楔式耐磨旋塞阀的设计
1、概述
当前，工业中所用的旋塞阀主要采用方孔形式，软密封结构，其不足之处为启闭力矩大，容易造成密封面严重磨损，密封副表面相互咬伤，又不耐介质的冲刷，从而使密封性能过早失效，影响使用寿命，并且有压力损失，使用寿命短，不适用高温高压介质，不利于管线清扫。根据用户的实际需要，设计了新型楔式耐磨旋塞阀。
2、结构形式及工作原理
新型楔式耐磨旋塞阀(图1)由阀体、内压自封式阀盖、塞子、阀杆、密封环、压板、填料和轴承等组成。当阀门需要关闭时，先旋转手轮，通过阀杆带动塞子上升，使塞子与阀体脱离，消除了密封副之间的摩擦。然后通过手柄使塞子转动90°，使旋塞通孔处于关闭方向，再反向旋转手轮使塞子下降，即塞子楔入阀体以实现堵塞通道介质的作用，达到强制密封的效果。当阀门需开启时，采用相同的方法，使旋塞通道与管路通道相通，完成阀门的开启。
图1 新型楔式耐磨旋塞阀
3、设计
3.1、结构
阀门采用楔式压力自紧密封结构，与栓接阀盖相比，中腔密封更加安全可靠，无泄漏。适用于额定压力6.3~16.0MPa。与圆柱形旋塞阀相比，楔紧力可调，也比较轻松，不用加大楔紧力，就可以实现密封且性能可靠。流道为圆柱形全通径流道，便于工程扫线，符合API6D的规定。
3.2、阀体壁厚
阀体壁厚SB'为
式中 SB'——计算厚度，mm；P——计算压力(PN设计给定)，MPa；Dn——计算内径(设计给定)，mm；[σL]——许用拉应力(查表)，MPa；C——腐蚀余量(设计给定)，mm
设计选用的实际壁厚SB≥SB'为合格。
3.3、密封副
密封副结构如图2所示。由于金属密封面夹入介质颗粒后容易变形，因此将密封副设计成凸起的倒圆锥结构，以减少长期使用后介质颗粒的吸附，同时也便于冲刷清理密封面。
图2 密封面受力分析
图3 阀杆受力分析
为了保持密封副有良好性能，有两种处理方法。一是在阀体和塞子上采用超音速喷涂钴铬钨硬质合金，其特点是焊后无需加工，快速高效，适用于大规模批量生产。但需要购置专用设备，培训专职人员，投资较大。二是在本体上堆焊钴铬钨硬质合金，硬度可达到65HRC以上，从而提高密封副的许用应力及表面的耐磨性和耐冲刷性，可以有效地延长阀门使用寿命，满足带颗粒、高温度及高流速的工况使用。此种工艺是国内阀门行业普遍使用的焊接方法，适用小批量加工。
阀门处于密封状态时，如果密封面上的密封比压过小，由于尺寸公差的波动，及装配过程中产生的累计误差很容易造成泄漏。如果密封比压太大，又会增加操作扭矩。通过控制塞子锥面的平均直径≤通道直径1.6倍的方法解决了密封面宽，不易密封的问题。
阀门的密封比压q为
式中 QMZ——密封面上总作用力，MPa；QMZ=QMJ+QMF；QMJ——密封处介质作用力，N
DMN——密封面内径(设计选用)，mm；bM——密封面宽度(设计选用)，mm；P——介质工作压力(P=PN)，MPa；QMF——密封面上密封力，N
qMF——阀座密封面必须比压，MPa
若密封面上实际工作的比压q满足qMF<q<[q]，则密封符合要求。[q]为密封面材料的许用比压。
3.4、阀杆强度
阀门操作轻便灵活是产品质量的主要要求之一。楔式耐磨旋塞阀可用于高压，阀杆受力(图3)主要来自填料处的摩擦力和介质的阻力。与其他旋塞阀相比，该阀操作力矩虽有所减小，但效果不是最佳，为了使操作力矩降到最低，在塞体的上下转动副各设计一个滑动轴承，来最大限度的降低操作力矩，启闭更加轻便自如。
(1)阀杆强度校核
阀门关闭时阀杆总轴向力QFZ'为
阀门开启时阀杆总轴向力QFZ''为
阀杆最大轴向力QFZ取QFZ'和QFZ''中较大值。
式中 K1、K2、K3、K4——系数(查表选取)；QP——阀杆径向截面上介质作用力，N
dF——阀杆直径(设计选定)，mm；QT——填料与阀杆的摩擦力，N
φ——系数查表(按hT/bT)；hT——填料深度，mm；bT——填料宽度，mm
阀杆受到的轴向应力σL和σY为
式中 σL——拉应力，MPa；σY——压应力，MPa；FS——阀杆最小截面积，mm
若σL≤[σL]，σY≤[σY]，为合格。[σL]、[σY]分别为阀杆材料的许用拉应力和许用压应力。
(2)阀杆最大力矩
阀杆最大力矩M为
式中 Mf——密封面间摩擦力矩，N•m；MT——填料与阀杆径向摩擦力矩，N•m；MJ——介质压力在旋塞与阀体接触面上产生的摩擦力矩，N•m
由于阀门在整个启闭过程中，通过提升塞子使密封副间脱离，旋转时无磨擦，即Mf=0。
式中 QT——填料与阀杆的摩擦力，N；dF——阀杆直径(设计选定)，mm
d——阀体进出口直径(取d=DN)，mm；Dp——塞子平均直径，mm
D1——塞子大端直径(设计选定)，mm；D2——塞子小端直径(设计选定)，mm；fM——塞子与阀体密封面间摩擦系数(有润滑fM=0.08，无润滑fM=0.12~0.18)
旋塞上最大扭应力τN为
式中 S——扳手口方的边长(设计选用)，mm；τN≤[τN]，阀杆强度为合格。[τN]为阀杆材料的许用扭应力。
3.5、塞子提升高度
为了使塞子提升高度控制在合理的范围内，在阀门顶端安装了一个螺钉(此螺钉可调)，达到阀杆的限位作用。调整好螺钉后，用螺母锁紧。当塞子提起到最佳位置时，螺钉刚好顶住阀杆上端面，阻止阀杆继续上升，有效的控制了塞子的提升高度。一般提升高度控制在1~2mm，关闭也同样如此。
4 、结语
新型楔式耐磨旋塞阀密封性能较好。开启过程中密封面之间无摩擦，关闭过程中不用加大楔紧力就能达到可靠密封，并且楔紧力可调。密封配合件可以互换，阀门操作扭矩减小，使用寿命得到提高。
