3.5 閥桿材料選擇與力矩計(jì)算

3.5.1 閥桿材料選擇

閥桿作為球閥的重要受力零件，其材料必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性，能耐介質(zhì)、抵抗氣體及填料的腐蝕，耐擦傷，工藝性好；材料選用主要通過工況和設(shè)計(jì)壓力來選擇。

3.5.2 閥桿填料的選擇、填料摩擦力及摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

（1）填料選擇

閥桿常用填料主要有V形填料、圓形片狀填料及O形密封圈等三種。

閥門對(duì)填料的要求：耐腐蝕、密封性好、摩擦系數(shù)小、腐蝕性小。

由于圓形片狀填料往往容易發(fā)生松弛而使密封比壓減小，以致密封遭到破壞時(shí)，聚四氟乙烯填料具有硬質(zhì)性能，因此選用聚四氟乙烯填料。

（2）填料摩擦力計(jì)算

填料與閥桿之間的摩擦力Ff可按式（3-52）計(jì)算：

　　（3-52）

式中 μT —填料與閥桿之間的摩擦系數(shù)，取0.05；

Z —填料圈數(shù)，Z=3；

H —單圈填料高度，mm，H=1.5mm；

dT —閥桿直徑，mm，取60mm；

p —額定壓力，MPa，取0.3MPa。

則

（3）閥桿臺(tái)肩與之退點(diǎn)之間的摩擦力的計(jì)算

摩擦力FM計(jì)算公式如下：

式中 DT —臺(tái)肩外徑或止推外徑，mm，取86mm；

dT —閥桿直徑，mm，取60mm；

μT —摩擦系數(shù)，取0.05；

p —額定壓力，MPa，取0.3MPa。

（4）填料及止推墊的摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算

填料轉(zhuǎn)矩Mf計(jì)算公式如下：

止推墊片的摩擦轉(zhuǎn)矩Mu計(jì)算如下：

球體與閥座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩Mm計(jì)算如下：

　　（3-53）

式中 Q —球體與閥座之間的密封力，N，Q=6380N；

r —摩擦半徑，mm。

根據(jù)式（3-53）可得：。

由此可知球閥的轉(zhuǎn)矩M為：

3.5.3 閥門填料函設(shè)計(jì)計(jì)算

填料密封是用填料堵塞泄漏通道，阻止泄漏的一種古老密封型式。填料密封主要用于動(dòng)密封，也可用于靜密封。它廣泛應(yīng)用于泵、壓縮機(jī)、制冷機(jī)、攪拌機(jī)及各種閥門、閥門的旋轉(zhuǎn)密封。填料函結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用性能。因此，在填料函結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，填料函的尺寸選擇、填料壓緊力與摩擦力的計(jì)算是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分。本文就閥門填料函設(shè)計(jì)中的計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，示意圖如圖3-5所示。

（1）填料函密封原理

閥門填料較常選用的是含有碳纖維或石棉的軟質(zhì)填料，為了減小摩擦力，一般在填料中加入適當(dāng)?shù)臐櫥瑒Ｌ盍蠅荷w對(duì)填料函內(nèi)的填料進(jìn)行軸向壓縮，填料的塑性變形使其產(chǎn)生徑向壓力，并抱緊閥桿。同時(shí)，填料中加入的潤滑劑被擠出，在接觸面間形成油膜。由于接觸狀態(tài)不均勻，接觸部位出現(xiàn)邊界潤滑狀態(tài)，未接觸的凹部形成小油槽，有較厚的油膜層。當(dāng)閥桿與填料有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸部位與不接觸部位組成一道不規(guī)則的迷宮，從而起到阻止介質(zhì)泄漏的作用。

（2）填料函尺寸設(shè)計(jì)

填料函尺寸主要包括填料高度H和填料寬度S，這兩個(gè)尺寸選取主要根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、密封口徑、使用溫度等因素來確定。

對(duì)于低壓不甚重要的產(chǎn)品，填料高度H一般取(3～5)S，對(duì)密封要求較嚴(yán)的高壓介質(zhì)取10S以內(nèi)。

填料寬度一般取：

式中 dc—閥桿直徑，mm。

填料寬度對(duì)閥門密封和填料拆卸都有很大影響。填料越寬，填料越容易受力不均，需要的填料壓緊力就越大；反之，較易達(dá)到密封，但同時(shí)易造成閥桿振擺，磨損快，壽命短。因此，閥門設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的填料寬度。目前，很多國家的填料函尺寸都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，填料高度可以根據(jù)實(shí)踐多加（1～2）S，多余的填料可以在保證密封的同時(shí)作為補(bǔ)償備用，便于多次擰緊，延長填料使用壽命。閥門填料函尺寸可以參照相關(guān)文獻(xiàn)或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算和選取。

（3）填料壓緊力計(jì)算

為了保證填料的密封性，必須使填料函下部的填料對(duì)閥桿產(chǎn)生的徑向壓力大于介質(zhì)壓力，并由此確定需要多大的填料壓緊力。取高度為dy的一圈填料來分析填料函的內(nèi)作用力，如圖3-4所示。在填料壓蓋傳遞力的作用下，彈性填料內(nèi)產(chǎn)生的軸向壓力py，由于存在摩擦力，此軸向壓力隨填料的高度而變化；同時(shí)彈性填料也產(chǎn)生徑向壓力px，徑向壓力同樣隨高度而變化。試驗(yàn)證明，py值總是大于px值。暫用公式（3-54）表示py與px的關(guān)系：

　　（3-54）

式中，n為大于1的比例系數(shù)，其值視填料的彈性、密封壓力、填料斷面尺寸而定，軟質(zhì)填料的n值可查表3-3。

分析中，假定填料截面和n值均為常數(shù)，可查表3-3求得，取填料作用在閥桿表面與填料函表面的兩摩擦系數(shù)平均值為f進(jìn)行計(jì)算。則填料環(huán)部分的力平衡方程可以表示為：

　　（3-55）

綜上及，簡(jiǎn)化得到

　　（3-56）

保證密封的必要條件是當(dāng)y=H時(shí)，，p為介質(zhì)壓力。當(dāng)，得出最小壓緊力值。

為了確定距A—A線為距離y的截面上的py，將式（3-56）求y至H段的積分得到：

　　（3-57）

即

　　（3-58）

壓緊填料所需的單位壓力pc即為y=0時(shí)的pv值。

即

　　（3-59）

壓緊填料所需要的力為：

　　（3-60）

代入式（3-60）得：

　　（3-61）

簡(jiǎn)化后得

　　（3-62）

式中，為比例系數(shù)。

由表3-3知，n=1.4符合填料的最大塑性條件，得出的是必須壓緊力的最小值。為了把值換算成其他n值時(shí)的值，可將其乘以i=n/1.4。表3-4中所列的數(shù)值根據(jù)以下情況確定：用壓緊填料的方法使最下面的填料圈壓緊在閥桿上造成等于介質(zhì)工作的壓力，因此，介質(zhì)不能把填料擠出和從閥桿與填料之間滲出。

（4）填料與閥桿間的摩擦力計(jì)算

單元填料的厚度為dy，填料與閥桿間的摩擦力T可以表示為：

　　（3-63）

根據(jù)式和，積分整理得

　　（3-64）

在n=1.4時(shí)

　　（3-65）

令，則

　　（3-66）

式中，y 值可通過表3-4查得。在選用其他n值時(shí)，表3-4中的y 值應(yīng)乘以。

3.5.4 閥桿強(qiáng)度計(jì)算

閥桿上的轉(zhuǎn)矩分布圖如圖3-6所示，其中Ⅰ—Ⅰ面的扭矩應(yīng)力計(jì)算可作為設(shè)計(jì)時(shí)初定閥桿直徑用。

（1）Ⅰ—Ⅰ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(MPa)

　　（3-67）

式中 Mm —閥座密封面與球體間的摩擦轉(zhuǎn)矩，；

[τN] —材料許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，MPa，取90MPa；

W —Ⅰ—Ⅰ斷面的抗扭矩系數(shù)，。

查表3-6，a取0.156。

則

mm3 （3-68）

　　（3-69）

滿足要求。

（2）Ⅳ—Ⅳ斷面處的剪切應(yīng)力(MPa)

　　（3-70）

式中 D —閥桿頭部凸肩的直徑，mm，D=86mm；

d —閥桿直徑，mm，d=60mm；

H —閥桿頭部凸肩的高度，mm，H=20mm；

p —流體的工作壓力，MPa，p=0.3MPa；

[τ] —材料的許用剪切應(yīng)力，MPa，查表取85MPa。

　　（3-71）

（3）Ⅲ—Ⅲ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa）

　　（3-72）

式中 M —總摩擦轉(zhuǎn)矩，N·mm，取1363998.67；

W —Ⅲ—Ⅲ斷面處的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)。

（3-73）

根據(jù)式（3-72）可得

（4）Ⅱ—Ⅱ斷面處的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)

由于閥桿和渦輪采用鍵連接故Ⅱ—Ⅱ面與Ⅳ—Ⅳ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力相同，無需再進(jìn)行校核。

綜上，閥桿的應(yīng)力均符合要求。

3.5.5 閥桿連接件的強(qiáng)度計(jì)算

閥桿連接件采用平鍵連接，因?yàn)槠芥I結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低及替換方便。

根據(jù)閥桿直徑為60mm，可知平鍵的尺寸，選用bh為18′11的普通平鍵。下面是平鍵的強(qiáng)度計(jì)算。

（1）平鍵的強(qiáng)度計(jì)算

平鍵的比壓按式（3-74）計(jì)算。

　　（3-74）

式中 T —轉(zhuǎn)矩，N·mm，對(duì)于閥桿驅(qū)動(dòng)裝置連接部分：T=M；對(duì)于閥桿與球體連接部分：T=T；

N —鍵數(shù)；

L —鍵的工作長，mm，L=0.3a=30mm；

K —鍵和輪轂鍵槽的接觸高度，mm，查得K=4mm；

d1 —軸的直徑，mm，查得d=250mm；

[p] —許用壓力，MPa，查表得[p]=137MPa。

　　（3-75）

故校核滿足。

（2）平鍵剪切力計(jì)算

剪切力τ按式（3-76）進(jìn)行計(jì)算。

　　（3-76）

式中，[τ]—許用剪切應(yīng)力，MPa，查表取[τ]=90MPa。

T，d1，L，N與之前相同，b如圖3-7所示。

3.5.6 閥座設(shè)計(jì)與計(jì)算

根據(jù)閥門泄漏的部位和性質(zhì)，尚有內(nèi)漏和外漏之分。對(duì)球閥而言，內(nèi)漏發(fā)生在閥座與球體和閥座與閥體之間的接觸面上；外漏則發(fā)生于填料函上，也有可能在連接法蘭與墊片之間。

閥門內(nèi)漏的流體雖然未流到外界，不會(huì)污染環(huán)境，也沒有流體損失，但危害性十分嚴(yán)重，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量，重則由于滲漏串通將釀成惡性事故。

球閥閥座主要有普通閥座和彈性閥座兩種。普通閥座的特點(diǎn)是：在預(yù)緊力或者流體壓力的作用下，閥座與球體壓緊，并使閥座材料產(chǎn)生塑性變形而達(dá)到密封。彈性閥座除了與普通閥座和彈性閥座一樣，在預(yù)緊力或流體壓力（或者兩者兼有之）作用下，閥座材料產(chǎn)生塑性變形而達(dá)到密封外，還由于閥座本身的特殊結(jié)構(gòu)或者借助于彈性元件，如金屬彈性骨架、彈簧等辦法，在預(yù)緊力或流體壓力下產(chǎn)生彈性變形，以補(bǔ)償溫差、壓力、磨損等外界條件變化對(duì)球閥密封性能的影響。

普通球閥的密封效果取決于閥座在流體壓力或者預(yù)緊力的作用下，能夠補(bǔ)償球體的不圓度和表面微觀不平度的程度。因此，閥座與球體之間必須具有足夠大的密封比壓 ，并滿足以下條件：

　　（3-77）

式中 qb —保證閥門的密封時(shí)的必需比壓，MPa；

q —閥門工作時(shí)的實(shí)際比壓，MPa；

[q] —閥座材料的許用比壓，MPa。

普通閥座墊片的結(jié)構(gòu)如圖3-8所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造最簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較普遍。但這種閥座在裝配時(shí)，調(diào)試比較困難，因?yàn)橐_(dá)到密封所必需的比壓，需要拆卸閥體中的法蘭，調(diào)配左、右閥體之間的密封墊片的厚度。

彈性閥座是20世紀(jì)70年代初才出現(xiàn)的新型閥座結(jié)構(gòu)，其發(fā)展正方興未艾。它們都是針對(duì)特定工況條件研究設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)和種類繁多。

斜面彈性閥座有單斜面和雙斜面之分，單斜面彈性閥座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制作方便，彈性補(bǔ)償能力差是其缺點(diǎn)。這種彈性閥座適用于DN＜250mm的偏心球閥。

所以本次設(shè)計(jì)選擇彈性閥座。

根據(jù)式（3-76）得