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            小口徑浮動球球閥閥座壓縮量的分析

            類別:球閥 | 發布日期:2020年10月22日

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            1、概述

            小口徑浮動球球閥結構簡單,工作壓力低,一般 只要在現場對閥座壓縮量適度調整,都能使 密封性能達到規模生產的要求,但如果同時還要求 規范啟閉力矩和使用壽命,就需要針對的特 殊性能和閥座的結構特征,分析閥座的壓縮量和受 力狀態,優化閥座壓縮量和密封件的結構尺寸,滿足閥座性能的各項要求。

            2、閥座壓縮量

            閥座的設計壓縮量叭J由預壓縮量、定形壓 縮量A和磨損補償量構成。

            2.1、預壓縮量 球閥出口端閥座的靜密封面與動密封面一樣都是通過閥體、閥蓋和球體對閥座預壓縮和介質壓力的共同作用獲取密封力。由于介質作用力 分擔了出口端部分密封力,因此預壓縮量應從必須壓縮量中減去介質壓縮量öJZ 單側閥座預壓 縮量為

            (1)必須壓縮量60 閥座必須壓縮量由動密封面x軸向壓縮量和靜 密封面壓縮量疊加。根據虎克定律按各自必須比壓 qd或,訓一算動密封壓縮率或靜密封壓縮率。

            以球體與閥座上圓角r的切點為基點,其至靜 密封面的距離設為閥座承壓的基礎厚度。則實 現密封的單側x軸向必須壓縮量為

            式中一一一動密封面的x軸向壓縮量

            球閥關閉時,介質壓力Ps通過球體作用于出口端閥座,使其獲得介質作用力FMJO FMJ = APS (4)由此動密封面和靜密封面各自向中性面擠壓,但動密封面Y軸投影面積蓋與靜密封面積召并不相等,因此取其平均值計算閥座的介質壓應力為

            2.2、 定形壓縮量厶

            (1) 密封件加工偏差絕對值總量 密封件加工偏差累積量,使閥體、閥蓋和球體型腔收縮產生壓縮量。這些偏差主要來自于閥體(閥蓋)接口面至靜密封面間距的負偏差,閥座承壓基礎厚度的正偏差,球體直徑正偏差以及球體圓度公差。因加工精度限制,累積量一般集中在加工偏差絕對值總量的50%、80%之間。由于動密封寬度的要求累積量不宜低于總量的50%,因此試圖利用組裝時正負偏差互相對沖,對零件取雙向偏差(其實質是對公稱尺寸的修正)以獲取所需壓縮量的可能性較小。

            (2) 壓縮變形
            PTPE在25 ℃時的假屈服極限 14• 3MPa[2],當閥座承受該壓力24h后會產生巧• 44%壓縮變形,其中8 • 12%為永久變形田。利用這個特性,按密封件加工偏差絕對值總量的70%、80%設置定形壓縮量A,迫使閥座壓縮變形后與球體表面、閥體和閥蓋靜密封面貼實,補償密封面微觀不平度和球體不圓度的不足,在閥座錐面擠壓出有效穩定的球形密封面。在定形之后定形壓縮量包括可能超出的加工偏差,依靠冷流負荷在變形流失中緩慢消除。取50%為定形壓縮量時,閥座結構尺寸會進一步縮減,但該組尺寸并不能滿足80%對閥座強度的要求。因此閥座的定形壓縮量A和閥座承壓基礎厚度(圖 )均取決于密封件實際的加工工藝水平。若按密封件加工偏差絕對值總量的70%設定A ,則 :A/8口%一8 • 64

            2.3、磨損補償量 根據球閥公稱壓力下滿足密封性能啟閉次數” 的要求,按平均磨損率、密封時閥座平均壓強%與磨損試驗壓力之比六計算磨損補償量。

            2.4、試驗數據

            (1)、壓縮彈性模量E
            試驗用的4組PTFE壓縮彈性模量為268、265、 303和284MPa,平均值為E =280MPao低于各資料中的彈性模量、拉伸彈性模量或彎曲彈性模量。
            (2)、磨損量
            在2• 0MPa壓力下,不銹鋼球在濕潤面來回摩擦2 000次,二組平均磨損量為0•巧m,平均磨損率:7巧E -7mm/次(注:此數據及壓縮彈性模量均經過測定)。
            (3)、定形壓縮量
            將球體和閥座裝人由閥體和閥蓋組成的球形腔中(DN = 41mm,r = 2mm,:60。,:32mm),巧組 D№0球閥測定數據顯示,由于閥座在生產儲存過程產生扭曲變形0• 30n皿,24h后全部矯正至設計尺寸。以此為測量基點,6個月后單個閥座定形壓縮量平均值A:0• 33mm,變形率為8%一8巧%。與文獻[ 1 ]中的變形率略有波動,時間也延長至半年以上??梢?,閥座在設定的壓縮型腔中,經歷了矯正變形(增強沒有這個過程或不明顯)、永久變形和密封(彈性)變形3個過程。前2個過程分界線是閥座設計尺寸,后2個過程的分界線是假屈服極限。 相關,是維持閥門正常啟閉壽命的基本條件。

            3.1、出口端閥座總軸向密封力FMZ

            由于閥座和殼體不是粘接密封而是壓縮密封,因此出口端閥座軸向總密封力FMZ應由閥座軸向動密封力FdX和靜密封力FJX合成。文獻[ 1 ]推薦FMZ :FNC0,其值得推敲,FN是FMZ分力,應小于FMZ,其次未納人靜密封力,不適合壓縮密封的靜密封結構。由此計算的啟閉力矩也與測量值不符。忽略空心球重力影響,FdX在動密封面上分解為法向力FN和摩擦力FT。其中FT為較小量,省略不計,則FdX分解為一對法向力(圖1),顯然

            中FN一一密封面上的法向力,N 閥座靜密封力FJX為
            閥座軸向總密封力FMZ為
            FMZ:2qdScosß + qJB (10)式中FMz—出口端閥座總軸向密封力,N
            ‰、q了一.動密封、靜密封必須比壓,MPa
            B 閥座靜密封面面積,皿12
            B =—(DM2一乃q2)
            Dp、DM一一一靜密封面內、夕卜徑,mm
            .s一一動密封面表面積(按圓錐面計算),
            S=TbMd(YQ+Yp)
            YQ、Yp一一一為動密封面內、外半徑,mm

            3.2、出口端閥座的抗壓強度

            由尸作用在靜密封面上的壓縮應力,不應大于的許用抗壓強度CöY ]:12• 9Mpa[l]

            3.3、出口端閥座密封面的抗冷流強度密封時,閥座平均承壓厚度九將承受介質壓縮量、預壓縮量和磨損補償量施加的平均壓強%,
            " 其值不允許超出假屈服極限,否則在“冷流負荷作用下磨損補償量將逐漸被吞噬甚至影響預壓縮量,一直降到實際壓強低于假屈服極限為止,降低使用壽命和密封性能。反之如%過低,則使磨損補償量額外增加,給啟閉力矩加碼。為此應控制
            (ö0+öMOE< Cp (12) 4閥座尺寸
            為同時滿足閥座對強度、密封性能、啟閉壽命和啟閉力矩的各項要求,需要對閥座結構尺寸進行優化設計,獲取理想的壓縮量。以PN16一DN50浮動球球閥的厑閥座為例展開計算(圖2)。

            4.1、尺寸初選

            初選尺寸需要在閥座強度計算和性能測算的平衡中調整和確認。取流道直徑(降1檔)DN = 40mm,球半徑(0 • 75、0 • 9R:32mm,流道與圓錐面相交圓角半徑r:Imm,圓錐面的半錐角(應大于 儀:52• 5。密封面寬度裕量的x軸投影長度hK :0• 9n皿,護錐邊寬(初選沖B:1.5mm,靜密封面外徑45。倒角的邊長c:0• 8mm,靜密封面巧。角長邊v:1.2mm,平均磨損率= 7巧E一7m艸/次,壓縮彈性模量E:280MPa,密封件加工偏差絕對值總量,:0• 38mmo

            4.2、解曲線方程

            置球體與閥座的圓角r相切,將圓錐面母線坐標平移K至球的圓心,截距K為
            =0. 5DN + r+ + r) 2 一 (0巧DN + r)2
            (13)列圓錐面母線的線方程和球體的圓方程。
            Y=tana(K—X) (14) X2 + = 2 (巧)、求圓錐面母線與流道母線的交點J、圓錐面母線與 端面交點F的x軸坐標(圖3)。
            K—0. 5DN= 24.96mm
            Fx =X +hj—H=21.96mm

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