1.2 球阀密封性能影响因素

要想提高阀门的密封性能、使用寿命以及使结构更加紧固，密封比压的选择就必须合理。当阀门的阀座在预紧状况下时，通过阀杆控制阀球相对阀座转动，这时阀球与阀座挤压会产生切向的应力，从而造成密封副之间的磨损。目前研究表明:金属材料摩擦副之间的摩擦磨损率随着载荷的增加有一个临界载荷，即在临界载荷下，磨损率较小，而大于临界载荷，磨损率迅速增大，产生比较严重的磨损，因此，为了减小球阀在不断开合过程中所造成的密封副之间的摩擦损失，应该使密封面上的比压尽可能小，且还要保证其密封性能。所以，密封面上的比压需要达到如下条件:

式中:Q_b-保证密封必需比压;Q一实际比压;[Q]一密封面材料的许用比压。

按照不同的流体介质压力、密封面喷涂质料以及密封面的宽度设计参数试验，得到当密封面使用材料为硬质合金或钢的时候球阀的比压经验公式可表达为:

式中: Q_b一保证密封必需比压;h₁一密封面径向投影宽度;m一只与介质的特性有关的系数，通常水为m =1，高温状态下的气体、液体为m = 1.4;P一介质压力;a一密封面压力角。

2  Solidworks模型设计及有限元分析

本研究借助CAXA二维绘图以及SolidWorks三维建模，提高密封结构的设计效率，同时对密封结构密封面上的应力分布以及阀座位移量进行分析。

2.1 结构分析与设计

主密封结构参数设计如图3所示。

图3 主密封结构参数设计

1-导流孔;2-阀座;3-U型弹簧;4一刮刀

主密封结构由阀座2、刮刀4与阀体和阀球组合方式构成，阀体内部本身为高温高压介质，当阀门关闭时，阀球与刮刀4形成的流通截面逐渐变小，使内部压力进一步增大，介质在高压下通过导流孔1进入内腔对U型弹簧3施加作用力，该作用力迫使刮刀4紧贴阀球形成一个密封面，并且随着阀门关闭该作用力逐渐增大，反作用于阀座2上，形成牢靠的自密封结构。

图3 (b)中各变量对应关系如表1所示。

表1 变量对应关系

其中，坐标原点设在阀球中心。

2.2 自补偿密封原理

为了更形象地说明本结构密封原理，本研究使用Solidworks建模软件建立主密封三维结构模型，阀门开关状态如图4所示。

图4 阀门开关状态

当阀门开启时如图4 (a)所示。阀座贯通，介质可以无阻碍通过阀门当阀门关闭时如图4 (b)所示。此时阀球通道与阀球中心线与阀座中心线垂直，此时阀球外表面与刮刀结构紧紧配合，介质无法通过，迫使介质在自身压力下流向导流孔，进入由U型弹簧和阀座形成的内腔。