閥門在（zài）長輸管線（xiàn）中的重要作用及其分類，其中球閥由於良好（hǎo）的密封性能等優點而被廣泛使用。主要指固定式軟（ruǎn）密封球閥，描述了球閥的結（jié）構、球閥的特點、材料的選擇和（hé）強度計算等，後設計（jì）出（chū）了一種新的係（xì）統，同時提出了球閥今（jīn）後的發展方向（xiàng）。

1、概述

　　用長輸管線輸送氣、油等介質時，都具有量（liàng）大（dà）、壓力大、材料要求高等特點（diǎn）。長輸管線在傳送流動介（jiè）質時需要對它們進行控製，因而在管線（xiàn）上設置大量（liàng）閥門。閥門（mén）的作用分兩種：1)各係統幹線的出入口，開啟和（hé）關閉的作（zuò）用（yòng）；2)中部增壓站等，控製介質的輸送。目前閥門的種類較多，有平板閘閥、球閥、止回閥等。閥門（mén）的（de）連接形式（shì）有法（fǎ）蘭和對接焊連接（jiē）兩種。目前球（qiú）閥由於其結構緊湊、密封性能好、開關速度快（kuài）等優點（diǎn）而被廣泛應用。如圖1所示為其中一種球閥。

　　球閥的組（zǔ）成一般有閥座、閥體、球體、閥杆和轉動裝置五部分。其中閥體（tǐ）的形式（shì）有：兩段式螺栓連接閥體、三段（duàn）式螺栓連接閥體（tǐ）、全焊（hàn）接式閥體和上裝（zhuāng）式閥體。介質（zhì）溫度範圍為-29℃~200℃；球（qiú）閥的結構長度標準為API6D、API608；適合介質有石油、天然氣、煤氣等；操（cāo）作方（fāng）式為渦輪（lún）轉動、手動和電動等。

1.1、工（gōng）作原理（lǐ）

　　球閥就是（shì）用閥杆帶動圓形通道的球體繞軸線旋轉的閥門。主要負（fù）責接通和切斷流體通（tōng）道，所以球閥一般是閉路閥，也可以（yǐ）用（yòng）於控製和調節流體。球閥是一個有孔（kǒng）的球體，借助手柄（bǐng）等（děng）裝置在閥（fá）杆上施加轉矩使其沿著和通道的（de）軸線（xiàn）垂直方向旋轉90度，完成分配、切斷或改變（biàn）介質流向的管道和（hé）動作。近年來隨著其技術的發展，它又具備了（le）節流和控製流量的作用。

1.2、球閥（fá）特點

　　球閥結構簡單、體積小、重量輕、密封性好和操作簡單，近些年（nián）來發展迅（xùn）速，在（zài）各行業都得到（dào）廣泛應用，成為主導的（de）閥門之一。

　　1)密封性能好：大部（bù）分球閥的閥座選用彈性材料（liào）聚四氟乙烯等製造，緊急注脂的密封性較（jiào）好（hǎo），對密封表麵的粗糙（cāo）程（chéng）度和表麵的加工精度的要求也（yě）不高。

　　2)使用壽命長：管線投入使用是不允許停止的，聚四（sì）氟乙（yǐ）烯的自潤滑性（xìng）很好，對球體的磨損較小，加上先進的加工技術，使其粗糙度降低，延長其使用（yòng）壽命。

　　3)流體阻力小：球閥為（wéi）全流量型，其管道內徑就是整個（gè）通道直徑，因此管內阻力很小，是所有閥門中（zhōng）流阻小的一種。

　　4)開啟關閉方便迅速：隻要（yào）手柄轉動90°就能很輕鬆的控製（zhì）球閥。

　　5)閥體內光滑平整（zhěng）：對於輸送粘性（xìng）流體、固體（tǐ）顆粒、漿液都很適宜。

2、球閥（fá）結構

　　1)球體支撐結構形式

　　通常球閥按照球體（tǐ）的支撐方式可以分為有浮動球和固定球（qiú）球閥兩種，而浮動球球閥的球體（tǐ）中（zhōng）並無支撐軸，球（qiú）體的支撐依靠閥門進口（kǒu）、出口的閥座來控製（zhì）。固定球球閥就具有支撐軸，相比浮動球球閥（fá）所能承受的重力要大得多（duō），所以我們（men）選（xuǎn）擇固定球形式的球閥。固（gù）定式受（shòu）壓後球體不會移動，而是浮動的閥座移動，使密封圈（quān）緊（jǐn）壓球閥，確保其密封性。

　　2)密封形式

　　這裏我們選擇彈性密封閥座，這樣球體的彈力（lì）在介質壓力和彈簧預壓縮的雙重作用之下，能夠滿（mǎn）足密封力和密封比（bǐ）壓的要（yào）求，獲（huò）得較好的（de）密封比壓（yā）。在沿著（zhe）閥門的通道橫截麵周圍布置一（yī）組壓縮（suō）彈簧，作為其推力，這（zhè）樣就能保持閥座和球（qiú）體（tǐ）的（de）預緊狀（zhuàng）態。

　　3)減速器的結構

　　考慮到軸（zhóu）減速器在球閥中的形式以及其安裝的位（wèi）置，考慮用體（tǐ）積較小、傳動比大的蝸輪-蝸杆減速（sù）器，球閥球體（tǐ）隻需要（yào）旋轉90°，用扇形的（de）蝸輪來取代全蝸輪減速器。

　　4)軸承端（duān）蓋的結構

　　軸承端蓋也是十分重要（yào）的一個零件（jiàn），用途廣泛。主要用作軸承外圈的固定、防（fáng）塵和密封（fēng）、調節軸承間隙並承受（shòu）軸向力，使得主軸箱平穩轉動。它可分為嵌入式和凸緣式，選擇凸緣式軸承端蓋效果更好（hǎo），密封性能好，調整軸承間隙（xì）方便。

3、設計（jì）過程

3.1、設（shè）計規範（fàn）

　　按照上麵（miàn）關於球閥的介紹（shào），依據GB12221-2005決定用PN40、DN500來做球閥金屬閥門結構長度，其結構長度l=1250mm，由計算確定（dìng）鋼質閥（fá）體的壁（bì）厚小（xiǎo）t=30mm；球（qiú）閥連接法蘭的尺寸為D=755mm，d=500mm；球閥（fá）力Q=247793.7N，彈（dàn）簧的預緊力Q1=35168N；驅動裝置的輸出轉矩M=7701348N/mm，選擇蝸輪-蝸杆傳動作為減速器；用聯軸器連接（jiē）驅動裝置和閥杆。此外還需要（yào）增加防靜電裝置、防火裝置、緊急注脂等，滿足特殊場合下使用的要求。

3.2、強度計算及材料

　　1)計算密封力

　　(1)流體壓力在閥座密封麵上引起的作用（yòng）力Q0：

　　QMJ為流體靜壓力在閥座密封麵的作用力。

　　QJ為流（liú）體靜壓力（lì）在密（mì）封麵餘隙（xì）中的作用力；

　　預緊力不但確保低壓球閥的密封性，同時補充流體作用力，確保（bǎo）使用時高壓球閥的密封性。固定球球閥的預緊力靠彈性元件達到。

　　(2)彈簧預緊力Q1的計算：

　　公式中，qmin為小比壓，qmin=0.1Mpa。D1、D2分別表示閥座的內徑（jìng）和外（wài）徑。

　　(3)計算閥座滑動摩擦力（lì）Q2：

　　公式中，d1為支座的外徑；F'0為0形圈開始彈性壓縮在接觸麵上的摩擦力；F0為0形（xíng）圈在流體壓力下的摩擦力。

　　2)球閥轉矩的計算

　　計算球體和閥座密封圈摩擦轉矩的（de）公式：

　　滑動或者（zhě）滾動軸承能夠（gòu）降低球閥旋轉時所產（chǎn）生的巨大摩擦力。軸承的結構和（hé）軸頸連接方式，由（yóu）球閥的通徑、壓力（lì）、工作介質等因素決定。

　　軸承摩擦轉矩Mc的公式：

　　公式中，QC為（wéi）軸承的徑向作用力（lì），QC=π/4•d12p固定球球閥，預緊力和閥座摩擦力（lì）對軸承的總推力相互抵消。

　　3)主要零部件的校核

　　校核的範圍包括牙嵌式離合器的強（qiáng）度、閥杆的強度、鍵的強度、中法（fǎ）蘭（lán）用雙頭螺（luó）栓的強度。

　　4)選擇球閥材料

　　選擇球閥的（de）材料要考慮到球閥的（de）具體用途和使用所需的條件。主要考慮介質的（de）溫度（dù）、介質的腐蝕性、輸送介質的性質等方麵。本文中選擇球體A105，側閥（fá）體和中閥體為WCB，閥杆、蝸杆軸、蝸輪（lún）軸選擇40Cr，蝸輪的輪轂型號為TH200、輪（lún）芯型號為（wéi）ZCuSn10P1，軸承端蓋采用HT150，減速器的箱體（tǐ）選用HT250。

4、未來（lái）發展趨勢

　　管線（xiàn）球閥今後的發展趨勢呈現為：1)大型化管線球閥的大（dà）型化（huà）將帶去更大的經濟效益。2)高耐（nài）腐蝕材料閥門（mén）技術的發展，要（yào）求高強度的耐腐蝕材料（liào）與之適應。3)多重密封結構閥門想要更長的使用壽命，需要多重複合材（cái）料。4)快速關閉及高可靠性。5)高自（zì）動化能夠預知事故的（de）發生，緊急關斷球閥。

5、結束語

　　本文（wén）設計的對象（xiàng）為管線球閥，球閥由於開關迅速、阻力小、密封性好等特點而被廣泛采用。對（duì）於球閥的球體支（zhī）撐結構、密封形（xíng）式、減速器等進行（háng）了詳細設計，確定了結構較好的固（gù）定式軟密封球閥，並給出（chū）了結構圖；又詳細給出（chū）了零件所用材料和強度校核的計（jì）算。後指出了球閥今後的發展趨勢。這種球閥結構合理，性能較（jiào）好，能夠滿足長輸管線的要求。