球閥被廣泛的應(yīng)用在石油煉制、長(zhǎng)輸管線、化工、造紙、制藥、水利、電力、市政、鋼鐵等行業(yè)，流體阻力小，全通徑的球閥基本沒有流阻，緊密可靠，但球閥的啟閉扭矩是反映球閥性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，它是指閥門開啟或關(guān)閉所必須施加的作用力或力矩，是閥門在介質(zhì)壓力作用下動(dòng)作的一項(xiàng)綜合技術(shù)指標(biāo)。隨著時(shí)代發(fā)展，進(jìn)入21世經(jīng)以后，生產(chǎn)和制造技術(shù)有了顯著優(yōu)化提高，為了解決球閥減輕啟閉力矩，降低成本，滾動(dòng)軸承在球閥中得到應(yīng)用，使其啟閉扭矩明顯降低，延長(zhǎng)使用壽命，操作性能顯著提高。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在輸送礦漿用球閥、水煤漿工況用球閥等大口徑固定球閥，閥桿采用防塵和防噴出設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上確保閥桿只承受閥門啟閉力矩，介質(zhì)的推力由上、下支承軸承擔(dān)，使閥桿的受力情況有了很好改善，保證閥桿能夠長(zhǎng)期可靠地工作，上下支承軸均設(shè)置有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承，由此降低閥門的操作力矩。如圖1、圖2所示。小徑口浮動(dòng)球閥，閥桿軸頸處設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承與密封圈。如圖3所示。

圖1 固定球閥上承軸結(jié)構(gòu)

圖2 固定球閥下承軸結(jié)構(gòu)

圖3 浮動(dòng)球閥閥桿軸頸結(jié)構(gòu)

2 球閥的摩擦力矩分析

球閥的轉(zhuǎn)矩計(jì)算是確定驅(qū)動(dòng)裝置的功率及主要零件強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)矩大小決于摩擦力矩和介質(zhì)流經(jīng)閥門所產(chǎn)生的動(dòng)水力矩。動(dòng)水力矩是由于轉(zhuǎn)軸兩動(dòng)水作用力不等而引起的力矩，是在啟閉件脫離閥座密封圈封面后，在介質(zhì)流動(dòng)中產(chǎn)生的。它和密封面間的摩擦力矩不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生，在數(shù)值上一般小于密封面的摩擦力矩。摩擦力矩一般包括：?jiǎn)㈤]件與閥座密封面之間的摩擦力矩，閥桿與填料間摩擦轉(zhuǎn)矩，閥桿與軸承之間的摩擦力矩等。如圖4所示。

圖4 球閥轉(zhuǎn)矩與開度關(guān)系

由圖4可以看出在球體開啟的瞬間，轉(zhuǎn)矩具有最大值。因?yàn)檫@時(shí)密封副受到的密封力最大（要承受最大壓差及預(yù)緊力作用）。隨著開度增大轉(zhuǎn)矩逐漸下降，雖然在12°～14°時(shí)又略有升高，但總的來說，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在開啟瞬間。因此，計(jì)算分析閥桿力矩時(shí)，按最大壓差（即處于全關(guān)狀態(tài)下）進(jìn)行。在這一階段，只有摩擦力矩而無動(dòng)水力矩。如圖5所示。

圖5 密封面上任意受力分析

設(shè)密封面上任一點(diǎn)a的坐標(biāo)為a（x，y，z），轉(zhuǎn)軸l（即z軸）的方程為

（1）

a點(diǎn)到l距離為

（2）

由幾何關(guān)系分析，摩擦力的方向是沿a點(diǎn)處繞軸旋轉(zhuǎn)的切向方向并與旋轉(zhuǎn)度方向相反，則摩擦力為

（3）

摩擦力矩為

（4）

摩擦總力矩為

（5）

3閥桿力矩計(jì)算

閥門在石油、化工、電力、城建和工業(yè)企業(yè)的給排水、供熱及供氣系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。存些系統(tǒng)中使用的球閥通常處于常開或常閉狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)的球閥需要開啟時(shí)，關(guān)閉與開啟的力矩最很大。

固定球球閥的閥桿力矩計(jì)算公式：

mf=mqg+mft+mzc （6）

固定球球閥的球體與閥座密封面間的摩擦力矩計(jì)算公式：

mqg=mqg1+mqg2 （7）

由閥座對(duì)球體的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

（8）

由介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

浮動(dòng)球球閥閥桿力矩計(jì)算公式：

mqf=mqf+mft+mzc （10）

浮動(dòng)球球閥的球體與閥座密封面間的摩擦力矩計(jì)算公式：

mqf=mqf1+mqf2 （11）

進(jìn)口端閥座密封面與球體間的摩擦力矩計(jì)算公式：

mqf1=m'qf1+m''qf1（12）

進(jìn)口端閥座對(duì)球體預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

介質(zhì)對(duì)進(jìn)口閥座的作用力而產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

球體與出口閥座密封面間的摩擦力矩計(jì)算公式：

填料與閥桿間摩擦力矩計(jì)算公式：

（16）

軸承產(chǎn)生的摩擦力矩計(jì)算公式：

（17）

式中 mf——球閥的閥桿力矩，n.mm；

mqg——固定球球閥的球體與閥座密封面間的摩擦力矩，n.mm；

mqg1——由閥座對(duì)球體的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，n.mm；

mqg2——由介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩，n.mm；

mqf1——進(jìn)口端閥座密封面對(duì)球體預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，n.mm；

m'qf1——進(jìn)口端閥座對(duì)球體預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，n.mm；

m''qf1——介質(zhì)對(duì)進(jìn)口閥座的作用力而產(chǎn)后的摩擦力矩，n.mm；

mqf2——球體與出口閥座密封面間的摩擦力矩，n.mm；

mft——填料與閥桿間摩擦力

mzc——軸承產(chǎn)生的摩擦力矩，n.mm；

dmw——閥座密封圈與球體接融面外徑，mm；

dmn——閥座密封圈與球體接融面內(nèi)徑，mm；

djh——活動(dòng)閥座外徑，mm；