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    气温下金属密封浮动球球阀预紧密封受力研究

    品种:蛋阀 | 笔者:孙丰位 陈敬秒 吴建东 | 通告日期:2018-08-10 15:35:17

        五金密封浮动球球阀的球体不受固定轴或支撑板约束,阀杆与球体为分体式连接,介质压力及碟簧的预紧力直接作用在球体上,推动球体压向出口端阀座,压力越大密封越紧。碟簧加载预紧结构的碟簧力以及介质力推动球体作用于出口端阀座,在拥有可观密封性能的同时,对提端密封面也造成较大密封比压,并且对于高温下密封性能仍然停留在经历摸索阶段。
        本文根据碟簧加载预紧结构的性状推导出他碟簧预紧力、密封比压力,并对于在高温工况下密封比压力的转移及密封效果的制约因素作出了分析与探讨。 copyright junjinmaoyi.com

    1、碟簧预紧力计算

        顶转变球球阀处于水平安装位置时,碟簧推动阀前阀座及球体压向阀后阀座以促成出口端密封(希冀1)。高压大原则蛋阀球体的正面较大,由球体自重产生之重力对阀座的受力会产生影响,顶碟簧的预紧力较小时,球体在重力下沿着阀座弧面下滑致使阀座的屠刀位置接触球体造成球体表面损伤或者使阀座密封副不完整接触从而导致密封失效。若碟簧预紧力过大则阀后阀座上的压力增大,导致阀门启闭扭矩增大。球体和阀座在碟簧预紧力作用下的受力如图2所示。以球体为研究对象,剖析和计算其受力状态。F碟为堵住球体下滑时的最小碟簧预紧力。顶F碟达到此值时,球体处于将要向下滑动的临界状态,在此情况下,摩擦力沿密封副弧面向上,并达到一最大值。 hot88竞技官网

    碟簧预紧球体阀座结构

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    1.阀前阀座2.预紧碟簧3.球体4.阀后阀座 本文来自hot88竞技官网

    希冀1 碟簧预紧球体阀座结构

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    蛋阀球体阀座受力分析

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    希冀2 球体阀座受力分析

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    以球体中心为重点,流道方向为x轴,笔直方向为y轴,进平衡方程

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    ΔlT蛋———气温球体变形增加量,mm hot88竞技官网

    ΔlT座———气温阀座轴向变形增加量,mm

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    E———气温碟簧材料的发行量,MPa hot88竞技官网

    μ———气温碟簧材料的泊松比

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    K1、K4———碟簧系数

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    h———阀座厚度,mm

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    Dm———阀座密封面平均直径,mm

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    Dm=(D1+D2)/2

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    其中,FN1=FN2,Fmax1=Fmax2,代入上式,得 copyright junjinmaoyi.com

        (1)

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        (2) junjinmaoyi.com

    式(1)和式(2)联立,可解法向力FN1为 junjinmaoyi.com

         (3)

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    再以阀座为研究对象(希冀2(b)),进平衡方程

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        (4)

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        (5) 昆明普惠斯

    式(4)和式(5)联立,可解法向力FN1'为 昆明普惠斯

        (6) hot88竞技官网

    出于FN1=FN1',联立式(3)和式(6),渴求克服球体下滑所要求的最小碟簧力为 copyright junjinmaoyi.com

        (7) hot88竞技官网

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    剖析计算结果得出,为防止球体下滑,碟簧的预紧力F碟预紧应满足 junjinmaoyi.com

       (8)

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    为使密封面达到必须比压,以及在介质具有粘附性的工况场合具有得天独厚的全封闭面自洁功能等要求,碟簧预紧力F碟预紧除满足防止球体掉落的大前提条件外,还应适当增加,以满足特定工况使用要求。

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    2、球体和阀座密封比压力计算

        对于出口端密封结构,阀后阀座受力远大于阀前阀座。在阀门关闭状态,名将阀前阀座和球体视为整体研究对象(希冀3)。流体介质法向作用于受力物体表面。球体表面可以看作由半径为R0的圆的上半部分绕x轴旋转一周所得,由直角坐标与极坐标的关联x=ρcosθ,y=ρsinθ,可得曲线弧极坐标方程为ρ=R0,在球体表面取微元身,夹角dθ上的弧长元素为 昆明普惠斯

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    围绕x轴旋转一周所得旋转体的变数表面积为

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    伊外部上的压力为 copyright junjinmaoyi.com

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    流体静压力作用下球阀球体表面受力 情节来自junjinmaoyi.com

    希冀3 流体静压力作用下球体表面受力 情节来自junjinmaoyi.com

    随着现代制造工艺的开拓进取,球体和阀座密封副研磨配磨技术有明确增强,球体和阀座密封面已赶到镜面状态,介质透过密封副表面微观不平间隙尽管存在,但超低的全封闭面粗糙度可将介质拦截在阀座密封面外径处,即可近似之认为在D2处介质得到实惠拦截。采取上述措施,名将受力体划分为5个区间,分手分析与计算。在θ1≤θ≤θ2内,为阀后阀座对球体的约束力,名将ρ=R0代入上式并向x轴投影,得 本文来自hot88竞技官网

        (9)

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    除阀座对球体的法向约束力外,阀后阀座同样存在着阻止球体向阀后阀座密封面滑动的摩擦力

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        (10)

    昆明普惠斯

    区间内,压力P图在球体表面向x轴投影值为

    昆明普惠斯

        (11) 昆明普惠斯

    区间内,电力向x轴投影值为 junjinmaoyi.com

        (12) copyright junjinmaoyi.com

    在π-θ2≤θ≤π-θ1区间内,电力向x轴投影值为 copyright junjinmaoyi.com

        (13) junjinmaoyi.com

    在π-θ1≤θ≤π区间内,电力向x轴投影值为 copyright junjinmaoyi.com

        (14)

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    流体介质在球体流道内的腐殖质压力在x轴投影为

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        (15) 本文来自hot88竞技官网

    除各段流体介质压力外,还有碟簧对球体和阀座施加的预紧力,名将式(9)~(15)叠加并附加碟簧施加的预紧力F碟预紧,由平衡方程情节来自junjinmaoyi.com

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    因与阀杆扁方连接球体槽口处的力在x轴投影互相平衡,故在式(16)外方省略,整治并简化得 本文来自hot88竞技官网

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    进而得出密封副球体和阀座接触表面的比压力为

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        (17) copyright junjinmaoyi.com

    若忽略阻止球体在密封面处向阀后阀座滑动的摩擦力T,即在式(12)中将摩擦力T大概,整治得 昆明普惠斯

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    出于球体和阀座是一些作用力跟反作用力的关联,于是密封面上球体的比压力与阀座的比压力相等,即 hot88竞技官网

    q蛋=q座

    昆明普惠斯

    由式(17)和式(18)剖析得出,碟簧预紧力F碟预紧和介质压力P越大,密封比压越大,密封效果越可靠。密封面外径D2越大,介质作用在球体表面的总投影推力越大,同时伴随着密封面越宽广,密封比压力下降。介质推力与密封比压力并不呈现线性正比的关联。密封面太窄,轻而易举实现密封,但同时也容易压溃密封面。故而,在稳定的全封闭面宽度范围内,寻求降低密封比压力,加强利用寿命,应满足 copyright junjinmaoyi.com

        (19)

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    考虑到球阀阀座密封面材料软于球体密封面材料,且阀座密封面宽度相对窄于球体密封面,故而阀座满足式(19)外方条件,即可实现可靠使用。

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    3、 气温工况下密封力分析

    在高温工况下,零件可以自由胀缩,在温度变化为ΔT(℃)时,零件的变形(变大)应为

    昆明普惠斯

    ΔlT=αlΔTl   (20)

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    根据式(20)可以求得阀座和球体在相应温度下的低温变形量,即高温下的球体变形量和阀座轴向变形量分别为ΔlT蛋和ΔlT座,出于阀座和球体尺寸增大,导致了碟簧在轴向再度压缩。气温下碟簧施加的水力F碟高温除了在满足式(8)的大前提下,还应考虑阀座和球体因轴向尺寸的充实带来的水力,即 hot88竞技官网

        (21) 昆明普惠斯

    经试验,球体材料为奥氏体不锈钢F316,球体外径R0=100mm,温度300℃,得出球体不同地位的直径实测值。检测结果分别为Φ100.52mm、Φ100.50mm、Φ100.54mm。构成Ansys些微元分析工具,可以直观的意识球体表面在不同地位的膨胀量有微小差别(希冀4)。穿过在不同温度下大量之考试分析及有限元分析验证,察觉球体在每一试验温度下球体表面变形差别不大,气温下球体变形增加量的算计为 情节来自junjinmaoyi.com

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    蛋阀球体在高温下的膨胀量

    昆明普惠斯

    (a)外部(b)剖切面 hot88竞技官网

    希冀4 球体在高温下的膨胀量

    昆明普惠斯

    同样,阀座也有类似之转移。引起碟簧后退的阀座膨胀量主要来自于轴线方向的膨胀,即阀座厚度h所引起的膨胀(希冀5)。阀座的曲线膨胀量为

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    ΔlT座=αlΔTh

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    由分析结果可知,在常温下经精配磨后一体化贴合的球体和阀座的全封闭面在高温下并未能兑现100%使得贴合,尽管在介质推力作用下球体和阀座的全封闭面存在接触变形来补充这个间隙,但只能是减少,而并未能完全消除,介质将下不完整贴合的余隙中步入密封环带。出于流体穿过凹凸不平余隙时压力损失的原由,故而实现了密封。考虑到最终密封点落在阀座密封面位置的不同,故而近似地将阀座密封面平均直径Dm表现最后的全封闭终止线(希冀6),在高温下考虑摩擦力情况下,密封比压力计算由式(17)成为 情节来自junjinmaoyi.com

    蛋阀阀座在高温下的膨胀量

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    (a)外部(b)剖切面

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    希冀5 阀座在高温下的膨胀量

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        (22)

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    若忽略球体在密封面处向阀后阀座滑动的摩擦力,在高温下的全封闭比压力由式(18)成为 情节来自junjinmaoyi.com

    气温下的全封闭比压力公式    (23) 本文来自hot88竞技官网

    气温下球阀阀座密封环带密封位置

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    希冀6 气温下阀座密封环带密封位置

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    4、气温工况下密封效果的制约因素

        球体自由表面处,受到介质压力p图。在密封副处,受到阀座支撑约束反力作用。因介质力p和比压力不同,故而在介质压力、约束力及高温同时作用下,自由表面和密封环带处的变形量不同。球体在初始或关闭过程中,会因为同一表面尺寸的转移,引起接触面的刮擦(希冀7)。 昆明普惠斯

    气温工况试验球阀球体表面划痕 情节来自junjinmaoyi.com

    (a)球体(b)阀门关闭状态

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    希冀7 气温工况试验球体表面划痕

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        有鉴于此,气温工况下零件基体材料的膨胀,密封面实际有效接触面积减少,压应力增加,密封面压溃等,是导致球阀密封失效的第一原因。WC(碳化钨,室外为TCC)可以用于超耐磨的工况,CrC(碳化铬,室外为CCC)可以用于超高温,但因这两种涂层材料无自熔性化学元素,于是采用HVOF(超音速喷涂工艺)。因她非冶金结合,结合力较差,顶基体材料的热膨胀系数较大,在高温下涂层材料易与金属基身脱离,造成涂层脱落现象,说到底密封失效。堆焊的STL尽管高温热硬性好,与基体材料采用堆焊方式,结合力好,但人家材料硬度较低,决不能用于带有固体颗粒的两相流工况。Ni基合金尽管有很强的忍耐力,但在400℃气温状况从,200先后启闭后,在密封面出现了印痕,涂层有变软趋势。 昆明普惠斯

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