球閥，是應用較（jiào）為廣泛的閥（fá）門之一，它出現很早，推廣使用較晚。它的（de）工作原理與旋塞閥一樣，都是靠旋轉閥芯來使閥門啟閉的，但比旋塞（sāi）閥開關輕（qīng）便，相對體（tǐ）積（jī）小，可以做成大（dà）口徑閥門。球閥密封可靠，結構簡單（dān），維修方便，密封麵（miàn）與球體常在閉合狀態，不易被介質（zhì）衝蝕。目前，國外球閥（fá）口徑已達3050cm，在石油（yóu）、化（huà）工、冶金、輕紡、食（shí）品、原子能、航空等部（bù）門廣泛使用。

1、球閥的分類

　　球閥分為兩大類（lèi）：浮動（dòng）式、固定式

　　球閥的球體是浮動（dòng）的，在介質壓力（lì）作用下，球體（tǐ）能產生一定的位移並緊（jǐn）壓在出口端的密封麵上，保證球閥的密封。浮動球（qiú）球閥的結構簡單，密封性好（hǎo），但球體承受工作介質的載荷全部傳給了出（chū）口密封圈，因此要考慮密封圈材（cái）料能否經受（shòu）得住球體介質的工作載荷。這種結構，廣泛用於中低（dī）壓球閥。

1.2、固定球球閥

　　球（qiú）閥的球體（tǐ）是固定的，受壓後不產生移（yí）動。固定球球閥都帶有浮動閥座，受介質壓力後，閥座產生（shēng）移動，使（shǐ）密封圈緊壓在球體上，以保證密封。通常（cháng）在與球體的上（shàng）、下軸上裝（zhuāng）有軸承，操作扭距小，適（shì）用於高壓和大口徑（jìng）的閥門。為（wéi）了減少球閥的操作扭矩和增加密封的可靠程度，近年來又出（chū）現了（le）油封球閥，既在密封麵間（jiān）壓（yā）注特製的潤滑油，以形成一層（céng）油膜，即增強了密封性，又減少了操作扭矩，更適用高壓大口徑的（de）球閥。

　　本文主要對浮動式大（dà）口徑球閥的密（mì）封性（xìng）啟閉力矩等作粗淺的探（tàn）討，希望能對球（qiú）閥的應用有所幫助（zhù）。

2、浮動球閥的密封

　　浮動球球閥的結構簡單，密封性好，但（dàn）球體承受工作介質的（de）載荷全部傳給了出口密封圈，因（yīn）此密（mì）封圈材料能（néng）否經受得住球體介質的工作載荷是關鍵（jiàn）。一般說來， 密封圈都是（shì）用聚四氟乙烯等彈性材（cái）料（liào）製造，金（jīn）屬與非金屬（shǔ）材料組成密封副，也就是通常稱為軟（ruǎn）密封。軟密封的密封性容（róng）易保證，而且對（duì）密封表麵的加工精度與表（biǎo）麵粗糙度要求也不很（hěn）高。在（zài）介質的（de）壓力下（xià），球體向出口（kǒu）端位移並壓緊閥座，這（zhè）時，球體壓（yā）在（zài）閥座上（shàng）的力QMJ為：

式（shì）中：DMW—閥座密封麵外徑
　　DMN—閥座密封麵內徑
　　P—介質工作壓力

　　為了保證低（dī）壓時的密封，球閥和閥座所必須的預緊比（bǐ）壓不應小於1200N·M，預緊密封主要靠閥（fá）座本身的彈性，所以密封麵的寬度（dù）是受一定限製的，計算式為：

　　式中：[q]—許用應力（聚（jù）四氟乙烯許（xǔ）用應力為1530N·M）

　　對（duì）於帶彈性元件的閥座，它的工作可靠性和使用期（qī）限很（hěn）大程度上取決於正確選擇密封閥（fá）座的預壓縮力。

　　低壓時（shí），在預緊力不足的（de）情況下，將不能保證球閥（fá）的密封，過渡的壓縮會引起球體和閥座間的摩（mó）擦力矩增（zēng）加，並可能引起（qǐ）閥座材料的塑性變形。

　　閥座與閥體槽之間的間隙δ1，是保證球閥正常工作的基本條件，在選擇間隙δ1 時，必須（xū）考慮預（yù）壓縮閥座的均勻伸長應在總的彈性變形範圍內（nèi），對此采用：

　　式中：DMP—閥座平均直徑；σMJ—彈性變形範圍內閥座橫截麵的許用應力（lì），對聚四氟乙烯製（zhì）閥座,σMJ=820（N-M）；E—閥座材（cái）料的彈性模數，對聚四氟乙烯製閥座，E=48000～81600（N-M）。閥座的密封材料一般都是用聚四氟乙烯（xī），在現有塑料中（zhōng），化學穩定性強（qiáng）的是聚四氟乙烯，它對化學作用的穩定甚至超過貴重金屬金和鉑、玻璃、陶（táo）瓷、搪（táng）瓷、特（tè）種鋼（gāng）材（cái）和（hé）合金。化學（xué）腐蝕性較強的物質—濃（nóng）酸、稀酸（suān）、濃堿液、強（qiáng）的氧化劑也不能對聚四氟乙烯起任何作用，有“塑科王”之（zhī）稱。除某些鹵化胺或芳香烴使聚四氟乙烯塑料有輕微（wēi）的溶脹現（xiàn）象之外，酮（tóng）類、酸（suān）類、酯類等有機溶劑（jì）對聚四氟乙烯都（dōu）無作用，不（bú）會發生重量變化及溶脹現象。對它能發生作用的僅為（wéi）熔（róng）融（róng）態的堿金屬、三氟（fú）化氯及元素氟等，但也隻（zhī）是在高溫（wēn）、高壓下作（zuò）用才顯著。此外，聚四氟乙烯也不受氧或紫外線的作用，不吸水、具有不燃性。

　　它具有很高的耐熱性和（hé）耐寒性，使用溫度範圍為-180～250℃，在（zài）250℃處理240h，力學性（xìng）能無降低（dī），390℃每（měi）小時失重（chóng）0.006％。它的介電（diàn）性能（néng）優良，並且電性能不受頻率和溫度的影響，可在250℃下長（zhǎng）期工（gōng）作。由上可知（zhī），用（yòng）聚四氟乙烯作為球（qiú）閥的密封是較為理想的。聚四（sì）氟乙烯的彈性模數值很大，因此，材料的性（xìng）能決定了其彈性變形很小，一但長期便用，材料（liào）的彈性不足以彌補密（mì）封麵的磨損，這時球閥的密封就要破壞，因此，在（zài）設計閥座時考慮如何從結構上增加（jiā）它的彈（dàn）性（xìng），我們選用了彈性結構（見圖）。

　　這種閥座有如下特點：

　　(1)密封麵內有一（yī）個角度40°±1′；

　　(2)密封閥（fá）座底部有一個R2 的半圓槽（cáo）；

　　(3)與閥體的配合留有間隙δ1 可增加彈性。

　　結構原理（lǐ）為：在無預（yù）緊力裝配時（shí），球體（tǐ）與（yǔ）A點相切，裝配預緊力使球軸（zhóu）位移，位移一般在（zài）0.2～0.4(mm)之間，當球體受到壓力後，球體隨壓（yā）力方向緊貼在密（mì）封麵上，這時密封圈向外（wài）膨脹，使密封（fēng）麵與（yǔ）球麵不會貼的太緊而造成扭矩增大，卸壓後，密封閥座基本上又恢複到原來安裝時的位置。

　　自緊密封，是較為特殊的（de）密（mì）封形式，我廠生產的大口徑球閥，閥杆密封（fēng）全部采用該結構。工作原理是：利用介質壓力進行自緊密封，它（tā）的密封圈裝在內錐體外，跟介質相向的一麵成一定角度，介質壓力傳給內錐體，以傳遞給密封圈，在一定角度的錐（zhuī）麵上產生兩個分力，一個與閥體中心線平行向外，另一壓（yā）向閥（fá）體內壁，後麵這（zhè）個力便是自緊力，介質壓力愈大，自緊（jǐn）力（lì）也愈大，考慮（lǜ）到低（dī）壓時的密封，在自（zì）緊密封上麵必須增加（jiā）一定的預緊力，保證其密封性能。

3、球閥的扭（niǔ）矩

　　球閥摩（mó）擦力的大小，不僅取決（jué）於介質的工作壓力和閥門的通徑（jìng），而且和球閥的（de）形（xíng）式、密（mì）封（fēng）和支承部件的（de）結構及密封材料（liào）的性質有關，此外，每一具體結構中，密（mì）封座上的摩擦力還取決於球閥轉動的角度。

　　在正常差壓下動作的扭矩：當球（qiú）閥轉動開啟到30°時，出現大值，全開時（90°）為零，實際上，當球閥（fá）轉到80°時，壓差（chà）通常大大地小於大（dà）值。當（dāng）關閉球閥時壓差大，隨著它的打開程度增加而（ér）逐漸減小，因而在壓力（lì）恒定的情況下，大（dà）力扭矩產生轉動到（dào）30°～40°時。球閥的工作可劃分為二個（gè）主（zhǔ）要階段。

　　(1)從球體啟動到開始打開球閥階段，這個階段球體中僅作用著（zhe）由密封元件中（zhōng）預緊力（lì）和工作介質靜壓力所產生（shēng）的摩擦力。

　　(2)從開始打開閥門到球孔與閥門（mén）通道完全重合階段，這個階段對靜壓差產生的摩擦力，還要加上由於液體或氣體介質力作用的力。隨著閥門的關閉，球體將堵住通（tōng）孔，這樣，球體上的流體動作力將減小，而差壓增大。

4、總摩擦扭矩的計（jì）算

　　閥門的摩（mó）擦扭矩按下式（shì）計算：

MF=MQZ+MFT+MFC （N-M） （4）

　　式中：MQZ—球體在閥座中的摩擦力矩
　　MFT—填（tián）料與閥杆的摩擦力矩
　　MFC—閥杆頭部（bù）的摩擦力矩

　　分析球閥產生的作用力表明，球閥（fá）在介質的作用（yòng）下，浮動球體向（xiàng）出（chū）口端位移，所產生的作用力全部由出口的閥座密封圈承受，球前閥座密封圈不承受作用力，同時也不（bú）影響摩擦扭矩（jǔ）。

　　式中（zhōng）：f —摩擦係數，對於聚四氟乙烯密封圈f =0.5

　　閥杆在填料中的（de）摩擦（cā）力矩取決於密封的形式（shì）和工作壓力的大小,在壓緊時,上下密封圈都承受（shòu）均勻（yún）的壓力,填料中的摩擦（cā）力不取決於球體的轉動角度,所以,填料的摩擦力矩（jǔ）按下式:

MFT=πdFh1Z11.2Pf (N-M) (6)

　　式中（zhōng）：dF—閥杆直徑
　　h1—單圈填料與閥杆（gǎn）接觸高度
　　Z1—填料圈數
　　閥杆頭部的摩擦力矩可按下式：

　　式（shì）中：dF、dFT—閥杆頭計算直徑（jìng）由上可知，球閥的啟閉力矩是由多方麵來決定（dìng）的，對於通徑≤100mm，使用壓力在1.6Mpa 以內的球閥,其啟閉力（lì）矩不能超過60N-M。以上分析（xī）可知，浮動球閥有它的局限性，由於結構上的原因，在大口徑高壓力下會出現扭矩成倍增加。因此，就必須選用固定式結構的球閥，我們也將進一步進行探討其適（shì）用性能。