0 引言

随着一般工况或冶金系统装置上对球阀质量的要求越来越高，为了提高球阀的使用寿命，在原老球阀的内部结构（密封无补偿）的基础上，设计了密封自动补偿装置，即在球阀使用一段时间后或球阀密封位在一定磨损范围内，密封能自动补偿，仍能保证可靠密封。

1 密封结构说明及自动补偿装置

球阀密封结构主要有浮动套上密封圈与球体密封结构（密封面结构）和填料函处结构（上密封结构）。

1.1 密封面密封自动补偿装置

根据球阀的结构形式，密封面自动补偿装置可采用碟形弹簧自动补偿或圆柱螺旋压缩弹簧组合自动补偿装置，但由于在压力管道中受到位置的限制及球阀为降低成本在结构上都趋向紧凑（结构长度短），所以球阀更多是采用碟形弹簧，本文也只是介绍碟形弹簧自动补偿结构。如图1所示，密封面的密封是依靠碟形弹簧1变形量预紧力压紧浮动套2，使浮动套上密封圈3的密封副作用力压紧在球体4上以达到密封，而且当球阀开关一定次数，密封副肯定会磨损，碟形弹簧还会起到自动补偿的作用，随着弹簧的变形量及作用力的变化，球阀密封压力相应降低。

1.碟形弹簧2.浮动套3.密封圈4.球体5.阀盖6.阀

体7..碟形弹簧8.填料压环9.填料组合10.阀杆

图1 碟形弹簧密封结构

1.2 填料函处密封自动补偿装置

填料函处密封是指球阀阀杆与阀盖之间的密封，其自动补偿装置也是依靠碟形弹簧的变形量予紧力达到密封无泄漏的装置，如图1所示。其原理是阀盖5利用螺栓锁紧在阀体6上，阀盖压紧碟形弹簧7向填料压环8施压，迫使填料组合（上、中、下）9变形膨胀挤压在阀杆10与阀体之间以达到密封，当填料组合在一定磨损范围内，碟形弹簧仍能起到自动补偿的作用，在结构空间允许的情况下，可采用两个碟形弹簧对合组合方式增加变形量和自动补偿高度，能更好地体现出自动补偿的效果。

2 碟形弹簧的选用及设计计算

2.1 密封面的碟形弹簧

根据球阀公称通径、压力管道中介质压力大小，球阀内部结构摩擦力的大小，选用及设计密封面的碟形弹簧。

例如球阀通径为DN=65mm，且不缩径及结构长度较短时，密封面处的碟形弹簧采用无支承面及单个的碟形弹簧，结合球阀零部件的设计及摩擦力的计算，碟形弹簧内径d>70mm，外径D<100mm，初选碟形弹簧参数：d=71mm，D=99mm，厚度δ=2.2mm。

根据《机械设计手册》碟形弹簧设计计算单片A型（无支承面）碟形弹簧，并从特性曲线图中采用1.4的比值最为合理。

（1）极限行程h0=1.4δ=1.4×2.2=3.08（mm）。

（2）自由高度H=δ+h0=2.2+3.08=5.28（mm）。

（3）外径与内径之比与C值有关的辅助量α，从α系数表中查得：α≈0.513×10-5。

弹簧的载荷

f——碟形弹簧的变形量。

当f=h0时，

当f=0.75h0时，即f=2.31，

当f=0.6h0时，

根据碟形弹簧各参数的选取及设计计算，各个变形量所承受载荷如图2所示，按球阀密封面比压计算得到的作用力小于碟形弹簧的预紧力，设计的碟形弹簧达到自动补偿的要求。

图2 碟形弹簧的参数

2.2 填料函处的碟形弹簧

因球阀填料函处的碟形弹簧各参数需根据球阀的阀杆及填料材质而定，球阀的阀杆直径需区分是浮动球还是固定球结构计算阀杆的力矩，各种填料材质膨胀所需的力矩也各不相同。

例如球阀通径为DN=65mm，采用全通径固定球结构，根据《阀门设计手册》计算球阀阀杆力矩取得阀杆直径d=30mm，选取填料材质为聚四氟乙烯，用碟形弹簧变形量挤压填料膨胀，对此填料材质作用力不需特别大就能致使其膨胀达到密封，所以碟形弹簧采用通用标准的碟形弹簧就能满足，但内径必须大于30mm，通过设计手册查得碟形弹簧的系列尺寸及参数：取，采用系列三，内径d=32.5mm，外径D=63mm，厚度δ=1.8mm，极限行程h0=2.34，自由高度H=4.14mm，工作载荷Ff=0.75h0=443kgf，因此，按球阀填料函处比压计算得到作用力远小于选用的碟形弹簧工作载荷，则选用的碟形弹簧能达到自动补偿的要求。

3 结论

根据球阀的密封结构，通过举例说明，并经试验证明，球阀密封采用碟形弹簧结构不但密封可靠耐压，而且更能达到自动补偿的效果，从而极大地提高球阀的使用寿命。