上海申弘閥門有限公司
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之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹固定式球閥密封面密封比壓計算 球閥密封面密封比壓計算公式探討 固定式球閥密封面密封比壓計算
摘 要：分析了球閥密封面密封比壓的計算方法，列舉了典型閥門尺寸計算數據對比，提出了非金屬材料閥座密封比壓的計算公式。
關鍵字：球閥 比壓 密封 計算公式
1 固定式球閥密封面密封比壓計算概述
球閥密封面比壓計算的準確性對閥門結構設計、性能分析和材料選用等方面影響很大。本文通過對常用球閥比壓公式的分析，提出了新的符合實際閥門條件的計算公式。
2 密封原理
球閥球體為上下軸固定，接觸部位安裝滑動軸承。閥座安裝在具有活塞效應的閥座支撐圈內，閥座支撐圈上安裝O形圈與閥體密封（圖1）。閥座支撐圈后安裝彈簧提供預緊力使閥座壓緊球體。閥門關閉，進口端介質力作用于閥座支撐圈外徑DJH與閥座內徑DWN形成的環(huán)狀面積上，使其壓緊球體，達到密封。圖1 球閥密封結構
3 密封比壓計算
閥座密封面上的工作比壓q為
3.1、密封機理
固定球閥采用進口密封(圖2),此時球閥壓差(P-P1) >0(P、P1為閥前和中腔的流體壓力)。當壓差大到一定程度,即在密封副表面造成一定的壓緊比壓時, 此比壓將引起閥座彈塑性變形, 填塞密封面上的微觀不平度以阻止流體從密封副間通過。當壓差較小或閥座采用金屬材料制作時,依靠壓差不能達到*密封, 此時必須另加一個密封外力, 以加大壓緊比壓。根據工作壓力計算密封所需的必需比壓qb 的經驗公式為qb = 1.2PN= 30MPa。為保證球閥密封可靠, 在球體和閥座的接觸表面上應有足夠的比壓, 但不得超過密封副材料的許用比壓[q]。理論密封比壓q1為
球閥密封原理圖2 球閥密封原理
q1 =Q/S
式中Q———球閥密封力, N
P———公稱壓力, MPa
S ———閥座密封面的面積(S = 7634) , mm2
d2 ———閥座支撐圈外徑( d2 = 290) , mm
D2 ———閥座的外徑(D2 = 270) , mm
D1 ———閥座的內徑(D1 = 256) , mm
代入各值, 得出q1 的值為40.17MPa。
3.2、有限元計算
由于密封比壓的計算過程僅與球體、閥座和閥座支承圈等零部件有關, 所以對其有限元分析模型做了簡化(圖3) , 這樣不僅節(jié)約了計算機資源,而且提高了計算結果的準確性。通過模擬現實工況, 需計算得出閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力值Qs。
式中Q1 ———預緊力在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上的壓力, MPa
Q2 ———公稱壓力在閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力, MPa
S1 ———閥座支撐圈與左右閥體接觸面的面積( S1 = 21189.26, 可在SOLIDWORKS中直接測得) , mm2
d1 ———閥座支撐圈的內徑( d1 = 239) , mm
代入各值, 得Qs 的值為23.01MPa。
根據現實工況, 在COSMOSWORKS中建立一個靜力學分析算例, 并確定約束載荷條件(①固定球體與上閥桿和底蓋相接觸面。②限定閥座和閥座支撐圈只能在軸向上運動。③將Qs 施加在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上, 進行網格化。④確定球體和閥座支撐圈的材料為35號鋼, 閥座的材料為奧氏體不銹鋼, 密封面間無滑動(奧氏體不銹鋼的許用比壓[q] 值為150MPa) , 點擊運行, 計算結果如圖3c所示。有限元分析(a) 分析模型 (b) 模型網格化 (c) 模型計算結果圖3 有限元分析
3.3、提取結果
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥在閥座密封面上等距獲取25個點(圖4) , 然后沿X方向依次探測這25個點的壓力值, 再將探測數據導入Excel中進行分析(圖5) , 得到密封比壓在閥座密封面上呈拋物線分布, 其zui大值處于閥座的內徑處, 為62.1MPa, zui小值處于閥座中部,其值為40.16MPa。結合閥門密封設計參數必須比壓qb(30MPa) 和閥座材料的許用比壓[q](150MPa) 。密封比壓的值處于qb 和[q]之間,滿足了設計準則。
式中 q———閥座密封面上的工作比壓，MPa
N———閥座密封圈對球體的法向壓力，N
S———閥座與球體接觸的球形環(huán)帶面積，mm2
F———進口端閥座對球體的總作用力，N
φ———密封面法向與流道中心的夾角，（°）
R———球體半徑，mm
h———閥座與球體接觸面軸向上的投影高度，mm
F0———流體壓力在閥座密封面上引起的作用力，N
F1———彈簧預緊力，N
P———閥門設計壓力（取公稱壓力PN），MPa
DJH———閥座支撐圈外徑，mm
DMT———閥座密封面流體浸透尺寸，mm
DMW———閥座密封面外徑，mm
DMN———閥座密封面內徑，mm
FMY———閥座密封面對球體必須的預緊力，N
FMC———閥座支撐圈上O形圈與閥體孔間的摩擦力，N
R———球體半徑，mm
h———閥座與球體接觸面軸向上的投影高度，mm
qmin———閥座初始密封比壓，MPa
P1———初始壓力（取大氣壓P1=0．1），MPa
則
b———O形圈與閥體內孔接觸寬度（取O形圈截面半徑的1/3），mm
Z———O形圈數量（為簡化計算取Z=2）
qMY———O形圈密封的必須比壓，MPa
f———橡膠O形圈的摩擦系數（f=0．4）
為簡化計算，取O形圈截面直徑為5．3mm，O形圈密封與壓力關系較小。取P0=0，則qMY=1.35MPa，FMC=3DJH。計算各式。整理后得球閥密封比壓計算公式
4 計算數據對比
以DN80－PN250C固定式球閥為例，按照計算公式與本文計算公式的計算結果進行對比（表1，表2）。表1 計算結果表2 對比 由于在密封過程中, 閥座與球體密封面相對固定, 不能運動, 故在受到預緊力和流體壓力后, 密封環(huán)的內徑軸向相對于中部變形裕量小, 受到的擠壓力較大。密封環(huán)的徑向相對于中部變形裕量大,受到的擠壓力也相對較小。另外, 雖然球體與閥座接觸, 但由于毛細現象而有流體介質存在, 當球體沿流向有相對運動時, 球體與閥座更加緊密接觸,從密封面邊緣到中部的流體介質越來越少, 所以密封面邊緣處在介質與球體的雙重作用下, 受力略大于密封面中部。因此, 在密封面上密封比壓呈拋物線分布。在邊緣環(huán)面, 由于受預緊力、介質施加力和金屬球體綜合作用, 故產生有波動的變化曲線,尤其在密封面外徑處影響更大。由于毛細現象的影響, 取密封面中部的密封比壓作為整個固定球閥的密封比壓是合理的。根據圖5取得密封面中部的壓力值為40.16M Pa, 而理論計算的密封比壓值為40.17M Pa。兩者之間的差值為0.01M Pa, 誤差<3%。可見用有限元計算得出的固定球閥的密封比壓的值是可信的。而且可以*反映出密封比壓在整個閥座上的分布情況, 從而對整個閥門的設計提供了可靠的設計依據。
5 結語
通過計算對比，常用球閥密封比壓計算公式在選擇非金屬材料（如尼龍、德威龍、鉬龍、PEEK等）閥座時誤差較大，其主要原因是閥門法向力計算上出現錯誤。本文通過對閥座密封面比壓重新推理，得出新的公式，其計算結果可以滿足非金屬閥座材料的選擇。與本文相關的產品有不銹鋼波紋管密封安全閥
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