摘 要:分析了球阀球体密封区域的受力状态,提出了球体强度的校核计算方法,论述了合理选择球体尺寸的方法。
关键字:球阀 弹簧预紧力 球体直径 应力分析 强度校核
1 概述
球阀流道阻力小,开关迅速,密封性能好,可靠性高,广泛应用于工业领域中。球阀球体在工作状况下承受介质压力与阀座密封力的作用,在高压时可能使球体与阀座密封接触面压溃,或球体与阀座密封处产生较大的塑性形变,导致密封失效,产生泄漏。介质泄漏不仅仅会造成经济损失和环境污染,还可能造成其他危害。因此球体密封处强度至关重要,对球阀的安全使用有相当重要的意义。
2 应力分析
2.1 密封副接触力
球体a-a截面处密封副接触力(图1)为FN,球体密封接触圆处切向分力为FM,球体密封接触圆处径向分力为FT。将FM沿球体通道的轴线方向与a-a截面径向分解后,球体通道两端轴向分力互相平衡,在后续计算中不再考虑,只计算径向分力FT对球体的作用力。
FT=FNtanα (1)
(2)
式中 α———密封接触圆处球体切向与轴向的夹角,(°)
R———球体半径,mm
D1———密封圈内径,mm
D2———密封圈外径,mm
图1 球体承受弹簧预紧力
2.2 最大剪力截面
球阀在工作状态时球体承受阀座上介质内压与密封副接触力共同作用(图2)。由剪力图得出球体最大剪应力截面为a-a截面,即密封座中性圆处截面,且最大剪力FS'为
(3)
(4)
(5)
式中 q———单位流道长度承载压力,N
P———工作介质压力,MPa
l———承压段流道长度,mm
(a)受力分布(b)受力简化(c)承受剪力
图2 球体受力分析
2.3 受剪截面几何尺寸
在得出最大剪应力截面后,已知球体介质通道直径及密封面内外径的条件下,可由几何方式得出最大剪力处球体的厚度及截面面积(图3)。
(1)截面厚度
最大剪应力截面是球体与密封圈中性面交汇处截面,即图中a-a截面,截面厚度t为
(6)
图3 受剪截面
式中 D———球体通道直径,mm
(2)截面面积
受剪截面面积A为
A=π(D1+t)t (7)
(3)截面剪应力
截面剪应力τ为
(8)
3 强度校核
截面的剪切强度校核条件为
(9)
式中[σ]t———材料许用剪应力,MPa
计算结果满足式(9)的要求,在工作工况下,球体强度符合安全使用要求。
4 结语
通过对球阀球体与阀座密封处的应力分析,其密封副的材料强度是影响密封性能的关键因素。在弹簧预紧力与介质力的综合作用下,若球体强度不足,可能使密封副产生塑性变形,从而导致密封失效。通过计算校核,选用较为合理的球体尺寸,在保证密封副密封性能的同时,还可提高工作安全性
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