强制密封球阀阀杆导向结构的优化设计

2013-08-19 梁连金上海开维喜阀门集团

1、概述

　　强制密封球阀广泛应用于天然气和城市燃气的计量装置、泵或压缩机入口和出口及旁通、分子筛干燥器系统、低温甲醇洗装置-80～280℃交变温度频繁切断、乙二醇脱水装置切断和煤化工装置液固两相流介质切断等。

2、结构特性

　　强制密封球阀综合了球阀、闸阀和旋塞阀的优点，具有密封性好，开关无磨损，耐冲蚀，可在线维护的特性。

　　(1)强制密封提升式阀杆下端的斜面提供了一个机械的楔紧力，以保证持续的紧密密封。

　　(2)开关无磨损阀门开关过程中，球体偏离阀座后再转动，消除了阀座的摩擦，解决了普通球阀、闸阀和旋塞阀的阀座磨损问题。

　　(3)抗冲刷提升式阀杆实现了球体脱离阀座后再转动，球体和阀座在没有接触的情况下完成开关动作。阀门在微开启和即将关闭时，流体是沿密封面在360°范围内立即流动的，流体开始流动时可以把阀座上存在的杂质冲洗干净。避免了普通球阀在微开启和即将关闭的瞬间产生的高速流体对阀座局部冲刷，即使是高压差的苛刻工况，仍能确保长期的零泄漏和紧密密封，提高了强制密封球阀的使用寿命。

　　(4)无卡塞单阀座设计避免了阀门内腔压力升高和容易卡塞的问题。

　　(5)密封性能好球体和阀座密封面经特殊硬化处理，能够在不损坏密封完整性的情况下满足非常苛刻工况的密封要求。

　　(6)易维护阀门采用上装式结构，在系统泄压后，可在线检查和维修，使维护简单化。

3、阀杆导向结构

　　强制密封球阀阀杆导向结构主要有导向槽式和螺旋杆式2种。

　　(1)导向槽式

　　导向槽式阀杆导向结构主要通过阀杆上部的导向槽与安装在支架上的导向销控制。开启阀门时，阀杆首先提升使球体与阀座脱离接触，阀杆继续上升，并与阀杆导向槽内导向销相互作用，驱动球体无摩擦转动至开启位置。关闭阀门时，阀杆带动球体在不接触阀座的情况下转动，然后阀杆继续下降，阀杆下端的平行楔形面与滚柱配合，产生楔紧力，带动球体压紧阀座，实现阀门密封。导向槽式阀杆导向结构的阀杆有整体式(图1)和分体式(图2)2种。分体式阀杆采用销钉连接。

图1 整体阀杆

图2 分体式阀杆

　　导向槽式阀杆导向结构存在3个缺陷。①阀杆上部加工两条对称的螺旋槽，削弱了阀杆的强度和产生应力集中，容易造成阀杆弯曲。②导向销与阀杆上部的螺旋槽直接配合，无减磨措施，容易磨损，摩擦力大，严重时无法开关强制密封球阀。③分体式阀杆的连接销钉，如设计或材料选择不当，容易造成销钉断裂。

　　(2)螺旋杆式

　　螺旋杆式阀杆导向结构底部为螺旋型，阀杆上端的轨道槽为直线型(图3)。螺旋杆式阀杆导向结构存在2个缺陷。①阀杆底部螺旋面与球体为不连续的线接触，驱动强度较低，且球体的导向销容易磨损。②阀杆底部螺旋面加工困难，普通数控机床难以保证，需手工打磨修整。

图3 螺旋槽式阀杆导向结构

4、优化设计

　　经过分析强制密封球阀阀杆导向结构存在的缺陷，对其结构进行了优化设计(图4)。改进后，阀杆导向销穿过阀杆后两端外圆安装黄铜套，两端黄铜套用轴性挡圈固定，防止轴向窜动。逆时针转动执行机构，使阀杆上升，此时黄铜套与支架前后对称的螺旋槽的直行程段配合，限制阀杆只作上升运动，阀杆下端的平行楔形面与滚柱配合，使球体先向左偏移一角度，球体与阀座脱离。阀杆继续上升，黄铜套与支架前后对称的螺旋槽旋转段配合，限制阀杆作90°旋转，阀杆下端的平行楔形面与滚柱配合，带动球体作90°无摩擦旋转，阀门开启。相反，顺时针转动执行机构，使阀杆下降，此时黄铜套与支架前后对称的螺旋槽旋转段配合，限制阀杆作90°旋转，阀杆下端平行的楔形面与滚柱配合，带动球体作90°无摩擦旋转。此时球体密封面正对阀座密封面，阀杆继续下降，黄铜套与支架前后对称的螺旋槽直行程段限制阀杆只作下降运动，阀杆下端的平行楔形面与滚柱配合，产生楔紧力，带动球体压紧阀座，阀门关闭。阀杆可继续下降，能对球体和阀座密封面继续施加强制密封力。