高温固定球双向耐磨球阀设计.pdf

经验交流 2 0 1 3 年 第2 期 第2 6 卷， 总 第1 2 4 期 机械研究与应用 高温 固定球双向耐磨球阀设计 罗利梅 广 东明珠 流体机械有限公 司， 广东 兴宁5 1 4 5 0 0 摘要 阐述高温固定球双向耐磨球阀的设计、 材料选用及其结构特点， 分析 了主要部件的设计理论和计算方法， 产 品性能达到国内先进水平， 在机械行业的发展与应用中具有重要的意义。 关键词 高温固定球双向耐磨球阀； 工作原理； 设计技术； 计算与验算 中图分类号 T H1 2 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 2 0 1 6 2 0 2 B r i e f D i s c u s s i o n o n t h e De s i g n o f I I i g h T e mp e r a t u r e B i d i r e c t i o n a l W e a r a b l e T r u n n i o n T y p e B a l l V a l v e L U0 L i me i G u a n g d o n g Mi n g z h u F l u i d Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ， X i n g n i n g G u a n g d o n g 5 1 4 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e d e s i g n ，ma t e r i a l s e l e c t i o n a n d f e a t u r e a r e d i s c u s s e d f o r t h e h i g h t e mp e r a t u r e b i d i r e c t i o n a l we a r a b l e t r u n n i o n t y p e b all v a l v e，a n d t h e d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n t h e o r y o f t h e ma i n p a r t a r e a n aly z e d， t h e p r o d u c t p e r f o r ma n c e h a s r e a c h e d t h e a d v a n c e d l e v e l i n o u r c o u n t ry ， wh i c h h a s i mp o r t a n t s i gn i fi c a n c e i n t h e d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f me c h a n i c a l i nd u s t r y ． Ke y w o r d s h i 曲 t e m p e r a t u r e b i - d i r e c t i o n a l w e a r a b l e t r u n n i o n t y p e b a l l v a l v e ； w o r k p r i n c i p l e ； d e s i g n t e c h n o l o g y ； c al c u l a t i o n an d r e c a l c u l a t i o n 1 概述 目前 ， 国内使用的耐磨球阀， 一般采用通常的单 向密封 ， 阀座达不到整体密封效应。传统 “ 松动” 阀 座四周的间隙导致介质积聚和磨损 ， 在使用过程 中， 因粉尘等颗粒状物质在球体或 阀座上粘连 ， 启闭时易 引起 阀座或球体磨损、 阀座与球体“ 抱死” ， 从而导致 密封失效 。密封材料不耐高温或密封面损坏又导致 阀门泄漏和卡死 ， 这样大大减少了阀门的使 用寿命 ， 并难 以适应阀门行业 的需要。高温固定球双 向耐磨 球阀应用新技术 、 新结构 、 新工艺和新标准， 采用耐高 温 、 耐腐蚀 的高碳低硫密封垫作 为双 向密封奠基 ， 提 供了稳定的密封比压。独特的阀座组合设计 ， 具有 良 好的密封效果和 自研磨性能及刮削功能 。 2 工作原理 高温双向耐磨固定球球阀的主要构件 见图 1 ， 右阀体、 左 阀体 、 球体、 阀杆 、 组合 阀座 、 组合填料 、 手 动装置组件。阀门在作开关动作时 ， 图 1中手动装置 7的手柄只需顺时针方向旋转 9 0 。 ， 球阀作关闭动作 ； 逆时针方 向旋转 ， 球体作开启动作。当手柄轴线方向 与球 阀的轴线方向平行时， 球阀处 于全开状态 ； 当手 柄轴线方 向与球阀的轴线方向垂直时， 球阀处于关闭 状态 。 3 设计技术方案 1 高温 固定球双向耐磨球阀为固定球两片式 直通球阀 ， 设计 中主要零件部件材料为 阀体材质采 用 WC B 、 C F 8 、 C F 8 M， 阀杆材质为 1 7 4 P H、 3 0 4 、 3 1 6 ， 球体材质 F 3 0 4 WC 、 F 3 1 6 WC 。阀门的设计泄漏量 符合 G B ／ T 1 3 9 2 7的 D级规定 。 图 1 高温 固定球双向耐磨球 阀构造 图 1 ． 右阀体2 ． 左阀体3 ． 球体4 ． 阀杆5 ． 组合 阀座 6 ． 组合 填料7 ． 手动装置组件 2 球阀在使用过程中做开启 、 关闭动作 时， 由 于受介质的冲刷 、 腐蚀 和积聚 ， 造成密封面不 同程度 的磨损 ， 导致阀门泄漏严重 ， 这时采用组合 阀座结 构 的形式 ， 如图 2 ， 密封垫全部采用倒 三角形 的独特设 计 ， 金属密封阀座与支承圈选用高分子材料的三角形 密封圈一 ， 从而根本地杜绝 了介质窜人 阀座底部 凝 聚， 致使阀座密封副与阀体之 间径向泄漏 的可能性 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 1 作者 简介 罗利梅 1 9 6 5 一 ， 女 ， 广东兴 宁人 ， 工程师 ， 主要从事阀门设计研发工作。 1 62 机械研究与应用 2 0 1 3 年 第2 期 第2 6 卷， 总 第1 2 4 期 经验交流 推力圈与底座之间同样采用高分子材料的三角形密 封圈二和密封圈三相互支撑 ， 完全解决了颗粒介质窜 入弹簧孔导致柱形 弹簧无法伸缩的缺陷及 高温或颗 粒介质状态下球体与 阀座 “ 抱死” 的难题 ， 保证弹簧 在阀座密封副中正常发挥作用 ， 使密封 比压始终维持 在合理的范围 ， 实现了高温工况状态下阀门长期运行 的高性能可靠性 。 填料组合 图2 阀座组合 图3 填料组合 图 4 球一座密封副 3 填料组合采用分离正、 反三角形结构设计 ， 如图 3 。密封套和隔环把两组填料分隔 ， 填料一为正 三角形 ， 而填料二为反三 角形 。经过反复实践 ， 当介 质压力推动球阀作用于阀杆时 ， 阀杆作开、 启运动时 ， 三角填料一 、 二有效地转移 、 清除了石墨粉末依 附在 阀杆表面使其腐蚀的现象， 这样， 阀杆、 填料使用寿命 提高了 23倍 ， 填料函渗漏率为零 ] 。 4工艺要求 1 确保球体与阀座形成 良性密封 ， 主要部件直 接 由阀门卧式加工 中心 C WK 8 0 0加工 而成 。阀体 上 安装组合阀座 处径 向公差选用 D 1 0级 ， 光结度要 求 1 ． 6与之配合。 2 球体一 阀座密封副 如 图 4 ， 采用超音速 喷 涂碳化钨 H R C≥7 0 工艺和本公 司专利研 磨工艺 ， 结合刮削式宽弧面密封带结构 ， 球体且必须与阀座配 对研磨 ， 使其形成不问断的密封带 ， 从而实现零泄漏 、 抗粘垢 、 耐冲蚀的 目的 ， 延长了阀门的使用寿命 。 5 计算与验证 为了保证阀门的密封性能、 操作性能以及使用寿 命长 ， 对壳体壁厚、 密封 比压 和阀杆等进行计算和验 证 。 5 ． 1壁厚 计算厚度 J s { 1 ． 3 2 P D ／ 2 [ 6 L 卜 1 ． 2 P} c 式 中 P为设计给定的压力 ， M P a ； D为 阀体 内腔的最 大直径 设计给定 ， m m； C为腐蚀余量 按推荐值选 取 ； [ 6 ]为许用拉应力 查表可得 ， mm。 阀体实际壁厚 s 可以通过查表法 A S ME B 1 6 ． 3 4或 G B ／ T 1 2 2 4 与计算壁厚 相对 比， 满足 s Js 产品符合设计要求 。 5 ． 2 密封力综合计算 1 高温固定球双 向耐磨球阀是阀前和阀后密 封的固定球球阀， 其密封面总作用力 的计算 Q Q 。 Q 一 Q 式中 Q 。 为流体压力在 阀座密封 面上 引起 的作用力 ， N； Q 为预紧力 ， N； Q 为阀座滑动的摩擦力 ， N。 流体压力在阀座密封面上引起的作用力 Q 0 Q M J -- Q J 式中 Q 为流 体静 压力 在 阀座 密 封 的力 计算 可 得 ，N； Q 为介质压力 在 间隙中的作用力 计 算可 得 ，N。 预紧力 Q 0 ． 7 8 5 一 D q i 式中 D 为密封面外径 设计给定 mm； D 。 为密封 面 内径 设计给定 m m； g 为预紧必需的最小 比压 按 经验数据选取 ； 阀座滑动的摩擦力 Q 当阀座滑动 的摩擦力小于 o ． 0 5 Q 时， 在保证足够实用精度的情 况下 ， 为简化计算 ， Q 亦可 以不考虑 。 2 密封比压 密封面计算比 压q 4 Q ／ rr D ； 一 D ； 式中 Q为密封面总作用力 上式中得 出 ， N； D 为密 封面外径 设计给定 ， m m； D， 为密封面 内径 设计 给 定 ， m m。 密封面必需 比压 g q b m a c P ／ ／ t ／ l O 式中 m为与流体性质有关 的系数 按推荐值选 取 ； 为与密封面材料有关的系数 查表 ； C为与密封面 材料有关的系数 ； t 为密封面宽度 计算可得 ， m m。 密封面许用 比压 [ q ] 查表 ， MP a 。根据密 封 比压原理可知 ， 如果要实现密封必须满足 ①Q Q； ② q ≤g [ q ]的要求 ， 通过合理的设计与计算 ， 参 数 满足要求。 5 ． 3 固定球球阀的阀杆总转矩及强度验算 总转矩 式中 为球体与阀座密封圈间的摩擦转矩 计算可 得 ， N mm； M． 为阀杆 与填料 问的摩擦总转矩计算 可得 ， N m m； M 为轴承 的摩擦转矩计 算可得 ， N m m。 阀杆断面扭转应力 M／ W 式 中 为总转矩 ，N i n ； W为断面处的抗扭断面系 数 ， m m 。 下转 第 1 6 6页 1 63 经验交流 2 0 1 3 年 第2 期 第2 6 卷， 总 第1 2 4 期 机械 研究 与应用 频谱图， 如图 6 8所示 。 表2 二套分子筛装置真空泵监测数据 图 6 真空泵 自由端垂直 图 7 真空泵 自由端 方向频谱图 水平方向 1 9 ． 9 8 m／ s 2 鸭 图 8 真空泵 自由端的轴向方向 图 6频谱 图反映在低频处频带 ， 峰值都很高， 达 到 2 2 ． 1 9 mm ／ s ， 说 明真空泵 自由端 轴承振动严重。 图7 、 8频谱图可看出两图形基本相同， 都有明显轴承 倍频 ， 边带现象。说明真空泵 自由端存在轴承故 障。 同时 ， 凭借经验结合表 2振动 O A值 ， 观察数据分析 ， 初步认为轴承磨损 ， 转子存在不平衡现象 。及时向车 问施工反映该设备状况 ， 建议检修处理故障。 在 2 0 1 1 年 3月 1 0日打开设备拆检配件 ， 发现轴 承跑外套 ， 轴承盒磨损 0 ． 5 5 m m， 轴磨损 0 ． 9 0 m m， 形 成沟槽 ， 如图9所示。 图 9 真空泵 自由端的轴头 处理过程 对真空泵转子 自由端的轴头进行 了堆 焊加工处理 ， 并更换 3 2 2 3 0二套轴 承和 6 2 3 0一套轴 承。检修后试车 ， 设备运行正常。 6结论 2 B E 1 4 0 3 0 E型水环式真空泵在长期使用 中， 经常发生的这种类型 的故障， 经过不断 的分析 ， 对故 障进行针对性处理后 ， 可继续延长设备 的运行周期 ， 大大降低了检维修成本费用。 参考文献 [ 1 ] 王保华 ， 袁宏义 ， 赵钰． 设备故障的振动识别 方法实例 与诊断 标准[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 姚新华 ， 何耀辉． 立式离 心泵 电机 滚动轴 承故 障振 动分析 诊断 [ J ] ． 设备管理与维修 ， 2 0 1 1 2 4 7 4 9 ． [ 3 ] 许州， 扬程． 固化炉排气风机轴承的故障诊断和处理 [ J ] ． 设备管理与维修， 2 O L O 3 2 1 ． 『 4 ] 设备管理与维修 『 M] ． 北京 中国机械工程学会出版社 ， 2 0 1 0 ． ⋯ 。 l 。| 1 ’ ’ ⋯ l - 。” | _ ‘ 。 ‘ l | 。 l l 上接 第 1 6 3页 许用扭应力[ r ] ， MP a 。如果要实现阀杆的强度 满足设计要求， 必须符合 [ ]的要求 ， 通过合理 的设计与计算 ， 参数满足要求 j 。 6 结 语 通过设计计算验算和实际运用 ， 高温 固定球双向 耐磨球阀完全满足工况的使用要求 ， 现已广泛应用于 石油、 化工、 轻工、 建筑 、 冶金油品、 水、 腐蚀性流体工 1 66 程及铝业氧化铝粉输送工程 ， 具有广阔的发展潜能。 参考文献 [ 1 ] 洪勉成 ， 陆培文 ， 高凤琴． 阀门设计计 算手册 [ M] ． 北京 中国标 准出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 陆培文． 实用 阀门设计手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 成大先． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 章华友． 球阀设计 与选用 [ M] ． 北京 科学技术 出版社 ， 1 9 9 4 ．