淺析螺紋連接球閥的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、T 形柄、壓緊密封淺析螺紋連接球閥的設(shè)計(jì)要點(diǎn)（日豐企業(yè)集團(tuán)有限公司）摘 要：本文介紹了螺紋連接球閥的典型結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了球閥通用件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并論述了球閥密封夾角的設(shè)計(jì)和球閥壓緊密封量的設(shè)計(jì)原則。關(guān)鍵詞：通用件的設(shè)計(jì)、密封夾角、量球閥是 20 世紀(jì) 50 年代問(wèn)世的一種新型閥 ?T，具有外型尺寸小、質(zhì)量較輕、密封性好、流體阻力小、開關(guān)迅速方便、便于氣控和電控、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性高、維修方便等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的歡迎，因此在各行各業(yè)的管道上被廣泛采用 1 。球閥在管路中主要用來(lái)做切斷、分配和改變介質(zhì)的流動(dòng)方向，它只需要用旋轉(zhuǎn) 90 度的操作就能關(guān)閉嚴(yán)密，最適宜做開關(guān)、切斷閥使用。但是如果球閥設(shè)計(jì)

2、不合理，就會(huì)出現(xiàn)閥桿斷裂、手柄斷裂、啟閉卡阻、內(nèi)漏等問(wèn)題；因此有必要對(duì)球閥設(shè)計(jì)的要點(diǎn)作進(jìn)一步的探討和研究。球閥的類別有很多，按照對(duì)外連接形式可以分為法蘭球閥、焊接球閥、螺紋連接球閥、卡箍球閥等。這里主要討論公稱通徑不大于 DN100 的螺紋連接球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。1、球閥通用件的設(shè)計(jì)球、閥桿、手柄等球閥通用件的設(shè)計(jì)優(yōu)劣，直接影響著球閥的造型、使用性能和操作體驗(yàn)，由優(yōu)質(zhì)的通用件構(gòu)建零件標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)， 可以簡(jiǎn)化新產(chǎn)品開發(fā)工作，對(duì)項(xiàng)目管理意義重大。（ 1）球的設(shè)計(jì)球體的直徑大小影響著球閥結(jié)構(gòu)的緊湊性，所以球閥設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確定球體的大小，即確定球孔直徑d 和球體直徑D。球閥通孔d 等于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥體通道

3、直徑。球體直徑按 D=（ 1.5 1.9） d 計(jì)算，對(duì)小口徑球閥D 取相對(duì)大值，反之取較小值。為了保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后，須按下式校核：，應(yīng)滿足 D>Dmin，式中：Dmin 球體最小計(jì)算直徑， D2閥座密封面外徑， d 球孔直徑， D球體實(shí)際直徑。密封夾角的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。球閥在關(guān)閉過(guò)程中，介質(zhì)剛好被關(guān)斷時(shí)至球閥完全關(guān)閉球體旋轉(zhuǎn)所形成的夾角，稱為密封夾角 A，如圖 3 所示。球閥標(biāo)準(zhǔn) EN13828 規(guī)定：對(duì)于公稱通徑 DN850 的球閥， A 最小 6°；對(duì)于公稱通徑 DN65 100 球閥， A 最小 5°。在確定球體直徑后，需對(duì)密封夾角進(jìn)行

4、設(shè)計(jì)和驗(yàn)算， 驗(yàn)算公式： A=90° -arcsinD3/D-arccos（ L6/D），式中： D球體直徑， D3閥座密封面內(nèi)徑， L6球體通孔兩端面的距離。球體結(jié)構(gòu)的確定。 由于自身重力作用， 尤其大規(guī)格球體，長(zhǎng)期使用后可能出現(xiàn)球體輕微的下移現(xiàn)象，導(dǎo)致球孔中心偏離閥體中心， 球閥啟閉時(shí)密封副圓周受力不均勻， 容易磨損。所以，對(duì)于直徑在 40mm 以上的球體，通常采用空心鑄造結(jié)構(gòu)，以降低球體本身的重量。（ 2）閥桿的設(shè)計(jì)球閥借助手柄在閥桿上端施加一定的轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，使它旋轉(zhuǎn) 90°，完成全開或全關(guān)的動(dòng)作 2 ，可見閥桿承載著力矩傳動(dòng)的作用，在閥桿設(shè)計(jì)時(shí)要著重保證其強(qiáng)度

5、性能。應(yīng)盡量保證各斷面強(qiáng)度相當(dāng)，避免出現(xiàn)過(guò)份薄弱斷面。閥桿主要有兩種結(jié)構(gòu)形式。閥桿凸肩部位的設(shè)計(jì)。為保證球閥在使用時(shí)閥桿不被沖出，閥桿凸肩直徑需要大于閥桿直徑，且凸肩要有一定的厚度。 通常，“ d4-d1”=1 3mm ，“ d5-d3” =2.5 6.5mm ， L1=1 3mm ，具體實(shí)際數(shù)值由球閥規(guī)格和結(jié)構(gòu)而定，小規(guī)格球閥取較小數(shù)值，反之取較大數(shù)值。閥桿插入球體的深度（即“L2-L1”），設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮球體轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性，又要考慮球體轉(zhuǎn)動(dòng)的受力均勻性。球閥規(guī)格不同，閥桿閥球配合深度也不相同，小規(guī)格球閥一般要達(dá)到2.5mm以上，大規(guī)格球閥可以達(dá)到10mm 以上。另外，閥桿的材質(zhì)、加工工藝對(duì)閥

6、桿性能影響也很大。閥桿應(yīng)盡量選用含銅量高的銅材（如HPb59-1、C37700 等）或優(yōu)質(zhì)不銹鋼，經(jīng)去應(yīng)力退火處理等，以保證閥桿足夠的強(qiáng)度。（ 3）手柄的設(shè)計(jì)球閥通過(guò)手柄實(shí)現(xiàn)啟閉動(dòng)作，手柄的設(shè)計(jì)直接影響著操作者的體驗(yàn)。球閥在啟閉過(guò)程中，預(yù)緊力始終作用在啟閉密封副的摩擦面上，致使球閥啟閉力矩大于其他類型的閥門3 。所以，設(shè)計(jì)手柄時(shí)要充分考慮球閥啟閉手感。根據(jù)力矩公式 MF=F?L，當(dāng)力矩一定時(shí)， 力與距離成反比。 為了方便球閥啟閉，在操作空間允許的條件下，要盡量選擇較大的手柄長(zhǎng)度和盡量便于握持的手柄高度。手柄按形狀主要分一字柄和 T 形柄，一字柄多為不銹鋼材質(zhì)，用于直通球閥、大規(guī)格球閥。一字柄結(jié)

7、構(gòu)簡(jiǎn)單，這里主要介紹一下 T 形柄的設(shè)計(jì)。 T 形柄一般為鋅合金、鋁合金材質(zhì)，多用于角式球閥和公稱通徑不大于 DN25 的球閥。首先， T 形柄的操作部位面積要大，即圖 6 所示的 K 面，主要由尺寸 L3、L4、h1 構(gòu)成，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)球閥規(guī)格需重點(diǎn)優(yōu)化這部分的尺寸比例。其次， T 形柄操作部位外形過(guò)渡要圓滑，即 R1、 R2 兩個(gè)圓角，盡量避免尖銳棱角。第三，手柄檔塊長(zhǎng)度 L5，一部分與閥體檔塊配合，形成限位，同時(shí)剩余一部分高于閥體檔位，便于球閥啟閉的靈活性。為了兼顧球閥使用的靈活性和限位的可靠位， L5 一般為 57mm ，其中限位部分的長(zhǎng)度約占到 2/3 。第四，手柄檔塊厚度 t 不能太

8、薄，為保險(xiǎn)起見，根據(jù)手柄大小可取 2.5 3.5mm 。3、壓緊密封量的確定球閥的內(nèi)密封原理是，在閥體、閥蓋壓緊力作用下，閥座與球體壓緊，并使閥座材料產(chǎn)生彈塑性變形而達(dá)到密封，其密封效果取決于閥座在流體壓力或預(yù)緊力的作用下，能夠補(bǔ)償球體不圓度和表面微觀不平度的程度，即密封面上所形成的密封比壓需滿足密封判別條件：qb qq，式中：q代表密封比壓（單位：bar）； qb代表密封必需比壓（bar ）；q 代表許用比壓（ bar）。由經(jīng)驗(yàn)計(jì)算可知，滿足密封必需比壓要求，球閥閥座材料壓縮量一般要大于0.6mm 。從確保閥門密封的可靠性及延長(zhǎng)其使用壽命的角度出發(fā)，密封壓縮量應(yīng)當(dāng)大，但壓緊密封量增大，會(huì)增大

9、操作力矩4 ，不方便球閥的使用， 實(shí)際球閥閥座材料壓縮量通常取0.8 1.4mm。選取壓緊密封量時(shí)，要綜合考慮閥座材質(zhì)硬度、球閥規(guī)格、手柄操作性等等因素，對(duì)于閥座材質(zhì)硬度較高、球閥規(guī)格大、手柄不便受力的產(chǎn)品，壓緊密封量應(yīng)取較小值，反之取較大值。總結(jié)：球閥設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)使用環(huán)境、球閥規(guī)格、閥座材質(zhì)等因素，合理設(shè)計(jì)壓緊密封量，優(yōu)化閥球、閥桿、手柄的設(shè)計(jì)尺寸和性能，確保球閥優(yōu)異的密封性和良好的操作使用性，提高開發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：1 張曉，余曉明，朱祥政，雷會(huì)玉，史明闖，球閥球體與閥桿一體化設(shè)計(jì)與分析 J，機(jī)械制造， 2014 年 1 月，第52 卷（第 593 期）： 53-562 曹平富，超