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    重慶普惠斯調節閥
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    高溫下金屬密封浮動球球閥預緊密封受力研究

    類別:球閥 | 作者:孫豐位 陳敬秒 吳建東 | 發布日期:2018-08-10 15:35:17

        金屬密封浮動球球閥的球體不受固定軸或支撐板約束,閥桿與球體為分體式連接,介質壓力及碟簧的預緊力直接作用在球體上,推動球體壓向出口端閥座,壓力越大密封越緊。碟簧加載預緊結構的碟簧力以及介質力推動球體作用于出口端閥座,在獲得良好密封性能的同時,對出口端密封面也造成較大密封比壓,并且對于高溫下密封性能仍然停留在經驗摸索階段。
        本文根據碟簧加載預緊結構的特點推導出其碟簧預緊力、密封比壓力,并對于在高溫工況下密封比壓力的變化及密封效果的制約因素作出了分析與探討。 copyright cqphs.com

    1、碟簧預緊力計算

        當浮動球球閥處于水平安裝位置時,碟簧推動閥前閥座及球體壓向閥后閥座以實現出口端密封(圖1)。高壓大口徑球閥球體的自重較大,由球體自重產生的重力對閥座的受力會產生影響,當碟簧的預緊力較小時,球體在重力下沿著閥座弧面下滑致使閥座的刮刀位置接觸球體造成球體表面損傷或者使閥座密封副不完全接觸從而導致密封失效。若碟簧預緊力過大則閥后閥座上的壓力增大,導致閥門啟閉扭矩增大。球體和閥座在碟簧預緊力作用下的受力如圖2所示。以球體為研究對象,分析和計算其受力狀態。F碟為阻止球體下滑時的最小碟簧預緊力。當F碟達到此值時,球體處于將要向下滑動的臨界狀態,在此情形下,摩擦力沿密封副弧面向上,并達到一最大值。 重慶普惠斯閥門

    碟簧預緊球體閥座結構

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    1.閥前閥座2.預緊碟簧3.球體4.閥后閥座 本文來自重慶普惠斯閥門

    圖1 碟簧預緊球體閥座結構

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    球閥球體閥座受力分析

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    圖2 球體閥座受力分析

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    以球體中心為原點,流道方向為x軸,垂直方向為y軸,列平衡方程

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    ΔlT球———高溫球體變形增加量,mm 重慶普惠斯閥門

    ΔlT座———高溫閥座軸向變形增加量,mm

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    E———高溫碟簧材料的彈性模量,MPa 重慶普惠斯閥門

    μ———高溫碟簧材料的泊松比

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    K1、K4———碟簧系數

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    h———閥座厚度,mm

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    Dm———閥座密封面平均直徑,mm

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    Dm=(D1+D2)/2

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    其中,FN1=FN2,Fmax1=Fmax2,代入上式,得 copyright cqphs.com

        (1)

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        (2) cqphs.com

    式(1)和式(2)聯立,可解法向力FN1為 cqphs.com

         (3)

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    再以閥座為研究對象(圖2(b)),列平衡方程

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        (4)

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        (5) 重慶普惠斯

    式(4)和式(5)聯立,可解法向力FN1'為 重慶普惠斯

        (6) 重慶普惠斯閥門

    由于FN1=FN1',聯立式(3)和式(6),求得克服球體下滑所需要的最小碟簧力為 copyright cqphs.com

        (7) 重慶普惠斯閥門

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    分析計算結果得出,為防止球體下滑,碟簧的預緊力F碟預緊應滿足 cqphs.com

       (8)

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    為使密封面達到必須比壓,以及在介質具有粘附性的工況場合具有良好的密封面自潔功能等要求,碟簧預緊力F碟預緊除滿足防止球體掉落的前提條件外,還應適當增加,以滿足特定工況使用要求。

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    2、球體和閥座密封比壓力計算

        對于出口端密封結構,閥后閥座受力遠大于閥前閥座。在閥門關閉狀態,將閥前閥座和球體視為整體研究對象(圖3)。流體介質法向作用于受力物體表面。球體表面可以看作由半徑為R0的圓的上半部分繞x軸旋轉一周所得,由直角坐標與極坐標的關系x=ρcosθ,y=ρsinθ,可得曲線弧極坐標方程為ρ=R0,在球體表面取微元體,夾角dθ上的弧長元素為 重慶普惠斯

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    圍繞x軸旋轉一周所得旋轉體的微分表面積為

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    其表面上的壓力為 copyright cqphs.com

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    流體靜壓力作用下球閥球體表面受力 內容來自cqphs.com

    圖3 流體靜壓力作用下球體表面受力 內容來自cqphs.com

    隨著現代制造工藝的發展,球體和閥座密封副研磨配磨技術有顯著提高,球體和閥座密封面已達到鏡面狀態,介質透過密封副表面微觀不平間隙盡管存在,但超低的密封面粗糙度可將介質攔截在閥座密封面外徑處,即可近似的認為在D2處介質得到有效攔截。利用上述方法,將受力體劃分為5個區間,分別分析與計算。在θ1≤θ≤θ2內,為閥后閥座對球體的約束力,將ρ=R0代入上式并向x軸投影,得 本文來自重慶普惠斯閥門

        (9)

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    除閥座對球體的法向約束力外,閥后閥座同樣存在著阻止球體向閥后閥座密封面滑動的摩擦力

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        (10)

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    區間內,壓力P作用在球體表面向x軸投影值為

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        (11) 重慶普惠斯

    區間內,作用力向x軸投影值為 cqphs.com

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    在π-θ2≤θ≤π-θ1區間內,作用力向x軸投影值為 copyright cqphs.com

        (13) cqphs.com

    在π-θ1≤θ≤π區間內,作用力向x軸投影值為 copyright cqphs.com

        (14)

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    流體介質在球體流道內的介質壓力在x軸投影為

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        (15) 本文來自重慶普惠斯閥門

    除各段流體介質壓力外,還有碟簧對球體和閥座施加的預緊力,將式(9)~(15)疊加并附加碟簧施加的預緊力F碟預緊,由平衡方程內容來自cqphs.com

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    因與閥桿扁方連接球體槽口處的力在x軸投影互相平衡,故在式(16)中省略,整理并簡化得 本文來自重慶普惠斯閥門

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    進而得出密封副球體和閥座接觸表面的比壓力為

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        (17) copyright cqphs.com

    若忽略阻止球體在密封面處向閥后閥座滑動的摩擦力T,即在式(12)中將摩擦力T省略,整理得 重慶普惠斯

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    由于球體和閥座是一對作用力跟反作用力的關系,故而密封面上球體的比壓力與閥座的比壓力相等,即 重慶普惠斯閥門

    q球=q座

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    由式(17)和式(18)分析得出,碟簧預緊力F碟預緊和介質壓力P越大,密封比壓越大,密封效果越可靠。密封面外徑D2越大,介質作用在球體表面的總投影推力越大,同時伴隨著密封面越寬,密封比壓力下降。介質推力與密封比壓力并不呈現線性正比的關系。密封面太窄,容易實現密封,但同時也容易壓潰密封面。所以,在一定的密封面寬度范圍內,力求降低密封比壓力,提高使用壽命,應滿足 copyright cqphs.com

        (19)

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    考慮到球閥閥座密封面材料軟于球體密封面材料,且閥座密封面寬度相對窄于球體密封面,所以閥座滿足式(19)中條件,即可實現可靠使用。

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    3、 高溫工況下密封力分析

    在高溫工況下,零件可以自由脹縮,在溫度變化為ΔT(℃)時,零件的變形(變大)應為

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    ΔlT=αlΔTl   (20)

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    根據式(20)可以求得閥座和球體在相應溫度下的高溫變形量,即高溫下的球體變形量和閥座軸向變形量分別為ΔlT球和ΔlT座,由于閥座和球體尺寸增大,導致了碟簧在軸向再度壓縮。高溫下碟簧施加的推力F碟高溫除了在滿足式(8)的前提下,還應考慮閥座和球體因軸向尺寸的增加帶來的推力,即 重慶普惠斯閥門

        (21) 重慶普惠斯

    經試驗,球體材料為奧氏體不銹鋼F316,球體外徑R0=100mm,溫度300℃,得出球體不同部位的直徑實測值。檢測結果分別為Φ100.52mm、Φ100.50mm、Φ100.54mm。結合Ansys有限元分析工具,可以直觀的發現球體表面在不同部位的膨脹量有細微差別(圖4)。通過在不同溫度下大量的試驗分析及有限元分析驗證,發現球體在每一試驗溫度下球體表面變形差別不大,高溫下球體變形增加量的計算為 內容來自cqphs.com

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    球閥球體在高溫下的膨脹量

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    (a)表面(b)剖切面 重慶普惠斯閥門

    圖4 球體在高溫下的膨脹量

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    同樣,閥座也有類似的變化。引起碟簧后退的閥座膨脹量主要來自于軸線方向的膨脹,即閥座厚度h所引起的膨脹(圖5)。閥座的軸線膨脹量為

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    ΔlT座=αlΔTh

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    由分析結果可知,在常溫下經精配磨后完全貼合的球體和閥座的密封面在高溫下并不能實現100%有效貼合,盡管在介質推力作用下球體和閥座的密封面存在接觸變形來補償這個間隙,但只能是減少,而并不能完全消除,介質將從不完全貼合的余隙中滲入密封環帶。由于流體穿過凹凸不平余隙時壓力損失的原因,所以實現了密封?紤]到最終密封點落在閥座密封面位置的不同,所以近似地將閥座密封面平均直徑Dm作為最后的密封終止線(圖6),在高溫下考慮摩擦力情況下,密封比壓力計算由式(17)變為 內容來自cqphs.com

    球閥閥座在高溫下的膨脹量

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    (a)表面(b)剖切面

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    圖5 閥座在高溫下的膨脹量

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        (22)

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    若忽略球體在密封面處向閥后閥座滑動的摩擦力,在高溫下的密封比壓力由式(18)變為 內容來自cqphs.com

    高溫下的密封比壓力公式    (23) 本文來自重慶普惠斯閥門

    高溫下球閥閥座密封環帶密封位置

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    圖6 高溫下閥座密封環帶密封位置

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    4、高溫工況下密封效果的制約因素

        球體自由表面處,受到介質壓力p作用。在密封副處,受到閥座支撐約束反力作用。因介質力p和比壓力不同,所以在介質壓力、約束力及高溫同時作用下,自由表面和密封環帶處的變形量不同。球體在開啟或關閉過程中,會因為同一表面尺寸的變化,引起接觸面的刮擦(圖7)。 重慶普惠斯

    高溫工況試驗球閥球體表面劃痕 內容來自cqphs.com

    (a)球體(b)閥門關閉狀態

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    圖7 高溫工況試驗球體表面劃痕

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        由此可見,高溫工況下零件基體材料的膨脹,密封面實際有效接觸面積減少,壓應力增加,密封面壓潰等,是導致球閥密封失效的主要原因。WC(碳化鎢,國外為TCC)可以用于超耐磨的工況,CrC(碳化鉻,國外為CCC)可以用于超高溫,但因這兩種涂層材料無自熔性化學元素,故而采用HVOF(超音速噴涂工藝)。因其非冶金結合,結合力較差,當基體材料的熱膨脹系數較大,在高溫下涂層材料易與金屬基體脫離,造成涂層脫落現象,最終密封失效。堆焊的STL盡管高溫熱硬性好,與基體材料采用堆焊方式,結合力好,但其材料硬度較低,不能用于帶有固體顆粒的兩相流工況。Ni基合金盡管有很強的結合力,但在400℃高溫狀況下,200次啟閉后,在密封面出現了劃痕,涂層有變軟趨勢。 重慶普惠斯

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