上下端分別加工有一圓形臺階，通過軸套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(yīng)位置各精確加工一組銷釘孔，支撐板通過銷釘分別固定在左右閥蓋上。采用支撐板固定球體的結(jié)構(gòu)，介質(zhì)力作用于球體后通過支撐板被傳遞到閥體上，不會像傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)在設(shè)計閥桿時，只需要計算操作閥門的力矩，而不必計算閥桿承受的剪切力，相對來說，閥桿直徑比傳統(tǒng)固定式球閥要小。
1.閥體 2.閥柱銷 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(jié)構(gòu)
5、閥桿密封結(jié)構(gòu)設(shè)計
閥桿密封處結(jié)構(gòu)設(shè)計屬動密封類，對于頻繁動作的閥門，若閥桿密封設(shè)計不合理，閥門啟閉一段時間后常會造成密封件的失效，產(chǎn)生泄漏。本球閥閥桿密封結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用O形圈和Y形密封圈組合的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥桿座中間采用自潤滑結(jié)構(gòu)的復(fù)合襯套，可明顯減小操作力矩，襯套兩端各設(shè)置一個Y形橡膠密封圈，安裝方向如圖5所示。此結(jié)構(gòu)不但密封效果顯著，而且還能有效防止灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入襯套而引起閥門操作力矩的增大或是損壞密封結(jié)構(gòu)。密封圈壓套內(nèi)外圓均設(shè)置一組O形圈密封結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)
四、壓力試驗與設(shè)計計算
該產(chǎn)品的壓力試驗方向為介質(zhì)流向方向(見圖6)，即閥門關(guān)閉，試驗介質(zhì)由閥門左側(cè)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(yīng)力使閥座密封圈緊壓球體密封座，實現(xiàn)密封，在承壓范圍內(nèi)，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 5.法蘭 6.閥蓋
圖6 介質(zhì)流向方向
此球閥為出口密封結(jié)構(gòu)，其典型計算項目如下。
1)閥體壁厚
(1)式中 p——計算壓力(設(shè)計給定);
Dn——計算內(nèi)徑(設(shè)計給定);
[σL]——許用拉應(yīng)力(查手冊表確定);
C——腐蝕余量(設(shè)計給定)。
2)密封比壓
(2)式中 p——計算壓力(設(shè)計給定);
DMW——閥座密封面外徑(設(shè)計給定);
DCH——后閥座與閥體配合套筒外徑(設(shè)計給定);
DMN——閥座密封面內(nèi)徑(設(shè)計給定);
R——球體半徑(設(shè)計給定);
h——密封面投影寬度(設(shè)計給定);
ψ——球體與密封圈接觸點與通道軸法向夾角(設(shè)計給定)。
五、結(jié)語
本結(jié)構(gòu)的球閥多采用鍛造結(jié)構(gòu)，閥門內(nèi)外表面均由機加工獲得，表面質(zhì)量比較好，便于對閥門內(nèi)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(tǒng)。本公司生產(chǎn)的DN600、PN5.0MPa及PN6.8MPa球閥為出口產(chǎn)品，現(xiàn)已交付用戶使用，工作運行狀態(tài)良好。
