閥門在長輸管線中的重（chóng）要作用及其分類，其（qí）中（zhōng）球閥（fá）由於良（liáng）好的密封性能等優點而被廣泛使用。主要指固定式軟密封球閥，描述了球閥的結（jié）構、球閥的特點、材料的選擇和強度計算等，後設計出（chū）了一種新的係（xì）統，同時提出了球閥今後的發展（zhǎn）方向。

1、概述

　　用長輸管線輸送氣（qì）、油（yóu）等介質時，都具有量大、壓力大（dà）、材料要求高等特點。長輸管線在傳送（sòng）流動介質時需要對它（tā）們進行控製，因而在管線上設置大量閥門。閥門的（de）作（zuò）用分兩種：1)各係統幹線的出入口，開（kāi）啟和關閉的作（zuò）用；2)中部增壓站等（děng），控製介質的（de）輸送。目前閥門的（de）種類較多，有平（píng）板閘閥（fá）、球閥、止回閥等。閥門的連（lián）接（jiē）形式（shì）有法蘭和對（duì）接焊連接兩種。目前球閥由於（yú）其結構（gòu）緊湊（còu）、密封性能好、開關（guān）速度快等優點而被廣泛應用。如圖1所示（shì）為其中一種球閥。

　　球閥的組成一般有閥座、閥體、球體、閥杆和轉動裝置五部分。其中閥（fá）體（tǐ）的形式有：兩段式螺（luó）栓連接閥體（tǐ）、三（sān）段式螺栓連接閥體、全焊接式閥體和上裝式（shì）閥體。介質溫度範圍為-29℃~200℃；球閥的結構（gòu）長度標準為API6D、API608；適合介（jiè）質有石油、天然（rán）氣、煤氣等；操作方式為渦輪轉動、手動和電動（dòng）等。

1.1、工作原理

　　球閥就是用閥杆帶動圓形通道的球體繞軸線旋轉的閥門。主要負責接通和（hé）切斷（duàn）流（liú）體通道，所以球（qiú）閥一般是閉（bì）路閥，也可以用於控（kòng）製和（hé）調節流（liú）體。球閥是一個（gè）有孔的球體，借（jiè）助手柄等（děng）裝置在閥杆上施加轉矩使其沿著和通道的軸線垂直方向旋（xuán）轉90度，完成（chéng）分配、切斷或改變介質（zhì）流向的管（guǎn）道和動作。近年來隨著其技術的發展，它又具備了（le）節（jiē）流和控製流量的作用。

1.2、球閥特（tè）點

　　球閥結構簡單、體積小、重（chóng）量輕、密封性好和操作簡單，近些年來發展迅（xùn）速（sù），在各行業都得到廣泛應用，成為主導的閥門之一（yī）。

　　1)密封性能（néng）好（hǎo）：大部分球（qiú）閥的閥座選用（yòng）彈性材（cái）料聚四氟乙烯等製造，緊（jǐn）急（jí）注脂的密（mì）封（fēng）性較（jiào）好，對密封表麵的粗糙程度和表麵的加工精度的要求也不高。

　　2)使用壽命長：管線投（tóu）入（rù）使用是不（bú）允許停止的，聚四氟（fú）乙烯的自（zì）潤（rùn）滑性很好，對球體的磨（mó）損較小，加上先進（jìn）的加工技術，使其粗糙度降低，延長其使用壽命。

　　3)流體阻力小：球閥為全流量型，其管道內徑就是整（zhěng）個通道直徑，因此管內（nèi）阻力很小，是（shì）所有閥門中流阻小的一種。

　　4)開啟關閉方便迅速：隻要手柄轉動90°就能（néng）很輕鬆的控製球閥。

　　5)閥體內光滑平整：對於輸送粘性流體、固體（tǐ）顆粒、漿液都（dōu）很適宜。

2、球閥結構

　　1)球（qiú）體支撐結構形式（shì）

　　通常球閥按照（zhào）球體的支撐方式可以分為有浮動球和（hé）固定球球閥兩種，而浮動球球閥的球體中（zhōng）並無支撐（chēng）軸，球體的支撐依靠閥門進口、出口的閥（fá）座（zuò）來（lái）控製。固定球球閥就具有支（zhī）撐軸，相比（bǐ）浮動球球閥所能承受的重力要大（dà）得多，所以我們選擇（zé）固定球形式的球閥。固定式受（shòu）壓後球體（tǐ）不會移動，而是浮（fú）動的閥（fá）座移動，使密封圈緊壓球閥，確保其密封性。

　　2)密封形式

　　這裏我們選擇彈性密封閥（fá）座（zuò），這樣球體的彈力在介質壓力和彈簧預壓縮的雙重作用之下，能夠（gòu）滿足（zú）密封（fēng）力和密封比壓的要求，獲（huò）得較好的密封比壓。在沿著閥門的通道橫（héng）截麵周圍布置一組壓縮彈簧，作為其推力，這樣就能保持（chí）閥座和球體的預緊狀（zhuàng）態。

　　3)減速器的結構

　　考慮到軸減速器在球閥中的形（xíng）式以及其（qí）安裝的位置，考慮用體積較（jiào）小、傳動比大的（de）蝸輪-蝸杆減速器，球閥球體隻需要旋轉90°，用扇形的蝸輪來取（qǔ）代全蝸輪減（jiǎn）速器。

　　4)軸承端蓋的結構

　　軸承端（duān）蓋也（yě）是十分重要的一個零件，用途廣泛。主要用作軸承外圈的固定（dìng）、防塵和密封、調節軸承間隙並承受軸（zhóu）向力，使得主軸箱平穩轉動。它可分為（wéi）嵌入式和凸緣式，選擇凸緣式軸承端蓋效果更好，密封性能好，調整（zhěng）軸承間隙方便。

3、設計過程

3.1、設計規範

　　按照上麵關於球閥的介紹，依據GB12221-2005決定用PN40、DN500來做球（qiú）閥金屬閥門結（jié）構長度，其結構長度l=1250mm，由計算確定鋼（gāng）質閥體的壁厚小t=30mm；球閥連接法蘭的尺寸為D=755mm，d=500mm；球閥力Q=247793.7N，彈簧的預緊力Q1=35168N；驅（qū）動裝置的輸出轉矩M=7701348N/mm，選擇蝸輪-蝸杆（gǎn）傳動作為減速（sù）器；用（yòng）聯軸器連接驅動裝置和閥杆。此外還需要（yào）增加防靜電裝置、防火（huǒ）裝置、緊急注脂等，滿足特（tè）殊場合下使用的（de）要求。

3.2、強度計算及材料

　　1)計算（suàn）密封力

　　(1)流體壓力在閥座密封麵上引起的作用力Q0：

　　QMJ為流體（tǐ）靜壓力（lì）在閥座密封麵的作（zuò）用（yòng）力。

　　QJ為流體靜壓力在密封麵餘隙中的作用（yòng）力；

　　預緊力不但確保低壓球閥的密封（fēng）性，同時補充流體作用力，確保使用時（shí）高壓球閥的密（mì）封性。固定球球閥的預緊力靠彈性元件達到。

　　(2)彈簧預緊力Q1的（de）計算：

　　公式（shì）中，qmin為小比壓，qmin=0.1Mpa。D1、D2分別表示閥座的內徑和外徑。

　　(3)計算閥座滑動摩擦力Q2：

　　公式中，d1為支座的外徑（jìng）；F'0為0形圈開始彈性壓縮在接觸麵上的（de）摩擦力；F0為0形圈（quān）在流體壓力下的摩擦力。

　　2)球閥轉矩的計算

　　計算球體和（hé）閥座密（mì）封圈摩擦轉（zhuǎn）矩的公式：

　　滑動或者滾動軸承能夠（gòu）降低球閥旋轉時所產（chǎn）生（shēng）的巨大摩（mó）擦力。軸承的結構和軸頸連接方式，由球閥的通徑、壓力、工（gōng）作介質等因素決定。

　　軸承摩擦轉矩Mc的公式：

　　公式中，QC為軸承（chéng）的徑向作（zuò）用（yòng）力，QC=π/4•d12p固定球球閥，預緊力和閥座摩擦（cā）力對軸承的總（zǒng）推力相互抵消（xiāo）。

　　3)主要零部件的校核

　　校核（hé）的範圍包括牙嵌式離合器的強度、閥杆的強度、鍵的強度、中法蘭用雙頭螺栓的強度。

　　4)選擇球（qiú）閥材料

　　選擇球閥的材料要考慮（lǜ）到球閥的具體用途和使用所（suǒ）需的條（tiáo）件。主要考（kǎo）慮介（jiè）質（zhì）的溫度、介質的腐蝕性（xìng）、輸送介質的性質（zhì）等方麵。本文中選擇球體A105，側閥（fá）體和中閥體為WCB，閥杆、蝸杆軸、蝸輪軸選擇40Cr，蝸輪的輪（lún）轂型（xíng）號為TH200、輪芯型號為ZCuSn10P1，軸承端蓋采用（yòng）HT150，減速器的箱（xiāng）體選用HT250。

4、未來發展趨勢

　　管線球閥今後的發展趨勢呈現為：1)大型（xíng）化管線球閥的大型化將帶（dài）去更大的經濟效（xiào）益。2)高耐腐（fǔ）蝕材料閥門技（jì）術的發展，要求（qiú）高強度的耐腐蝕材料與之適應。3)多重密（mì）封結構（gòu）閥門想（xiǎng）要更長的使用壽命，需要多重複合材料。4)快速關閉及高可靠（kào）性。5)高自動化能夠預知事故的發生，緊急關斷球閥。

5、結束語

　　本文設計的對象為管線球閥，球閥由於開關（guān）迅速、阻力小、密封性好等特點而被廣泛采用。對於球閥的球體支撐結（jié）構、密封形式、減速器等進行了詳細設計，確定了結構較好（hǎo）的固定式軟密封球閥，並給出了結構圖；又詳細給出了零件（jiàn）所用材料和強度校核的計算。後指出（chū）了球閥今後的發展（zhǎn）趨勢。這種（zhǒng）球閥結（jié）構合（hé）理，性能（néng）較好，能夠滿足長輸管線的要求。