3.5 閥桿材料選擇與力矩計算

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度和韌性，能耐介質、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計壓力來選擇。

3.5.2 閥桿填料的選擇、填料摩擦力及摩擦轉矩的計算

（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。

閥門對填料的要求：耐腐蝕、密封性好、摩擦系數小、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，聚四氟乙烯填料具有硬質性能，因此選用聚四氟乙烯填料。

（2）填料摩擦力計算

填料與閥桿之間的摩擦力Ff可按式（3-52）計算：

　　（3-52）

式中 μT —填料與閥桿之間的摩擦系數，取0.05；

Z —填料圈數，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）閥桿臺肩與之退點之間的摩擦力的計算

摩擦力FM計算公式如下：

式中 DT —臺肩外徑或止推外徑，mm，取86mm；

dT —閥桿直徑，mm，取60mm；

μT —摩擦系數，取0.05；

p —額定壓力，MPa，取0.3MPa。

（4）填料及止推墊的摩擦轉矩計算

填料轉矩Mf計算公式如下：

止推墊片的摩擦轉矩Mu計算如下：

球體與閥座密封面間的摩擦轉矩Mm計算如下：

　　（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。

根據式（3-53）可得：。

由此可知球閥的轉矩M為：

3.5.3 閥門填料函設計計算

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密封，也可用于靜密封。它廣泛應用于泵、壓縮機、制冷機、攪拌機及各種閥門、閥門的旋轉密封。填料函結構設計的合理與否直接關系到產品的使用性能。因此，在填料函結構設計中，填料函的尺寸選擇、填料壓緊力與摩擦力的計算是產品設計的關鍵組成部分。本文就閥門填料函設計中的計算方法進行簡單介紹，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填料，為了減小摩擦力，一般在填料中加入適當的潤滑劑。填料壓蓋對填料函內的填料進行軸向壓縮，填料的塑性變形使其產生徑向壓力，并抱緊閥桿。同時，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。當閥桿與填料有相對運動時，接觸部位與不接觸部位組成一道不規(guī)則的迷宮，從而起到阻止介質泄漏的作用。

（2）填料函尺寸設計

填料函尺寸主要包括填料高度H和填料寬度S，這兩個尺寸選取主要根據設計壓力、密封口徑、使用溫度等因素來確定。

對于低壓不甚重要的產品，填料高度H一般取(3～5)S，對密封要求較嚴的高壓介質取10S以內。

填料寬度一般取：

式中 dc—閥桿直徑，mm。

填料寬度對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，較易達到密封，但同時易造成閥桿振擺，磨損快，壽命短。因此，閥門設計時應選擇合適的填料寬度。目前，很多國家的填料函尺寸都已經標準化，填料高度可以根據實踐多加（1～2）S，多余的填料可以在保證密封的同時作為補償備用，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文獻或標準進行計算和選取。

（3）填料壓緊力計算

為了保證填料的密封性，必須使填料函下部的填料對閥桿產生的徑向壓力大于介質壓力，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，彈性填料內產生的軸向壓力py，由于存在摩擦力，此軸向壓力隨填料的高度而變化；同時彈性填料也產生徑向壓力px，徑向壓力同樣隨高度而變化。試驗證明，py值總是大于px值。暫用公式（3-54）表示py與px的關系：

　　（3-54）

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

分析中，假定填料截面和n值均為常數，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平均值為f進行計算。則填料環(huán)部分的力平衡方程可以表示為：

　　（3-55）

綜上及，簡化得到

　　（3-56）

保證密封的必要條件是當y=H時，，p為介質壓力。當，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）

簡化后得

　　（3-62）

式中，為比例系數。

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值時的值，可將其乘以i=n/1.4。表3-4中所列的數值根據以下情況確定：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工作的壓力，因此，介質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）

根據式和，積分整理得

　　（3-64）

在n=1.4時

　　（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，表3-4中的y 值應乘以。

3.5.4 閥桿強度計算

閥桿上的轉矩分布圖如圖3-6所示，其中Ⅰ—Ⅰ面的扭矩應力計算可作為設計時初定閥桿直徑用。

（1）Ⅰ—Ⅰ斷面處的扭轉應力(MPa)

　　（3-67）

式中 Mm —閥座密封面與球體間的摩擦轉矩，；

[τN] —材料許用扭轉應力，MPa，取90MPa；

W —Ⅰ—Ⅰ斷面的抗扭矩系數，。

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] —材料的許用剪切應力，MPa，查表取85MPa。

　　（3-71）

（3）Ⅲ—Ⅲ斷面處的扭轉應力（MPa）

　　（3-72）

式中 M —總摩擦轉矩，N·mm，取1363998.67；

W —Ⅲ—Ⅲ斷面處的抗扭轉斷面系數。

（3-73）

根據式（3-72）可得

（4）Ⅱ—Ⅱ斷面處的抗扭轉斷面系數

由于閥桿和渦輪采用鍵連接故Ⅱ—Ⅱ面與Ⅳ—Ⅳ斷面處的扭轉應力相同，無需再進行校核。

綜上，閥桿的應力均符合要求。

3.5.5 閥桿連接件的強度計算

閥桿連接件采用平鍵連接，因為平鍵結構簡單、成本低及替換方便。

根據閥桿直徑為60mm，可知平鍵的尺寸，選用bh為18′11的普通平鍵。下面是平鍵的強度計算。

（1）平鍵的強度計算

平鍵的比壓按式（3-74）計算。

　　（3-74）

式中 T —轉矩，N·mm，對于閥桿驅動裝置連接部分：T=M；對于閥桿與球體連接部分：T=T；

N —鍵數；

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）平鍵剪切力計算

剪切力τ按式（3-76）進行計算。

　　（3-76）

式中，[τ]—許用剪切應力，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 閥座設計與計算

根據閥門泄漏的部位和性質，尚有內漏和外漏之分。對球閥而言，內漏發(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。

閥門內漏的流體雖然未流到外界，不會污染環(huán)境，也沒有流體損失，但危害性十分嚴重，輕則影響產品質量，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。普通閥座的特點是：在預緊力或者流體壓力的作用下，閥座與球體壓緊，并使閥座材料產生塑性變形而達到密封。彈性閥座除了與普通閥座和彈性閥座一樣，在預緊力或流體壓力（或者兩者兼有之）作用下，閥座材料產生塑性變形而達到密封外，還由于閥座本身的特殊結構或者借助于彈性元件，如金屬彈性骨架、彈簧等辦法，在預緊力或流體壓力下產生彈性變形，以補償溫差、壓力、磨損等外界條件變化對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緊力的作用下，能夠補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 —保證閥門的密封時的必需比壓，MPa；

q —閥門工作時的實際比壓，MPa；

[q] —閥座材料的許用比壓，MPa。

普通閥座墊片的結構如圖3-8所示，結構簡單，加工制造最簡單，應用比較普遍。但這種閥座在裝配時，調試比較困難，因為要達到密封所必需的比壓，需要拆卸閥體中的法蘭，調配左、右閥體之間的密封墊片的厚度。

彈性閥座是20世紀70年代初才出現的新型閥座結構，其發(fā)展正方興未艾。它們都是針對特定工況條件研究設計的，其結構和種類繁多。

斜面彈性閥座有單斜面和雙斜面之分，單斜面彈性閥座結構簡單，加工制作方便，彈性補償能力差是其缺點。這種彈性閥座適用于DN＜250mm的偏心球閥。

所以本次設計選擇彈性閥座。

根據式（3-76）得