金屬密封耐磨損球閥的研究與設(shè)計(jì)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代工業(yè)的需求，金屬密封球閥在輸送特殊介質(zhì)的工況中（如紙漿、水煤漿和硅粉等含有固體顆粒的混合液）得到越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)工況要求，研制了金屬密封耐磨損球閥。
2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
金屬密封耐磨損球閥采用彈性具有自動(dòng)補(bǔ)償功能的閥座結(jié)構(gòu)，防止閥門在含有顆粒介質(zhì)的工況中或高溫情況下出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，提高了閥門使用壽命。球體和閥座具有良好的剪切和自潔功能，適合對顆粒介質(zhì)和纖維介質(zhì)的控制。閥桿采用側(cè)裝式，能確保填料處可靠密封以及閥桿防吹出。閥門采用雙向密封結(jié)構(gòu)，即提高了閥門的密封性能，也保證了介質(zhì)逆向流動(dòng)時(shí)的密封性能，為防止介質(zhì)倒流提供了必要的保障。球體和閥座密封面噴涂耐高溫高壓、耐腐蝕和耐磨損的硬質(zhì)合金。
3 技術(shù)處理
（1）金屬密封球閥的密封比壓較高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮密封比壓所需要的彈簧預(yù)緊力，采用下游閥座固定，上游閥座后設(shè)置碟形彈簧補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。
（2）考慮溫度對金屬材料的線性膨脹影響，采用高負(fù)載碟形彈簧。既提供了閥門密封比壓所需要的初始預(yù)緊力，也避免了因溫度原因引起球體與閥座卡阻現(xiàn)象，確保閥門啟閉靈活。由于固體顆粒介質(zhì)進(jìn)入碟簧行程區(qū)會(huì)引起碟簧卡阻失效，增設(shè)了碟簧保護(hù)結(jié)構(gòu)，確保閥門在低壓情況下的密封性能。
（3）由于輸送的介質(zhì)中所含的固體顆粒硬度較高，要求球體與閥座表面具有較高的硬度。否則，閥門啟閉的過程中會(huì)有固體顆粒鑲嵌在球體表面上，影響閥門的整體密封性能。因此球體表面與閥座表面噴涂碳化鎢鈷、鎳基合金或碳化鉻等材料。使密封表面硬度達(dá)到56～64HRC。不同的噴涂材料，可以獲得不同的硬度。
（4）閥座設(shè)計(jì)成具有自潔功能的刮刀結(jié)構(gòu)，在閥門啟閉過程中，能對球體表面吸附物進(jìn)行刮削，防止固體顆粒進(jìn)入閥門密封面，增加了閥門使用壽命。
（5）球體和閥座采用數(shù)控機(jī)床加工，專用球面磨床磨削，以及專用研磨機(jī)配對研磨。
4 設(shè)計(jì)計(jì)算
以浮動(dòng)式DN50-PN6.3金屬密封球閥為例（圖1，表1），進(jìn)行密封比壓、總摩擦扭矩、碟形彈簧負(fù)載的計(jì)算。
圖1 浮動(dòng)式金屬密封耐磨損球閥
表1 性能參數(shù)
4.1 密封比壓硬質(zhì)合金密封面的必需密封比壓qb為
（1）
式中 m———與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)
a和c———與密封材料有關(guān)的系數(shù)
P———流體的工作壓力，MPa
b———密封面在投影寬度，mm
計(jì)算得出qb=14.15MPa。
設(shè)計(jì)密封比壓q為
（2）
式中 Q———密封力（密封面處介質(zhì)力Qmj與碟形彈簧初始預(yù)緊力F的合力），N
D2———閥座外徑，mm
D1———閥座內(nèi)徑，mm
計(jì)算得出q=53.29MPa。
查表得材料許用比壓［q］=80MPa。因?yàn)閝b＜q＜［q］，金屬密封球閥密封比壓初步設(shè)計(jì)參數(shù)滿足要求。
4.2 總摩擦扭矩
浮動(dòng)球金屬密封球閥扭矩M為
M=Mm+Mt+Mμ （3）
式中 Mm———球體與閥座密封面間的摩擦扭矩，N·mm
Mm=Mm1+Mm2
Mm1———球體與左閥座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·mm
Mm2———球體與右閥座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·mm
QMZ———球體與右閥座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·mm
F———實(shí)際彈簧加載預(yù)緊力，N
fM———球面與密封面的摩擦系數(shù)
R———球體半徑，mm
φ———球體與密封圈接觸點(diǎn)與通道軸法向夾角，（°）
Mt———閥桿與填料間的摩擦扭矩，N·mm
Mt=1．2πμtdFhTP
μt———摩擦系數(shù)
dF———閥桿直徑，mm
hF———填料總深度，mm
Mμ———閥桿臺(tái)肩與止推墊間的摩擦扭矩，N·mm
DT———閥桿凸肩直徑，mm
將數(shù)值代入，可算得M。
4.3 碟形彈簧
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇無支承面碟形彈簧（圖2）。為保證最小必需比壓qminMPa，預(yù)緊作用力Q1和碟形彈簧負(fù)荷F為
圖2 碟形彈簧
因?yàn)檫x擇了無支承面碟簧，因此K4=1，總高H0=3.2mm，可壓總高h(yuǎn)0=2.2mm，外徑D=72mm，內(nèi)徑d=57.8mm，厚度t=1mm，減薄厚度t'=1mm，變形量f=1mm，彈性模量E=214000N/mm2，泊松比μ=0.3，可求得F=1629N。則F＞Q1，碟簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證球閥的初始密封。
4.4 參數(shù)分析
（1）根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可得qb＜q＜［q］，實(shí)現(xiàn)了球閥的金屬密封副密封。
（2）根據(jù)ASMEB16.34選取安全的閥門壁厚，并對中法蘭和螺栓螺母強(qiáng)度驗(yàn)算。
（3）根據(jù)計(jì)算獲得的總摩擦扭矩對閥桿強(qiáng)度校核，并根據(jù)總摩擦扭矩選擇合理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
（4）參照外型結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)準(zhǔn)，完成整套圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。
5 結(jié)語
閥門通過強(qiáng)度性能試驗(yàn)、密封性能試驗(yàn)、抗磨損性能試驗(yàn)以及實(shí)際工況使用證明，金屬密封耐磨損球閥適用于含有大量固體顆粒的高溫高壓介質(zhì)工況，如聚丙烯項(xiàng)目中反應(yīng)釜下料管道中含有大量聚丙烯顆粒工況，有機(jī)硅項(xiàng)目中含有高硬度硅粉顆粒工況等。
