之前介绍JIS日标不锈钢截止阀标准，现在介绍固定式球阀密封面密封比压计算 球阀密封面密封比压计算公式探讨 固定式球阀密封面密封比压计算
摘 要：分析了球阀密封面密封比压的计算方法，列举了典型阀门尺寸计算数据对比，提出了非金属材料阀座密封比压的计算公式。

关键字：球阀 比压 密封 计算公式

    1 固定式球阀密封面密封比压计算概述

    球阀密封面比压计算的准确性对阀门结构设计、性能分析和材料选用等方面影响很大。本文通过对常用球阀比压公式的分析，提出了新的符合实际阀门条件的计算公式。

    2 密封原理

    球阀球体为上下轴固定，接触部位安装滑动轴承。阀座安装在具有活塞效应的阀座支撑圈内，阀座支撑圈上安装O形圈与阀体密封（图1）。阀座支撑圈后安装弹簧提供预紧力使阀座压紧球体。阀门关闭，进口端介质力作用于阀座支撑圈外径DJH与阀座内径DWN形成的环状面积上，使其压紧球体，达到密封。图1 球阀密封结构

    3 密封比压计算

    阀座密封面上的工作比压q为
3.1、密封机理
固定球阀采用进口密封(图2),此时球阀压差(P-P1) >0(P、P1为阀前和中腔的流体压力)。当压差大到一定程度,即在密封副表面造成一定的压紧比压时, 此比压将引起阀座弹塑性变形, 填塞密封面上的微观不平度以阻止流体从密封副间通过。当压差较小或阀座采用金属材料制作时,依靠压差不能达到*密封, 此时必须另加一个密封外力, 以加大压紧比压。根据工作压力计算密封所需的必需比压qb 的经验公式为qb = 1.2PN= 30MPa。为保证球阀密封可靠, 在球体和阀座的接触表面上应有足够的比压, 但不得超过密封副材料的许用比压[q]。理论密封比压q1为

球阀密封原理图2 球阀密封原理

q1 =Q/S

式中Q———球阀密封力, N

P———公称压力, MPa
S ———阀座密封面的面积(S = 7634) , mm2
d2 ———阀座支撑圈外径( d2 = 290) , mm
D2 ———阀座的外径(D2 = 270) , mm
D1 ———阀座的内径(D1 = 256) , mm
代入各值, 得出q1 的值为40.17MPa。

3.2、有限元计算
由于密封比压的计算过程仅与球体、阀座和阀座支承圈等零部件有关, 所以对其有限元分析模型做了简化(图3) , 这样不仅节约了计算机资源,而且提高了计算结果的准确性。通过模拟现实工况, 需计算得出阀座支撑圈与左右体相接触的面上的压力值Qs。

式中Q1 ———预紧力在阀座支撑圈与左右阀体相接触的面上的压力, MPa
Q2 ———公称压力在阀座支撑圈与左右体相接触的面上的压力, MPa
S1 ———阀座支撑圈与左右阀体接触面的面积( S1 = 21189.26, 可在SOLIDWORKS中直接测得) , mm2
d1 ———阀座支撑圈的内径( d1 = 239) , mm

代入各值, 得Qs 的值为23.01MPa。

根据现实工况, 在COSMOSWORKS中建立一个静力学分析算例, 并确定约束载荷条件(①固定球体与上阀杆和底盖相接触面。②限定阀座和阀座支撑圈只能在轴向上运动。③将Qs 施加在阀座支撑圈与左右阀体相接触的面上, 进行网格化。④确定球体和阀座支撑圈的材料为35号钢, 阀座的材料为奥氏体不锈钢, 密封面间无滑动(奥氏体不锈钢的许用比压[q] 值为150MPa) , 点击运行, 计算结果如图3c所示。有限元分析(a) 分析模型 (b) 模型网格化 (c) 模型计算结果图3 有限元分析

3.3、提取结果
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀在阀座密封面上等距获取25个点(图4) , 然后沿X方向依次探测这25个点的压力值, 再将探测数据导入Excel中进行分析(图5) , 得到密封比压在阀座密封面上呈抛物线分布, 其zui大值处于阀座的内径处, 为62.1MPa, zui小值处于阀座中部,其值为40.16MPa。结合阀门密封设计参数必须比压qb(30MPa) 和阀座材料的许用比压[q](150MPa) 。密封比压的值处于qb 和[q]之间,满足了设计准则。

    式中  q———阀座密封面上的工作比压，MPa

    N———阀座密封圈对球体的法向压力，N

    S———阀座与球体接触的球形环带面积，mm2

    F———进口端阀座对球体的总作用力，N

    φ———密封面法向与流道中心的夹角，（°）

    R———球体半径，mm

    h———阀座与球体接触面轴向上的投影高度，mm

    F0———流体压力在阀座密封面上引起的作用力，N

    F1———弹簧预紧力，N

    P———阀门设计压力（取公称压力PN），MPa

    DJH———阀座支撑圈外径，mm

    DMT———阀座密封面流体浸透尺寸，mm

    DMW———阀座密封面外径，mm

    DMN———阀座密封面内径，mm

    FMY———阀座密封面对球体必须的预紧力，N

    FMC———阀座支撑圈上O形圈与阀体孔间的摩擦力，N

    R———球体半径，mm

    h———阀座与球体接触面轴向上的投影高度，mm

    qmin———阀座初始密封比压，MPa  

    P1———初始压力（取大气压P1=0．1），MPa

    则

    b———O形圈与阀体内孔接触宽度（取O形圈截面半径的1/3），mm

    Z———O形圈数量（为简化计算取Z=2）

    qMY———O形圈密封的必须比压，MPa

    f———橡胶O形圈的摩擦系数（f=0．4）

    为简化计算，取O形圈截面直径为5．3mm，O形圈密封与压力关系较小。取P0=0，则qMY=1.35MPa，FMC=3DJH。计算各式。整理后得球阀密封比压计算公式

    4 计算数据对比

    以DN80－PN250C固定式球阀为例，按照计算公式与本文计算公式的计算结果进行对比（表1，表2）。表1 计算结果表2 对比 由于在密封过程中, 阀座与球体密封面相对固定, 不能运动, 故在受到预紧力和流体压力后, 密封环的内径轴向相对于中部变形裕量小, 受到的挤压力较大。密封环的径向相对于中部变形裕量大,受到的挤压力也相对较小。另外, 虽然球体与阀座接触, 但由于毛细现象而有流体介质存在, 当球体沿流向有相对运动时, 球体与阀座更加紧密接触,从密封面边缘到中部的流体介质越来越少, 所以密封面边缘处在介质与球体的双重作用下, 受力略大于密封面中部。因此, 在密封面上密封比压呈抛物线分布。在边缘环面, 由于受预紧力、介质施加力和金属球体综合作用, 故产生有波动的变化曲线,尤其在密封面外径处影响更大。由于毛细现象的影响, 取密封面中部的密封比压作为整个固定球阀的密封比压是合理的。根据图5取得密封面中部的压力值为40.16M Pa, 而理论计算的密封比压值为40.17M Pa。两者之间的差值为0.01M Pa, 误差<3%。可见用有限元计算得出的固定球阀的密封比压的值是可信的。而且可以*反映出密封比压在整个阀座上的分布情况, 从而对整个阀门的设计提供了可靠的设计依据。

    5 结语

    通过计算对比，常用球阀密封比压计算公式在选择非金属材料（如尼龙、德威龙、钼龙、PEEK等）阀座时误差较大，其主要原因是阀门法向力计算上出现错误。本文通过对阀座密封面比压重新推理，得出新的公式，其计算结果可以满足非金属阀座材料的选择。与本文相关的产品有不锈钢波纹管密封安全阀