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一 种新型无摩擦球阀的设计 口雷永强 口韩致信 口马春亮 口雒淑蟹 口杨博 ， 1 ． 兰 州理 工 大 学 机 电工程 学院 兰 州 7 3 0 0 5 0 2 ． 兰州理工大学 温州研 究生分院 浙江温州3 2 5 1 0 5 3 ． 环球 阀 门有 限公 司 浙 江温 州 3 2 5 1 0 5 摘 要 球 阀是一种新型阀门， 不仅结构简单 ， 密封性能良好 ． 而且在一定的公称通径范围内体积较 小、 质量轻、 材料耗 用少、 操作简便 ， 是近几年发展速度最快的阀门品种之一 。但随着球 阀的开关次数增 加 ， 球体与阀座表 面会有不同程度的磨损 ， 进而会使球 阀的密封性能下降。介绍球阀的一种新型密封结 构 ， 该结构不仅可以实现球 阀在启闭过程 中球体无摩擦转动 ， 还可以有效避免球体 与阀座表面的磨损 ， 而且 能 减 小阀杆 与执行 元 件所 承栽 的扭 矩 ， 同 时降低 了对 阀杆 强度 的要 求 关键词 球 阀 密封无摩擦磨损 中 图分类 号 T H1 2 2 文 献标 识码 A 文 章编 号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 5 1 1 0 0 0 4 1 0 3 1 概 述 球 阀 是 上 世 纪 5 0年 代 问 世 的 一 种 新 型 阀 门 ， 由 于 其 具 有 流 体 阻 力 小 、 可 靠 性 高 、 启 闭 速 度 快 等 优 点 ， 不 仅 在 一 般 工 业 管 道 上 ， 而 且 在 核 工 业 、 宇 航 工 业 的 液 氧 与 液 氢 输 送 管 线 中 被 普 遍 采 用 ] 。 随 着 工 业 化 进 程 的 加 快 ， 球 阀 产 品 现 已 被 大 量 使 用 ， 这 就 对 其 产 品 质 量 和 结 构 设 计 提 出 了 更 高 的 要 求 ] 。 其 中 阀 门 的 密 封 性 能 是 衡 量 阀 门 质 量 最 重 要 的 指 标 ， 也 是 决 定 阀 门 寿 命 的 主 要 因 素 [ 4 - s ] 。 阀 门 的 密 封 分 为 硬 密 封 和 软 密 封 ， 当 管 道 内 流 体 或 介 质 压 力 较 小 、 温 度 较 低 时 ， 可 以 采 用 软 密 封 当 管 道 内 压 力 较 大 、 温 度 较 高 时 ， 采 用 硬 密 封 。 无 论 是 硬 密 封 还 是 软 密 封 ， 随 着 阀 门开 关 次 数 的 增 多 ， 密 封 面 都 有 不 同 程 度 的 磨 损 ，为 此 提 出 了 对 其 材 料 强 度 和 加 工 精 度 的 要 求 [ 8 3 。为 了减 少 密 封 面 的磨 损 ， 一 般 通 过 提 高 密 封 副 材 料 的 性 能 来 提 高 密 封 面 的 耐 磨 性 ， 或 从 减 小 阀 座 在 阀 门 启 闭 过 程 中 与 球 体 的 接 触 面 积 来 降 低 磨 损 。 目前 ， 国 内有 一 种 阀 杆 上 带 有 凸 轮 的 装 置 ， 该 球 阀 在 球 体 转 动 过 程 中 连 接 在 阀 杆 上 的 凸 轮 跟 着 一 起 转 动 ， 进 而 利 用 凸 轮 推 开 阀 座 ， 实 现 球 体 与 阀 座 密 封 副 之 间 的 启 闭 _ 9， 这 种 结 构 是 利 用 纯 机 械 式 的 推 开 ， 造 成 凸 轮 的 磨 损 非 常 快 ， 而 且 对 阀 杆 强 度 和 硬 度 提 出 了 高 的 要 求 。笔 者 基 于 此 装 置 的 理 念 提 出 了 一 种 无 摩 擦 球 阀 的 新 型 结 构 ， 该 球 阀 利 用 气 体 来 推 开 阀 座 ， 通 过 这 种 结 构 ， 不 仅 克 服 了球 阀启 闭 过 程 中 的 磨 损 ， 而 且 降 低 了 对 材 料 强 度 的 要 求 。 2无摩 擦球 阀的结构 与工作原 理 收稿 日期 2 0 1 5年 4月 机械制造 5 3 卷 第 6 1 4 期 2 ． 1 总 体 结 构 无 摩 擦 球 阀 主 要 由 阀 体 、 阀 盖 、 球 体 、 阀 杆 、 刮 刀 、 阀 座 支 撑 圈 、 阀 座 、 密 封 环 、 0 型 密 封 圈 等 组 成 ， 如 图 1 所 示 。 该 阀 门 采 用 侧 装 式 、 软 密 封 固定 球 球 阀 ， 球 阀 结 构 简 单 、 紧 凑 ， 便 于 拆 卸 、 组 装 、 维 修 。阀 门 密 封 效 果 好 ， 完 全 消 除 了球 体 转 动 过 程 中球 体 密 封 面 与 阀 座 密 封 面 之 间 的摩 擦 ， 大 大 提 高 了 阀 门 的 使 用 寿 命 。 2 - 2球 阀 无 摩 擦 原 理 无 摩 擦 球 阀 结 构 采 用 了 气 动 推 开 阀 座 装 置 的 形 式 ， 如 图 1所 示 。 1 当 阀 门 由 全 开 到 关 闭 时 ， 打 开 气 源 接 口 1管 路 上 的 泄 压 阀 进 行 排 气 ， 同 时 ， 打 开 气 源 接 口 2管 路 上 的 进 气 阀 ， 向 气 源 接 口 2充 气 ， 从 而 在 密 封 环 上 形 成 活 塞 ， 使 密 封 环 带 动 阀 座 向球 体 反 方 向 移 动 ， 阀 座 密 封 面 与 球 体 密 封 面 分 离 ， 转 动 球 体 ， 使 球 体 由全 开 转 到 全 关 的 位 置 球 体 实 现 无 摩 擦 转 动 ； 然 后 ， 打 开 气 源 接 口 2 管 路 上 的 泄 压 阀 进 行 排 气 ， 同 时 ， 打 开 气 源 接 口 1管 路 上 的 进 气 阀 ， 向气 源 接 口 1充 气 ， 从 而 在 密 封 环 上 形 成 活 塞 ， 使 密 封 环 带 动 阀 座 向 球 体 方 向 移 动 ， 阀 座 密 封 面 与 球 体 密 N- 面 密 封 。 2当 阀 门 由 全 关 到 开 启 时 ， 进 排 气 的 顺 序 与 当 阀 门 由 全 开 到 关 闭 时 一 致 。 2． 3 阀 座 运 动 过 程 受 力 分 析 气 源 压 力 在 推 动 阀 座 支 撑 圈 带 动 阀 座 偏 向或 偏 离 球 体 运 动 时 ，须 克 服 阀 座 支 撑 圈 运 动 过 程 与 其 接 触 部 件 的 摩 擦 阻 力 。 当 中腔 有 介 质 压 力 时 ，阻 力 主 要 由 0 型 密 封 圈 的 摩 擦 阻 力 和 介 质 压 力 组 成 当 中 腔 无 介 质 压 力 时 ， 阻 力 主 要 来 自于 0 型 密 封 圈 的 摩 擦 阻 力 。 2． 3． 1 阀 座 推 离 球 体 时 的 受 力 分 析 2 0 1 5 ／ 1 0 囿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ① 当中腔 无介 质 压力 、 阀座 推离 球体 时 ， 阀座 支撑 圈 所 受 的 合 力 为 F1 一 Fo 1 F 1 D ； 一 D P l 2 式 中 为 4个 0 型 密 封 圈 总 的 摩 擦 力 ； 为 阀 座 推 离 球 体 时 的 气 源 力 ， 方 向 如 图 1 b 所 示 ；D 为 进 气 口 的 活 塞 内径 ； D3 为 活 塞 外 径 ； 尸 l 为 气 源 压 力 。 ② 当 中腔有 介质 压力 、 阀座推 离球 体 时 ， 阀座支 撑 圈 所 受 的 合 力 为 F FI 一 3 ≥ 旱 D 一 D P 4 式 中 为 阀 座 推 离 球 体 的 介 质 力 ， 方 向 如 图 1 b 所 示 ；D 为 中腔 活 塞 内径 ； P为 介 质 压 力 。 无 论 中 腔 是 否 有 介 质 压 力 ，要 实 现 将 阀 座 推 离 球 体 的 运 动 ， 阀 座 支 撑 圈 所 受 的 合 力 F必 须 大 于 零 。 2 ． 3 ． 2 阀 座 推 向球 体 时 的 受 力 分 析 ① 当 中腔 无 介质 压力 、 阀座 推 向球体 时 ， 阀座 支 撑 圈 所 受 的 合 力 为 F3 一 Fo 5 F 3 孚 D 一 D 尸 l 6 式 中 为 4个 0 型 密 封 圈 总 的 摩 擦 力 ， 与 图 1 b 所 示 方 向 相 反 ； 为 阀 座 推 向 球 体 时 的 气 源 力 ， 方 向 如 图 1 b 所 示 ； D。 为 。 型 密 封 圈 的 密 封 直 径 。 ② 当 中腔有 介质 压力 、 阀座 推 向球 体 时 ， 阀座支 撑 圈 所 受 的 合 力 为 FF3 一 F2 7 同 理 ， 要 实 现 将 阀 座 推 向 球 体 的 运 动 ， 无 论 中 腔 是 否 有 介 质 压 力 ， 阀 座 支 撑 圈 所 受 的 合 力 F必 须 大 于 零 。 l 2 0 1 5 ／ 1 0 2 ． 3 ． 3 o 型 密 封 圈摩 擦 力 的 具 体 分 析 0 型 密 封 圈 总 的摩 擦 阻 力 为 Fo Fo l 8 式 中 。 、 、 、 分 别 代 表 4个 0 型 密 封 圈 的摩 擦 力 。 以 。 型 密 封 圈1的 摩 擦 阻 力 为 例 来 进 行 计 算 F o l r r Do b Ⅷo 厂 9 式 中 b 为 0 型 密 封 圈 接 触 宽 度 ； Z为 O 型 密 封 圈 个 数 为 橡 胶 。 型 密 封 圈 的 摩 擦 因 数 ，一 般 取 0 ． 4； p ～ 为 O 型 密 封 圈 的 密 封 比压 。 p 0 ． 4 0 ． 6 P o ／ 6 n ／ 1 0 1 0 式 中 为 0 型 密 封 圈 处 的 体 腔 内压 力 。 其 余 3个 0 型 密 封 圈 的 摩 擦 阻 力 计 算 方 法 和 0 型 密 封 圈 1的 计 算 方 法 类 似 。 2． 4设 计 数 据 实 例 验 证 给 定 阀 门 公 称 通 径 D 1 2 ” 1 ” 2 5 ． 4 mm ， 公 称 压 力 1 3 3 4 ． 4 N， 气 源 压 力 Pl 0 ． 8 MP a ， 介 质 压 力 P 2 ． 0 MP a，按 照 AP I 一 6 D 标 准 设 计 ，取 D0 3 3 0 mm ， Dl 31 3 mm ， D2 390 mm ， D3 500 mm ， bm0． 9 mm ， Po O， Z 4来 进 行 计 算 。 1 假 设 中 腔 无 介 质 压 力 ， 数 据 代 人 式 2 、 式 8 ～ 式 1 0 可 得 ， 阀 座 推 离 球 体 时 的气 源 压 力 61 4 8 1 ． 2 N； 4个 0 型 密 封 圈 总 的摩 擦 力 F o 2 2 8 9 N； 代 入 式 1 计 算 得 阀 座 支 撑 圈 所 受 合 力 F 5 9 1 9 2 N 0， 该 运 动 过 程 可 以 实 现 。 2 假 设 中 腔 有 介 质 压 力 ， 数 据 代 入 式 6 、 式 4 可 得 ， 阀 座 推 向 球 体 时 的 气 源 压 力 8 8 6 1 0 ． 8 N； 介 质 压 力 8 4 9 8 5 ． 7 N；4 个 。 型 密 封 圈 总 摩 擦 力 F o 2 2 8 9 N； 代 入 式 7 计 算 可 得 阀 座 支 撑 圈 所 受 合 力 肚 1 3 3 6 ． 1 N 0 ， 该 运 动 过 程 亦 可 实 现 。 由 于 篇 幅 原 因 ， 对 于 中腔 有 介 质 压 力 推 离 球 体 和 中 腔 无 介 质 压 力 推 向球 体 两 过 程 不 再 罗 列 具 体 的计 算 数 据 。 3 结论 实 例 计 算 说 明 ， 通 过 推 开 阀 座 装 置 的 应 用 ， 在 球 体 转 动 过 程 中 ， 阀 座 和 球 体 可 以有 效 地 脱 离 ， 从 而 避 免 了 阀 门密 封 面 和 球 体 密 封 面 之 间 的 摩 擦 ，起 到 了保 护 密 封 面 的 作 用 ， 不 但 提 高 了 阀 门 的 密 封 性 能 ， 减 小 了 启 闭 球 阀 的 力 矩 ， 延 长 了 阀 门 的 使 用 寿 命 ， 而 且 有 效 降 低 了 用 户 的 维 护 周 期 和 成 本 ， 能 够 更 好 地 满 足 用 户 要 求 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张锁龙 ， 庞 明军 ， 包 键 ， 等． 大 口径球 阀阀体设 计 [ J ] ． 农业 机 械学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 2 1 5 5 1 5 6 ． [ 2 ] 王新 权． 国外小型球 阀的特点 分析 [ J ] ． 机械开发， 1 9 8 8 2 1 3． 机械制造 5 3卷 第 6 1 4 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 小 尺 度 效 应 对 纳 米 开 关 吸 台 行 为 的 影 响 口陈博 口谭亮 兰州理 工大 学 机 电工程 学院 兰州 7 3 0 0 5 0 摘 要 基于传统的欧拉伯努利梁模型和等效非局部理论 ， 研究悬臂纳米开关和固支纳米开关在外 加 电压的情况下， 小尺度效应对其吸合行 为的影响 ， 采 用能量 变分原理和数值分析 的方法， 建立纳米开 关的数学物理模型 ， 推导并求解其控制方程 ， 详细研 究了小尺度效应对两种 纳米开关弯曲刚度的影响。 结果表明 小尺度效应使 固支纳米开关的弯曲刚度变小． 悬臂纳米开关的弯曲刚度 变大 关键词 小尺度效应 悬臂纳米开关 固支纳米开关 等效 非局部理论 弯 曲刚度 中图分 类号 T H1 2 3 文献标 识码 A 文 章编 号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 5 1 1 0 0 0 4 3 0 4 近 年 来 随 着 纳 机 电 技 术 的 发 展 ．作 为 纳 机 电 系 统 基 础 元 器 件 的 纳 米 开 关 ， 受 到 了 众 多 研 究 学 者 的青 睐 。 纳 米 开 关 主 要 有 两 种 类 型 ，分 别 是 悬 臂 纳 米 开 关 和 固 支 纳 米 开 关 。 这 种 纳 米 开 关 是 一 种 类 梁 结 构 ， 它 可 以 看 作 是 由 中 间 被 电 解 质 隔 开 的 可 移 动 臂 和 固 定 臂 组 成 ， 当在 可 移 动 臂 和 固 定 臂 之 间 施 加 外 加 电 压 时 ，静 电 力 会 使 可 移 动 臂 和 固 定 臂 之 间 发 生 吸 附 行 为 _ 1 ] 。 在 宏 观 理 论 下 ， 5 3 “ 子 间 的作 用 力 ， 如 范 德 华 力 和 克 什 米 尔 力 等 ， 这 些 微 小 力 都 是 忽 略 不 计 的 。 但 当 纳 米 开 关 的 尺 寸 和 分 子 处 于 同 一 数 量 级 时 ，小 尺 度 效 应 对 于 其 机 械 性 能 的 影 响 就 显 得 非 常 重 要 _2 _ 。 曹 共 柏 等 采 用 经 典 的分 子 动 力 学 方 法 。分 析 了 两 端 固 支 的 纳 米 梁 的 力 学 行 为 特 征 ，结 果 显 示 发 热 是 纳 米 梁 耗 散 机 制 的 重 要 方 式 。 即 谐 振 能 量 转 化 为 梁 中 原 子 的 热 运 动 动 能 。 许 科 峰 等 提 出 了 几 种 基 于 ME MS 微 机 电 系 统 各 向 异 性 腐 蚀 技 术 的 纳 米 梁 制 作 方 法 ． 通 过 利 用 MEMS技 术 中材 料 与 工 艺 的 特 性 实 现 单 晶 硅 纳 米 梁 的 制 作 。 徐 临 燕 等 基 于 原 子 力 显 微 镜 AF M 测 量 了 纳 米 梁 的 杨 氏 模 量 。 近 年 来 ， 由 于 需 要 合 适 的 模 型 和 理 论 来 分 析 小 尺 度 的 机 械 器 件 和 设 备 的 机 械 性 能 ．这 就 使 连 续 介 质 力 学 的 尺 寸 依 赖 理 论 受 到 了 持 续 的关 注 l 6 ] 。严 格 来 说 ， 经 收稿 日期 2 0 1 5年 4月 典 的 连 续 介 质 力 学 并 不 适 用 于 纳 米 级 的 纳 机 电 系 统 元 器 件 的 分 析 。但 是 由 于 纳 米 级 别 的 对 照 试 验 和 分 子 动 力 学 模 拟 不 仅 实 施 起 来 比 较 困 难 ． 而 且 成 本 昂 贵 E 7 3 ， 所 以 一 些 研 究 学 者 建 立 了 若 干 非 经 典 的 连 续 理 论 。如 非 局 部 弹 性 理 论 Ⅲ 8 和 偶 应 力 理 论 ， 来 解 释 纳 结 构 的 尺 寸 依 赖 行 为 。 B e n i Y T 等 _ 1 叫 利 用 修 正 的 偶 应 力 理 论 和 修 正 的 Ad o mi a n分 解 方 法 ， 研 究 了 纳 机 电 系 统 中 吸 附 行 为 的 尺 寸 依 赖 特 性 ， 他 们 的研 究 结 果 显 示 ， 小 尺 度 效 应 使 纳 米 梁 的 临 界 吸 附 电压 增 大 了 。 为 了 更 为 客 观 地 反 映 小 尺 度 效 应 对 纳 机 电 器 件 的 影 响 ． Ya n g J等 [ 1 l 基 于 非 局 部 理 论 对 受 外 加 电 压 和 分 子 问 作 用 力 共 同作 用 的 纳 米 开 关 的 吸 附 行 为 进 行 了研 究 ．他 们 提 出 了一 个 线 性 分 布 载 荷 L DL 模 型 ， 以 获 得 悬 臂 和 固 支 纳 米 开 关 封 闭 形 式 的 解 决 方 案 ， 同 时 还 发 现 ． 小 尺 度 效 应 使 悬 臂 纳 米 开 关 的 吸 合 电压 增 大 了 ，纳 米 开 关 固 支 纳 米 开 关 的 拉 入 电 压 减 小 了 。 P e n g J S 等 『 l 用 一 个 适 合 边 界 条 件 的 线 性 负 载 模 型 替 代 了 L DL 模 型 ． 并 且 基 于 E r i n g e n的 非 局 部 弹 性 理 论 对 纳 米 促 动 器 的 吸 附 行 为 重 新 进 行 了 稳 定 性 研 究 。 此 外 。 Wa n g B L等 [ 1 3 提 出 使 用 应 变 梯 度 弹 性 理 论 来 研 究 电 驱 动 纳 米 梁 的 尺 寸 依 赖 性 。 Mo u s a v i T等 _ 1 4 ] 基 于 E Nn g e n的 非 局 部 弹 性 理 论 对 纳 米 开 关 的 吸 合 行 为 进 行 了 分 析 。 Wa n g K F等 通 过 [ 3 ] 金成 波．金属 密封球 阀球 体与 阀杆 接触部 位的优化 设计 [ J ] ． 阀门， 2 0 1 2 5 3 0 3 3 ． [ 4 ] 王文霞 ， 刘金美 ． 燃气阀 门应用现状及选 型初探 [ J ] ． 城市燃 气 ， 2 0 0 8 1 1 1 9 2 1 ． [ 5 ] 吴尖斌． 高压球阀的结构设 计[ J ] ． 阀门， 2 0 0 4 5 4 6 ． [ 6 ] 王加新 ， 印峰平 ， 徐明华． 球 阀密 封结构 的分析及研究 [ J ] ． 阀门。2 0 0 0 6 2 9 3 2 ． [ 7 ] 胡兆华 ， 刘 强． 一种高压球 阀阀杆 的密封设计 改进[ J ] ． 液压 机械制造 5 3卷 第 6 1 4期 气动 与密封， 2 0 1 4 6 7 6 7 7 ． [ 8 ] 叶惠军 ． 0型 密封圈结构设计 及相 关问题探讨 [ J ] ． 液压气 动与密封。 2 0 1 3 6 6 3 6 4 ． [ 9 ] 张锁龙， 何云松 ， 裴 峻峰 ， 等． 大 口径球阀 的结 构设计 和强 度计算 [ J ] ． 江苏工业 学院学报 ， 2 0 0 4 ， 1 6 4 3 6 3 9 ． [ 1 0 ]谢清程． 带凸轮软密封的高压球 阀设计 [ J ] ． 机 电设备， 2 0 0 3 3 6 7 ． △ 编 辑 平平 2 0 1 5 ／ 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m