球閥，是應用較為廣泛的閥（fá）門（mén）之（zhī）一，它（tā）出現很早，推廣使用（yòng）較晚。它的工作原理與旋塞閥一（yī）樣（yàng），都是靠旋轉閥芯來（lái）使閥門啟閉（bì）的，但比旋塞閥開關輕便，相對體積小，可以做成大口徑閥門。球閥密封可靠，結構簡單，維修方便（biàn），密封（fēng）麵與（yǔ）球體常在閉合狀態，不易被介質（zhì）衝蝕。目前，國外球閥口徑已達3050cm，在石（shí）油、化工、冶金（jīn）、輕紡、食品、原子（zǐ）能、航空等部門廣泛使用。

1、球閥的分類

　　球閥分為兩大類：浮動式、固定式

　　球閥的（de）球體（tǐ）是浮動（dòng）的，在（zài）介質壓力作用下，球體能（néng）產生一定的位（wèi）移並緊壓在出口端的（de）密（mì）封麵上，保證球閥的密封。浮動球球閥的結構簡單，密封性好，但球體承受工作介質的載荷全部傳給了出口密封圈，因此要考慮密封圈材料能否（fǒu）經受得住球體介質的工作載荷。這種（zhǒng）結構，廣泛用於中低壓球閥（fá）。

1.2、固定球（qiú）球閥（fá）

　　球閥（fá）的球體是固定的，受壓後不產生移動（dòng）。固（gù）定球球閥都（dōu）帶有浮動閥座，受介質壓力後，閥座產生移動（dòng），使密（mì）封圈緊壓在球體上，以保證密封。通常（cháng）在（zài）與球體的上、下軸上裝有軸（zhóu）承，操作（zuò）扭距小，適用於（yú）高壓和大口徑的（de）閥門。為了減少球閥的操作扭矩和增（zēng）加密封（fēng）的可靠程度，近（jìn）年來又出現了油封（fēng）球閥，既（jì）在密封麵間壓注特製的潤滑油，以形成一層油（yóu）膜，即增（zēng）強了密封性，又減少了操作扭矩，更適用高壓大口（kǒu）徑（jìng）的球（qiú）閥。

　　本文主要對浮動式（shì）大口徑球閥的密封性啟閉（bì）力矩等作粗淺的探討，希望能對球閥的（de）應用有所幫助。

2、浮動球閥的密封

　　浮動球球閥的結構簡（jiǎn）單，密封性好，但球體承受工（gōng）作介質的載荷全部傳給了出口密封圈，因此密（mì）封圈材料能否（fǒu）經受得住球體介質的工作（zuò）載荷（hé）是關鍵。一般說來， 密封圈都是用聚四氟乙烯等彈性材料製造，金屬與非金屬材（cái）料組成密封副（fù），也（yě）就（jiù）是通常（cháng）稱（chēng）為軟（ruǎn）密（mì）封。軟密封的密封性容易保證，而且對密封表麵的加工精度（dù）與（yǔ）表（biǎo）麵粗糙度要求也不很高。在介質的壓力下，球體向出口端（duān）位移並壓緊閥座（zuò），這時，球（qiú）體壓在閥座上的力（lì）QMJ為：

式中：DMW—閥座密封麵外徑（jìng）
　　DMN—閥座（zuò）密封麵內徑
　　P—介質工作壓力

　　為了（le）保證低壓時的密封，球閥和閥座所必須的預緊（jǐn）比壓不應小於1200N·M，預緊密（mì）封主要靠（kào）閥座本（běn）身的（de）彈性，所以密封麵的寬度是受一定限製的，計算式為（wéi）：

　　式中（zhōng）：[q]—許用應力（聚四氟乙烯許用應力為1530N·M）

　　對（duì）於帶彈性元件的（de）閥（fá）座，它的工作可靠性和使用（yòng）期限（xiàn）很大程度上取決於正確選擇密封（fēng）閥座的預壓縮力。

　　低壓時，在預緊（jǐn）力不足的情況下，將不能保證球閥的密封，過渡的壓縮會引起球體和（hé）閥座間（jiān）的摩擦力矩增（zēng）加（jiā），並可能引起閥座材料的塑性變形。

　　閥座與（yǔ）閥體槽之間的間隙δ1，是保證（zhèng）球閥正常工作的基本條件，在選擇間隙δ1 時，必須考慮（lǜ）預壓縮（suō）閥座的均（jun1）勻伸長（zhǎng）應在總的彈性變形範圍內，對此采用：

　　式中：DMP—閥座平均直徑；σMJ—彈性變（biàn）形範圍內閥座橫截麵的許用應力，對聚四氟乙烯製閥（fá）座,σMJ=820（N-M）；E—閥座材料的彈性模數，對聚四氟乙烯製（zhì）閥（fá）座，E=48000～81600（N-M）。閥座的密封材料（liào）一般都是用聚四氟乙烯，在現有塑料（liào）中，化學穩定性強（qiáng）的是聚四氟乙烯，它對化（huà）學作用的穩（wěn）定甚（shèn）至（zhì）超過（guò）貴重（chóng）金屬金和鉑、玻璃、陶瓷、搪瓷、特種鋼材和（hé）合金（jīn）。化學腐蝕性較強的物質—濃酸、稀酸、濃（nóng）堿（jiǎn）液、強的氧化劑也不能對聚四（sì）氟乙烯起任何作用，有“塑科王”之稱。除某些鹵化胺或（huò）芳香烴使聚四氟乙烯塑料有輕微的溶脹現象之外，酮類、酸類、酯類等有（yǒu）機溶劑對聚四氟乙烯都無作用，不會發生重量（liàng）變化（huà）及溶脹現象。對它能發生作用（yòng）的僅為熔（róng）融態（tài）的堿金屬、三氟化氯及元素氟等，但也隻是（shì）在高（gāo）溫、高壓下作用才顯著。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（xìng）。

　　它具有（yǒu）很高的耐熱性和耐寒性，使用（yòng）溫度範圍為-180～250℃，在250℃處（chù）理240h，力學性能無降低（dī），390℃每小時失重0.006％。它的介電性能優良（liáng），並且電性能不受頻率和溫度的影響（xiǎng），可（kě）在250℃下長期（qī）工作。由（yóu）上（shàng）可知，用聚四氟乙烯作為球閥的密封是較為理想的。聚（jù）四（sì）氟乙烯的彈性（xìng）模數值很大，因此，材料的性能決（jué）定了其彈性變形很小，一但長期便（biàn）用，材料的彈性不足以彌補（bǔ）密封麵（miàn）的磨損（sǔn），這時球（qiú）閥（fá）的密封就要破壞，因此，在設計閥座時考慮（lǜ）如何從結構上增加它的彈性，我們（men）選用了彈性結構（見圖）。

　　這種閥座（zuò）有（yǒu）如（rú）下特點（diǎn）：

　　(1)密封麵內有一個角度40°±1′；

　　(2)密封閥座底部有一個R2 的半圓槽；

　　(3)與閥體（tǐ）的配合留有間隙δ1 可增加彈（dàn）性。

　　結構原理為：在（zài）無預緊力裝配時，球體與A點相切，裝配預緊力使球（qiú）軸位（wèi）移，位移（yí）一般在0.2～0.4(mm)之（zhī）間，當球體受到壓力後，球體隨壓力方向緊貼在密封麵上，這時密封圈向（xiàng）外膨（péng）脹，使密（mì）封（fēng）麵與球麵不會貼的太緊（jǐn）而造成扭矩增大，卸壓後，密封閥座基本上又恢複到原來（lái）安裝時的位置。

　　自緊密封，是較（jiào）為特殊的密封形式，我廠生產的大口徑球閥，閥杆密（mì）封全部采用該結構。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，在一定角度的錐麵上產生兩（liǎng）個分力，一個與閥體中心線平行向外，另一壓向閥體內壁，後麵（miàn）這個力便是自緊力，介質壓力愈大，自（zì）緊力也愈大（dà），考慮（lǜ）到低壓時的密封，在自緊密（mì）封上麵（miàn）必須增加一定的預緊力，保證其密封（fēng）性能（néng）。

3、球閥的扭矩

　　球閥摩擦（cā）力的大小，不僅取（qǔ）決於（yú）介質的（de）工作壓力和閥門的通徑，而且和球（qiú）閥的形式、密封和支承部件的結構及密封材料的性質有關，此外，每（měi）一具體結構（gòu）中，密封座上的摩（mó）擦力還取決於球閥轉動（dòng）的角度。

　　在正常（cháng）差壓下動作的扭矩（jǔ）：當球閥轉動開啟到30°時，出現大值，全開時（90°）為零，實際上，當球閥轉到80°時，壓差通常大大（dà）地小於大值。當關閉球（qiú）閥（fá）時壓差大，隨著它（tā）的打開程度增加而逐漸減小，因而在壓力恒定的情（qíng）況下，大力（lì）扭矩產生轉（zhuǎn）動到30°～40°時。球閥的工作可劃分為二個主要階段。

　　(1)從球體啟動到開始打開球閥階段，這個階段（duàn）球體中僅作用（yòng）著由密封元件中預緊力和工作介質靜壓力所產生的摩擦力。

　　(2)從開（kāi）始（shǐ）打開閥門到球孔與（yǔ）閥門（mén）通道完全重合（hé）階段，這個階段（duàn）對靜壓差產生（shēng）的摩擦力，還要加上（shàng）由於液體（tǐ）或氣體介質力作用的力。隨著閥門的關閉，球體將堵住通孔，這樣，球體上的流體動作力將（jiāng）減小（xiǎo），而差（chà）壓增大（dà）。

4、總摩擦扭矩（jǔ）的計算

　　閥門的摩擦扭矩按下式計算：

MF=MQZ+MFT+MFC （N-M） （4）

　　式中（zhōng）：MQZ—球體在閥座中（zhōng）的摩擦（cā）力矩
　　MFT—填料與（yǔ）閥杆的摩擦力矩
　　MFC—閥杆頭（tóu）部（bù）的摩擦力矩（jǔ）

　　分析（xī）球閥產生的作用力表明，球閥在介（jiè）質的作用下，浮動球（qiú）體向出口端位移，所產生的作用力全部（bù）由出（chū）口的閥座密封圈承受，球前閥座密封圈不（bú）承受作用力（lì），同時也不影響摩擦扭矩。

　　式中：f —摩擦係數，對（duì）於聚四氟乙烯密（mì）封圈f =0.5

　　閥杆在填料中的摩擦力矩取決於密封的形式和工作壓力（lì）的大小（xiǎo）,在壓緊時,上下密封圈都承受均勻的壓力,填料中（zhōng）的摩擦力（lì）不取決於（yú）球體的轉動角度,所以（yǐ）,填料的摩擦力矩按下式（shì）:

MFT=πdFh1Z11.2Pf (N-M) (6)

　　式中：dF—閥杆直徑
　　h1—單圈（quān）填（tián）料與閥杆接觸高度
　　Z1—填料圈數（shù）
　　閥杆頭部的摩擦力矩可按下（xià）式：

　　式中：dF、dFT—閥杆頭計（jì）算直徑由上可知，球閥的啟閉力矩是由多方麵來決定的，對於通徑≤100mm，使用壓力在1.6Mpa 以內的球閥,其啟閉力矩不能超過60N-M。以上分析可知，浮動球閥有它的局限性，由（yóu）於（yú）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（bì）須（xū）選用固定式結構的球閥，我們也將進（jìn）一步進行探討其適用性能。