1 概述
導(dǎo)向槽式升降桿球閥以開關(guān)迅速,無摩擦,啟閉力矩小,關(guān)閉時對密封面施加預(yù)緊力,密封安全可靠等優(yōu)良特性而廣泛應(yīng)用在石油、化工、采油、煉油、鋼鐵、火電和核電閥門等工業(yè)領(lǐng)域。
2 結(jié)構(gòu)特點
導(dǎo)向槽式升降桿球閥(圖1)由閥體、球體、閥座、球銷、閥蓋和閥桿等組成。球閥在開啟瞬間球體密封面脫離閥座密封面,然后回轉(zhuǎn)90°完成開啟,密封面間沒有摩擦,開啟力矩小。球閥關(guān)閉時,由于球體和閥座密封面有很小的間隙,回轉(zhuǎn)90°后,球體向閥座有微小的滾動,球體密封面壓向閥座密封面施加預(yù)緊力,整個關(guān)閉過程中球閥密封面間沒有摩擦。由于球閥密封面間摩擦力很小,密封面使用壽命長。球閥在啟閉回轉(zhuǎn)過程中,可將介質(zhì)中的硬顆粒甩掉,因此適合有顆粒的介質(zhì)。球閥的閥桿采用17-7PH沉淀硬化不銹鋼,球銷和導(dǎo)向銷采用美國440新材料,閥桿、球銷和導(dǎo)向銷采用真空淬火后,進行了表面硬化處理,以提高球閥的使用壽命。
3 結(jié)構(gòu)改進
3.1 硬密封閥座受力分析
導(dǎo)向槽式升降桿球閥硬密封閥座(圖2)密封比壓q為
圖3 彈性密封閥座
式中 q——密封比壓,MPa
QM——密封面上總作用力,N
p——公稱壓力,MPa
R——球體半徑,mm
h——密封面高度,mm
d——密封面接觸中徑,mm
bM——密封面寬度,mm
α——球體和閥座密封點與通道夾角,(°)
qMF——密封面上必須密封比壓,MPa
QMJ——密封面上介質(zhì)作用力,N
QMF——密封面上密封實際作用力,N
以1500CL-4in.導(dǎo)向槽式升降桿球閥為例,球體堆焊鈷基硬質(zhì)合金,閥座為1Cr13,實際密封比壓q=124MPa,qMF=90MPa,許用比壓[σ]=150MPa,滿足公式qMF<q<[σ]。由于球閥密封是剛性密封,要達到密封要求,球體硬密封球面圓度偏差要小于0.005mm。閥座密封面要求對研,須精度高。由于球閥關(guān)閉時球體與閥座有一個小角度的水平滾動,滾動角為1°~3°,對加工誤差要求很高。磨損后,不能補償,滾動角變大,易泄漏。
3.2 彈性閥座受力分析
鑒于剛性密封關(guān)閉力矩大,密封壽命短的現(xiàn)狀,將其改為彈性密封閥座(圖3),彈性閥座由外環(huán)和內(nèi)環(huán)過盈配合組成,用油壓機將外環(huán)和內(nèi)環(huán)壓合成一體。外環(huán)和內(nèi)環(huán)密封面結(jié)合處要求有縫隙δ,δ=0.7~0.9mm。A和B為雙重密封口,外環(huán)和內(nèi)環(huán)壓合成一體后,保存一定空間,截面積約15mm2。此空間容納帶壓介質(zhì),利于密封。介質(zhì)正向流動,內(nèi)環(huán)B處密封為副密封帶,介質(zhì)進入閥座空間后,外環(huán)A處為主密封帶。介質(zhì)反向流動,A為副密封口,B為主密封口。將B密封口簡化成固定端簡支梁。閥座材質(zhì)為17-7PH沉淀硬化不銹鋼,強度足夠大,根據(jù)材料力學(xué)進行彎曲剛度變形計算,B處受球體推力F作用,計算梁的變形量,即轉(zhuǎn)角θ和撓度ω(圖4)。
任一橫截面上的彎矩M為
M=-F(L-x)
由式(5)得
EJω″=M=-F(L-x)
積分得
在固定端A,轉(zhuǎn)角和撓度均等于0。即當X=0時,θA=0,ωA=0。把邊界條件代入式(6)和式(7),得
將所得積分常數(shù)C和D代入式(6)和式(7),得轉(zhuǎn)角方程和撓曲線方程為
以截面B的橫坐標x=L代入式(10)和式(11),得截面B的轉(zhuǎn)角和撓度分別為
以1500CL-4in.軌道球閥為例,將E、J、L代入式(12)和式(13),得
[θ]為*大許用變形量1×10-4rad,[f]*大許用變形量0.005mm。
4 結(jié)語
導(dǎo)向槽式升降桿球閥閥座改成彈性密封閥座后,關(guān)閉和開啟力矩比剛性密封閥座減小40%,密封性能好,可達零泄漏,使用壽命增加,易于在線維修。
參考文獻
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