弹性金属硬密封偏心半球阀的设计

概述

　　弹性金属硬密封偏心半球阀可广泛应用于石油、化工、电力和造纸等行业中，尤其在两相流介质中更加凸显了半球阀的优势。本文主要对新结构的偏心弹性半球阀进行分析和论述。

结构及原理

　　弹性金属硬密封偏心半球阀主要由阀体( 一体式铸造而成) 、U 形圈、偏心半球球体、端盖和阀杆等部件组成( 图1) 。由于球体密封面中心与阀体中心在轴向和径向上存在偏心量，可以保证阀门开启和关闭时球体能够瞬间脱离U 形圈，减小了摩擦力，降低了开阀力矩。U 形圈具有的弹性，即便在高温下，仍可以自动补偿高温蠕变，有效的达到密封要求。球体表面喷焊镍基合金粉末或进行特殊的硬化处理，增强了其耐磨性和抗冲击能力，提高了阀门的使用寿命。

1. 压盖2. 填料3. 防飞环4. 阀杆5. 端盖6. U 形圈7. 球体8. 阀体9. 调整垫片10. 底盖

图1 弹性金属硬密封偏心半球阀

偏心效应

　　半球体利用开启和关闭时角位移的变化改变轴向位移的变化，且角位移和轴向位移成线性比例关系，其运动路线是半抛物线轨迹。如球体运动角度为θ，运动轨迹为y = A( sinθ) 2 + Bsinθ + C，( A、B 和C 为常数，A ＜ 0) 。因此，合理的选择偏心量，球体能够在数秒内脱离和接触阀座。按照运动轨迹分析，半球体由最低点到最高点的运动轨迹中，能够自动楔紧阀座，U 形阀座也依靠材料的弹性模量自动产生预紧力，达到越关越紧的效果( 图2) 。

a) 阀门处于关闭状态(b) 10°开阀状态(c) 45°开阀状态(d) 90°开阀状态

图2 阀门开启过程

受力分析

　　在复杂的变载荷下，U 形圈承受介质的静压力和半球的压紧力，同时提供密封预紧力，在高温下还要保证一定的弹性。因此采用Solidworks 受力分析软件模拟U 形圈在工况下的受力情况，并验证其可靠性( 图3) 。通过软件模拟受力分析可知，U 形圈在工况中边缘变形比较大，因此在设计时应考虑其强度要求，保证其在合理的安全系数范围内。

结语

　　通过设计计算校核和实际运用，新型金属硬密封偏心半球阀满足工况要求，而且成本低，结构简单，性能可靠。