楔式耐磨旋塞阀的设计

    1 概述
    当前，工业中所用的旋塞阀主要采用方孔形式，软密封结构，其不足之处为启闭力矩大，容易造成密封面严重磨损，密封副表面相互咬伤，又不耐介质的冲刷，从而使密封性能过早失效，影响使用寿命，并且有压力损失，使用寿命短，不适用高温高压介质，不利于管线清扫。根据用户的实际需要，设计了新型楔式耐磨旋塞阀。
    2 结构形式及工作原理
    新型楔式耐磨旋塞阀（图1）由阀体、内压自封式阀盖、塞子、阀杆、密封环、压板、填料和轴承等组成。当阀门需要关闭时，先旋转手轮，通过阀杆带动塞子上升，使塞子与阀体脱离，消除了密封副之间的摩擦。然后通过手柄使塞子转动90°，使旋塞通孔处于关闭方向，再反向旋转手轮使塞子下降，即塞子楔入阀体以实现堵塞通道介质的作用，达到强制密封的效果。当阀门需开启时，采用相同的方法，使旋塞通道与管路通道相通，完成阀门的开启。

图1 新型楔式耐磨旋塞阀

    3 设计
    3.1 结构
    阀门采用楔式压力自紧密封结构，与栓接阀盖相比，中腔密封更加安全可靠，无泄漏。适用于额定压力6.3~16.0MPa。与圆柱形旋塞阀相比，楔紧力可调，也比较轻松，不用加大楔紧力，就可以实现密封且性能可靠。流道为圆柱形全通径流道，便于工程扫线，符合API6D的规定。
    3.2 阀体壁厚
    阀体壁厚SB'为

    
    式中 SB'——计算厚度，mm
    P——计算压力（PN设计给定），MPa
    Dn——计算内径（设计给定），mm
    [σL]——许用拉应力（查表），MPa
    C——腐蚀余量（设计给定），mm
    设计选用的实际壁厚SB≥SB'为合格。

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    3.3 密封副
    密封副结构如图2所示。由于金属密封面夹入介质颗粒后容易变形，因此将密封副设计成凸起的倒圆锥结构，以减少长期使用后介质颗粒的吸附，同时也便于冲刷清理密封面。

图2 密封面受力分析

图3 阀杆受力分析

    为了保持密封副有良好性能，有两种处理方法。一是在阀体和塞子上采用超音速喷涂钴铬钨硬质合金，其特点是焊后无需加工，快速高效，适用于大规模批量生产。但需要购置专用设备，培训专职人员，投资较大。二是在本体上堆焊钴铬钨硬质合金，硬度可达到65HRC以上，从而提高密封副的许用应力及表面的耐磨性和耐冲刷性，可以有效地延长阀门使用寿命，满足带颗粒、高温度及高流速的工况使用。此种工艺是国内阀门行业普遍使用的焊接方法，适用小批量加工。
    阀门处于密封状态时，如果密封面上的密封比压过小，由于尺寸公差的波动，及装配过程中产生的累计误差很容易造成泄漏。如果密封比压太大，又会增加操作扭矩。通过控制塞子锥面的平均直径≤通道直径1.6倍的方法解决了密封面宽，不易密封的问题。
    阀门的密封比压q为

    
    式中 QMZ——密封面上总作用力，MPa
    QMZ=QMJ+QMF
    QMJ——密封处介质作用力，N

    
    DMN——密封面内径（设计选用），mm
    bM——密封面宽度（设计选用），mm
    P——介质工作压力（P=PN），MPa
    QMF——密封面上密封力，N

    
    qMF——阀座密封面必须比压，MPa

    
    若密封面上实际工作的比压q满足qMF<q<[q]，则密封符合要求。[q]为密封面材料的许用比压。
    3.4 阀杆强度
    阀门操作轻便灵活是产品质量的主要要求之一。楔式耐磨旋塞阀可用于高压，阀杆受力（图3）主要来自填料处的摩擦力和介质的阻力。与其他旋塞阀相比，该阀操作力矩虽有所减小，但效果不是最佳，为了使操作力矩降到最低，在塞体的上下转动副各设计一个滑动轴承，来最大限度的降低操作力矩，启闭更加轻便自如。
    （1）阀杆强度校核
    阀门关闭时阀杆总轴向力QFZ'为

    
    阀门开启时阀杆总轴向力QFZ''为

    
    阀杆最大轴向力QFZ取QFZ'和QFZ''中较大值。
    式中  K1、K2、K3、K4——系数（查表选取）
    QP——阀杆径向截面上介质作用力，N

    
    dF——阀杆直径（设计选定），mm
    QT——填料与阀杆的摩擦力，N

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    φ——系数查表（按hT/bT）
    hT——填料深度，mm
    bT——填料宽度，mm
    阀杆受到的轴向应力σL和σY为

    
    式中 σL——拉应力，MPa
    σY——压应力，MPa
    FS——阀杆最小截面积，mm
    若σL≤[σL]，σY≤[σY]，为合格。[σL]、[σY]分别为阀杆材料的许用拉应力和许用压应力。
    （2）阀杆最大力矩
    阀杆最大力矩M为

    
    式中  Mf——密封面间摩擦力矩，N•m
    MT——填料与阀杆径向摩擦力矩，N•m
    MJ——介质压力在旋塞与阀体接触面上产生的摩擦力矩，N•m
    由于阀门在整个启闭过程中，通过提升塞子使密封副间脱离，旋转时无磨擦，即Mf=0。

    
    式中   QT——填料与阀杆的摩擦力，N
    dF——阀杆直径（设计选定），mm

    
    d——阀体进出口直径（取d=DN），mm
    Dp——塞子平均直径，mm

    
    D1——塞子大端直径（设计选定），mm
    D2——塞子小端直径（设计选定），mm
    fM——塞子与阀体密封面间摩擦系数（有润滑fM=0.08，无润滑fM=0.12~0.18）
    旋塞上最大扭应力τN为

    
    式中    S——扳手口方的边长（设计选用），mm
    τN≤[τN]，阀杆强度为合格。[τN]为阀杆材料的许用扭应力。
    3.5 塞子提升高度
    为了使塞子提升高度控制在合理的范围内，在阀门顶端安装了一个螺钉（此螺钉可调），达到阀杆的限位作用。调整好螺钉后，用螺母锁紧。当塞子提起到最佳位置时，螺钉刚好顶住阀杆上端面，阻止阀杆继续上升，有效的控制了塞子的提升高度。一般提升高度控制在1~2mm，关闭也同样如此。
    4 结语
    新型楔式耐磨旋塞阀密封性能较好。开启过程中密封面之间无摩擦，关闭过程中不用加大楔紧力就能达到可靠密封，并且楔紧力可调。密封配合件可以互换，阀门操作扭矩减小，使用寿命得到提高。