内腔受力分析图如图5所示。

图5 内腔受力分析图

在介质压力的作用下，会产生一个轴向推力，该推力会增加刮刀与阀球的契合程度，刮刀结构本身设计为可磨损型，当不断启闭造成摩擦磨损时，介质压力产生的轴向推力会驱使刮刀与阀球紧密配合，从而补偿刮刀的磨损量，从而达到自补偿密封的效果，该设计可以有效保护阀球，在维修时，只需更换刮刀结构即可，操作简单，且节约成本。

2.3 有限元分析与验证

本研究通过SolidWorks Simulation对主密封结构进行有限元分析，阀座材料为ASTM A36钢，弹性模量E = 200 GPa，泊松比U= 0. 26，屈服强度=250 N/m2球体不赋予材料属性，作为解析刚体;法向接触行为选择“硬”接触，切向无摩擦;阀门压力等级中规定:公称压力PN = 10. 0 MPa~80. 0 MPa为高压阀门，这里取压力极限PN = 80. 0 MPa分析，使用Solidworks自带网格划分工具将刮刀结构整体划分为六面体网格，得到有限元分析结果如图6所示。

   阀门应力分布如图6 (a)所示。最大等效应力为196.6MPa，低于材料屈服强度250MPa ;位移变化如图6 (b)所示。最大位移量为0.0038mm，接近等于0;综上所述，在极限高压下该结构仍能满足工作需求。

图6 有限元分析结果

   根据阀座与阀球密封结构的受力分析，可以推导出固定球阀密封面上密封比压口的计算公式可近似表达为：

    式中:Q一实际比压;h一阀座密封面宽度(与密封面投影宽度成正比，分析时可用投影宽度替代);P一工作压力。

   由图3 (b)分析可知，当未发生摩擦损失时h=h₁;当发生摩擦损失后，摩擦磨损区域如图7所示(黑色区域表示摩擦损失部分)。

图7 摩擦磨损区域

     当磨损发生后轴向推力会使刮刀结构压紧阀球补偿磨损量，此时密封面投影宽度会增加△h，则密封面宽度h=△h + h1，磨损后密封面比压△Q为;

   显然，综合式(3~4)分析可知，当发生摩擦损失时，在工作压力P保持不变的情况下，仅有密封面宽度改变，则:

   因此，通过以上分析可以得出结论:密封面宽度与密封面比压成反比关系，通过该设计可以使发生摩擦磨损的区域通过流体介质自身压力的作用得到补偿，从而增加了刮刀结构与阀球形成的密封面宽度，减小了阀门的密封比压，使密封性能得到增加，验证了该主密封自补偿结构设计的正确性。

    3 结束语

   本研究提出的利用流体介质自身压力提供阀座轴向推力迫使阀座补偿摩擦损失的方法不仅适用于高温高压球阀，也广泛适用于密封原理类似的其他普通球阀，对今后高温高压球阀的研究与实际生产具有重要的参考意义。

   本结构由于内腔与阀门通道相连，默认内腔压力等于介质压力，但内腔压力大小是否会受导流孔分布以及形状影响未作分析，下一步工作主要将建立阀门泄露模型，探讨导流孔结构形式与密封比压的关系，并制作样机进行实物试验，进一步验证设计的正确性，由于实际工况中可能存在流体介质含有固体颗粒等其他问题，后期的研究可能会改进该结构，使之达到最优。