1 概述

    轨道式球阀是国内外*近几年研制出的新型硬密封球阀，又称导向槽式升降杆球阀。该阀阀杆上有S形导向槽，与导销配合，使阀杆上升时带动球体脱离阀座后，再逆时针（从手轮向下看）旋转90°，完全开启阀门。当阀杆下降时，带动球体顺时针回转90°，然后压向阀座，实现关闭阀门。由阀杆的下端头部传递作用于球体上的启闭力是该类球阀结构设计中的关键设计力。

    2 启闭力的传递

    图1所示球阀的球体从阀座离开时（即开启工况）是依靠阀杆上升，由其头部斜面推着销柱使球体沿下支点球面向左滚动，并离开阀座，然后绕阀杆轴线旋转90°，实现完全开启。在关闭工况时，依靠阀杆向下移动，先使球体转90°，让硬密封球面对准阀座，并由阀杆头部斜面推另一销轴，使球体沿下支承球面向右滚动，并压向阀座，实现完全关闭。在球体离开或压向阀座时，由球体上硬密封面与阀座上密封面发生接触，并伴有微小的相对滚动摩擦，此刻由阀杆头部斜面传递给球体上销轴的作用力，是球阀结构设计必须知道的启闭作用力。

    图2表明球体与阀座在密封面接触和滚动过程中作用于球体上各向力的关系。在关闭的滚动和密封面接触状况下，由阀杆头部R边斜面作用于球体销柱上N_A力，使球体滚动并与阀座密封面接触。由于球面楔形角φ的作用，存在作用于球体表面的正反力N₁和N₂，及沿向右滚动的反方向作用于球体的硬密封球面上摩擦阻力N₁f_m和N₂f_m。与此同时，在球体下支承上，沿水平方向（X轴向）作用一反力N_B，由于在结构设计中当球体与阀座接触时球体下支承仅起辅助支承作用，沿垂直方向（Y轴向）支承反力很小，同时球体自重相对于上述力也较小。因而可以忽略。在开启工况，阀杆头部L边斜面作用下，球体向左滚动。在开启瞬间，球体与阀座间仍存在楔形作用力N₁和N₂，及沿向左滚动反方向作用于球体硬密封球面上的摩擦阻力N₁f_m′和N₂f_m′，它们与流体压力F_p共同形成作用于球体的平衡力系。图1所示轨道式球阀在正常使用时，流体由左向右流动，流体压力F_p向右作用于球体，为顺向流动工况。但是，在工程实际应用中，还存在逆向流动工况，即流体由右向左流动，此时流体压力又向左作用于球体上，因此在结构设计时必须考虑这两种流动工况作用于球体上的N_A和N_B力，也是本文分析和研究的重点。

    3 N_A和N_B的计算

    3.1 顺流关闭工况

    由图2知，为了保证球体与阀座的密封球面间有必要密封压力，由阀杆扁形头R边与球体上销柱接触，传递关闭力N_A，在无流体压力时主要依靠阀杆传递力，此时关闭力。按图中X-Y座标位置可列出沿X轴向力、沿Y轴向力和绕O点力矩以及密封力与密封面上反力等的平衡关系，即

    ∑X=0，N_Acosα+N_B=F_m
    ∑Y=0，
    N₂cosφ（1+ f_mtgφ）=N₁cosφ（1-f_mtgφ）+N_Asinα
    ∑M=0，
    L_A′N_A－L_B′N_B＝（N₁+N₂）f_m′SR（力矩平衡）

    密封面上力平衡关系

    F_m=N₁sinφ（1+f_m/tgφ）+N₂sinφ（1-f_m/tgφ）

    由上述关系，用N_AG代NA，N_BG代N_B′，得

    式中K_A－－关闭时力臂系数
        K_A=1-K_mf_msinα/L_A′
        K_m－－关闭时滚动摩擦系数
        K_m=f_mSR/（1+f_m²）sinφ
        f_m－－关闭阀门时密封面的摩擦系数
        α－－阀门扁头斜面与阀杆轴线夹角，（°）
        SR－－球形密封表面半径，mm
        φ－－球形密封表面的外切面与阀门通道轴线夹角，即密封球面楔形角，（°）
        m_p－－比例系数
        m_p=F_m/F_p=4b_mq_mf/（D_N＋b_m）p
        F_m－－密封面上所需密封力，N
        F_m=π（D_N+b_m）b_mq_mf
        F_p－－流体（介质）压力，N
        F_p=0.785（D_N+b_m）²p
        b_m－－密封面在垂直于阀门通道轴线的平面上投影宽度，mm
        q_mf－－密封所需压力，MPa
        D_N－－阀门通径，mm
        p－－流体（介质）压力，MPa
        p=p_N（公称压力）、
        L_A′－－计算力臂（由于阀杆斜面与销柱是滚动摩擦接触，采用近似计算），mm

        L_B′－－计算力臂，mm

        f_B－－球体下支承的摩擦系数

        式中的L_A、L_r、L_B和d_B见图2。

    3.2 顺流开启工况

    阀杆扁形头部L边与销柱接触传递开启力，在有流体压力时开启力，力平衡关系为

    ∑X=0，F_p=N_Acosα+N_B
    ∑Y=0，
    N₂cosφ（1-f_m′tgφ）=N₁cosφ（1+f_m′tg）-N_Asinα
    ∑M=0，
    L_A′N_A-L_B′N_B=（N₁+N₂）f_m′SR

    密封面上力平衡关系

    F_p=N₁sinφ（1- f_m′tgφ）+N₂sinφ（1+ f_m′tgφ）

    由上述4式关系，用N_AK代N_A，N_BK代N_B′，得

    式中K_m′－－开启时滚动滑动摩擦系数
        K_m′=f_m′·SR/（1+f_m′2）sinφ
        K_A′－－开启时力臂系数，
        K_A′=1-K_m′sinα/L_A′
        f_m′－－开启阀门时密封表面摩擦系数

    3.3 逆流关闭工况

    有逆向流体压力时关闭力，由阀杆扁形头部R边与销柱接触传递关闭力N_A，其力平衡关系为

    ∑X=0，N_Acosα+N_B=F_p+F_m
    ∑Y=0，
    N₂cosφ（1+ f_mtgφ）=N₁cosφ（1-f_mtgφ）+N_Asinα
    ∑M=0，
    L_A′N_A+（N₁+N₂）f_m′SR=L_B′NB

    在密封面上

    F_m=N₁sinφ（1+f_m/tgφ）+N₂sinφ（1-f_m/tgφ）

    由上述4式，用N_AG′代N_A，N_BC′,代N_B′，得

    3.4 逆流开启工况

    有逆向流体压力开启阀门时，扁形头部R边与销柱接触，其力平衡关系为

    ∑X=0，N_Acosα+N_B=F_p
    ∑Y=0，
    N₂cosφ（1- f_m′tgφ）=N₁ocsφ（1+ f_m′tgφ）+N_Asinα
    ∑M=0，
    L_A′N_A+（N₁+N₂）f_m′SR=L_B′N_B

    在密封面上

    N_Acosα+N_B=N₁sinφ（1- f_m′tgφ）+N₂sinφ（1- f_m′tgφ）

    同理，用N_AK′代N_A，N_BK′代N_B，得

    4 启闭力的特性及应用

    ①式（1）~（8）所描述的是启闭过程中的相关N_A和N_B值。当启闭过程完成，球体与阀座间相对摩擦倾向消除后，K_m=K_m′=0，此时NA和NB值应由式（1）~（8）中K_m=K_m′=0得到。因此可以认为在启闭过程中NA和NB力是在具有K_m、K_m′和K_m=K_m′=0之间变化。

    ②逆流关闭阀门后，阀杆扁形头部R边将承受由F_p和F_m产生的合力。而在顺流关闭阀门后，由于流体压力F_p使球体压向阀座，具有自密封作用，阀杆头部R边主要承受F_m大于F_p的那部分力或只承受阀杆头部与球阀上的销柱接触产生较小的部分弹性变形恢复力（即当F_p>F_m时），因此两种工况下阀杆头部R边承力或传力效果也不一样。

    ③在顺流工况下，开启N_AK。而逆流工况下，关闭N_AG′。对于同一规格（或尺寸）阀门，由于关闭时密封表面材料间摩擦系数f_m和开启时f_m′不一致，需要判断何种工况下N_A值，应针对具体结构利用式（3）和式（5）进行比较。例如密封表面材料的。f_m=0.3，f_m′=0.4，φ=40°，q_mf=30MPa，P=P_N=4MPa，当D_N≤100mm时，N_AG′>N_AK；D_N>100mm时，N_AK>N_AG′。不同结构尺寸阀门，其N_AK和N_AG′以及DN值关系也不同。

    ④阀杆扁形头部R边或L边经球体上销柱，按平面与圆柱体接触应力状态传递启闭阀门力N，其结构也应按接触疲劳应力原理进行设计，在设计计算和验算时应按上述3项要求选择N_A值。

    ⑤在K_m=K_m′=0条件下由式（6）得到N_B值，即N_B，按内圆柱形面与椭圆球体的点或线接触原理工作的球体下支承结构尺寸。用该值进行结构设计和计算。

    5 结语

    本文所推导出N_A和N_B计算式已用于轨道式球阀系列设计中，同时也用于新型轨道式蝶阀系列设计中。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司