冲击式水轮机球阀漏油分析

    随着现代科技和经济的快速发展，具有中高压力大流量的液体、气体工质的输送逐渐增加，这就必然需要具有中高强度大流量的机电调控设备来满足人们在科技和经济方面的发展需要。为了推进科技和经济的快速发展，迫使人们不得不研制具有中高强度大流量的机电调控设备，而球阀就是满足这种要求的机电调控设备之一。球阀产生于20世纪50年代，随着科学技术的飞速发展，生产、工艺及产品结构的不断改进，在不到40年时间里，已迅速发展成为一种主要的阀类。它的主要优点有：启闭迅速、操作方便、结构简单、质量轻、流体阻力小，适用于低温、高温、高压、黏度较大的介质。由于球阀有这些优点，因此，在西方发达的工业国家，球阀的使用量在不断地增加；而在我国，球阀被广泛应用于石油炼制、长输管线、化工、造纸、制药、水利、电力、市政、钢铁等行业，为我国国民经济的快速发展发挥了巨大作用。

    1 球阀的结构概述

    球阀是一种被广泛使用的阀门，球阀的启闭件采用圆形通孔的球体，球体随阀杆转动，以达到切断、分配、改变介质流向等作用，其中V形开口的球阀还可用于流量调节。球阀的主要组成部件有：阀体、带有轴颈阀门、滑动轴承、带密封环的工作密封、检修密封装置和阀的操作机构等。球阀通常采用卧轴结构，活门全开式，工作密封盖位于上部。

    阀体通常由两件组成。组合面的位置通常有两种安排：一种是偏心分半，组合面放在靠近下游侧（即靠近工作密封侧），阀体的地脚螺钉都布置在上游侧这一大半阀体上。其优点是分半面螺钉受力均匀，但采用这种结构，阀轴和活门必须是装配式的，否则无法装入阀体；另一种是对称分半，将分半面放在阀轴中心上，这时阀轴和活门可以采用整体结构，以减轻质量。阀体通常采用铸钢铸成。当阀轴与活门为整体结构时，可以采用铸钢铸造或分别铸造后焊在一起；当阀轴与活门为装配式结构时，则是通过阀轴上的法兰用螺钉和活门组装。

    球阀的密封装置有两种：工作密封和检修密封。工作密封位于球阀出流侧，主要零件有密封环、密封盖等。球阀开启前，先由旁通阀向下游充水，同时将密封盖内的压力水由C孔排出，由于下游水压力逐渐升高，逐渐将密封盖压入，密封口脱开，这时可开启活门；相反，当活门关闭后，此时C孔已关闭，压力水由活门和密封盖的护圈之间的间隙流到密封盖的内腔，随着下游水压的下降，密封盖逐渐突出，直至密封口压严为止。文中主要探讨球阀密封的设计与优化。

    2 球阀漏油的分析与探讨

    在经济全球化高速发展的今天，由于机械产品日益标准化，要求生产机械零部件批量化、精密程度生产同一化，因而，在工程设计与实践探索中对球阀的要求越来越高，这就必须借助模型和边界条件的优化设计，同时还要求理论与实践的互化和回归统一，它是现在同时也是将来研究和分析问题的出发点和落脚点。理论指导实践，而在实践中补充理论探索的不足，使理论进一步深化，更好地运用于生产实际。

    2.1 球阀的工程设计与实践分析

    球阀的工程设计与其他机械零部件的设计一样，首先是理论设计，以达到用户的要求为目的。在设计过程中必然会出现没有考虑到的许多边界因素，因此，在生产实践中也必然会出现许多工程实践问题。而在球阀的理论设计过程中，根据工作压力设计的要求，计算球阀的内径、外径和相关尺寸，同时还要考虑球阀的通用性。现在就球阀的密封进行理论设计与实践分析。如图1所示，根据工作压力和相关要求（只考虑一个单启闭的行程过程），进入球阀的液压油：

        （1）

    式中：r为球阀内半径（m）；υ为进入球阀内液压油单位时间内的位移（m/s）；t为球阀内液压油单启闭行程时间（s）。在工程设计过程中，采用密封面和护圈进行密封，而球阀在正常工作过程中，漏油常有出现，给生产带来不便，究其原因，还是密封结构存在问题。

图1 球阀密封部分结构图

    2.2 模型建立与边界层的优化

    针对上节球阀在实践中出现的漏油现象，现建模和考虑边界条件优化来分析和探索球阀在工作过程中漏油的具体原因。上述用密封面和护圈进行密封的球阀出现漏油与密封的结构和受力有关系。下面改变密封结构，建立新模型并应用数值软件进行具体分析。如图2所示，采用中空的“O”型密封圈，在对称的180°圆环两端各开一个小孔，开孔面积必须满足下述方程：

        （2）

    式中：l为开孔曲线积分弧长（m）；υ为液压油设计速度（m/s）；t为“O”型密封圈从膨胀到防止球阀漏油所需时间，与球阀的相关密封件间隙有关（s）。其密封圈结构如图3所示，两孔均朝向液压油来油方向。其工作原理是：

图2 密封圈模型数值化软件分  

图3 密封圈

    当高压液压油进入球阀时，从密封盖外表面与密封环内表面间隙流出的高压液压油流到“O”型密封圈时，它们就从“O”型密封圈开孔位置进入其中空部分，由于高压液压油的压力作用使“O”型密封圈膨胀，“O”型密封圈因弹力的作用将密封盖外表面和密封环内表面压紧而不让液压油漏出。密封圈力学特性如图4所示，把“O”型密封圈简化成简支梁，满足下述不等式：

图4 密封圈受力图

    （3）    

    式中：F₂为液压油作用在“O”型密封圈垂直方向的压力（N）；G₁为“O”型密封圈自身重力（N）；G₂为进入“O”型密封圈中空部分液压油的重力（N）；F₁为“O”型密封圈因膨胀而作用在密封盖外表面和密封环内表面的压力（N）；μ为“O”型密封圈与密封盖外表面和密封环内表面的摩擦因数。

    由于F₁、F₂都与液压油的设计压力有关，是系统的内压力，因此，不增加“O”型密封圈、密封盖和密封环的系统内压力，而且也防止球阀漏油。由不等式F₂+G₁+G₂≥μF₁可知：“O”型密封圈所受竖直方向的作用力大于水平方向的作用力；当球阀内液压油的压力消失时，这时“O”型密封圈内的液压油压力大于球阀内液压油的压力，“O”型密封圈内的高压液压油就回流到球阀内。

    以球阀中心线而建立三维坐标，其椭球方程为：

        （4）

    式中：α为椭球在x、y轴上的半轴长（m）；b为椭球在z轴上的半轴长（m）。即“O”型密封圈与椭球方程（4）相切是达到“O”型密封圈密封球阀内液压油的最小边界临界条件，如果超过此边界临界条件，其密封效果更好。当“O”型密封圈处于原始状态时，其应力张量是：

    

    当“O”型密封圈受到压力膨胀时，其应力张量是：

    

    式中：P为应力张量增量。正是“O”型密封圈体积变化才能达到密封的良好效果。由于其受到液压油的压力并考虑到边界和临界条件的作用，当“O”型密封圈膨胀到球阀不漏油时，高压液压油在水平方向的流速u_水平=0，在圆周方向u_圆周临界≤u_圆周≤υ、p_{圆周膨胀临界}≤p≤p_设计。“O”型密封圈作用在密封盖和密封环的压力为F₁，其摩擦力为μF₁，考虑“O”型密封圈受力膨胀后体积应力张量的变化：

    

    由于边界条件只有压力F₁与摩擦力μF₁，它们都是由密封盖和密封环自身承受。由图3可知：新增加Δ（长度单位）的方向位移，使密封圈膨胀达到密封液压油的目的，而且不增加系统所受的内力，如果给定椭球方程为中a、b值，通过图2（b）、图2（c）比较，当增加Δ（长度单位），它能够直观地显示增加液压油的压力有利于球阀内液压油的密封。

    图4是“O”型密：封圈受力图。可以看出：当增加密封圈中液压油的压力时，密封圈起到了密封球阀的作用，而自身受力不变，同时也不改变球阀内系统的压力。

    2.3 理论与实践的互化和回归统一

    从工程设计与实践的探索可知，球阀内液压油泄漏是由于设计中使用密封面和护圈结构而导致的；在建立模型边界条件的优化过程中，通过应力张量及作图分析，改变密封面和护圈结构，应用对称开孔的“O”型密封圈，这样，不但使球阀内液压油的密封效果良好，而且还不改变系统内压力的作用。这说明理论设计与实践应用在建模及边界条件优化过程中相互统一。

    3 结论

    在研究和处理工程实践问题时，实践的检验固不可少，但建模理论分析尤为重要。在理论分析过程中，还必须借助作图和边界条件的处理来达到分析和解决问题的目的。