閥門在（zài）長輸管線中的重要作用及其分類，其中球閥由（yóu）於（yú）良好的密封性能等優點而被廣泛（fàn）使用。主要指固定（dìng）式軟（ruǎn）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（hòu）設計出了一種新的係統，同時提出了（le）球閥今後的發展（zhǎn）方（fāng）向。

1、概（gài）述

　　用長輸管線輸送氣（qì）、油等介質時，都具有量大、壓力大、材料要求高等特點。長輸管線在傳送流動介質時需要對它們進行控製，因而在管線上設置大量閥門。閥（fá）門的作用分兩種：1)各係統幹線的出入口，開啟和關閉的（de）作用；2)中部增壓站（zhàn）等（děng），控製介質的輸送。目前閥門的種類較多，有平板閘閥、球閥、止回閥等。閥門的連接形式有（yǒu）法蘭和（hé）對接焊連接兩種。目前（qián）球閥由於其結構（gòu）緊湊、密封性能好、開關速度快（kuài）等優點而被廣泛應用。如圖1所示為其中一種球閥。

　　球閥的（de）組成一般（bān）有閥座、閥體、球體、閥杆和轉動裝置五部分。其中閥體的形式（shì）有：兩段式螺栓連接閥體、三段式螺栓連接閥體（tǐ）、全焊接式閥體和上裝式閥體。介質溫度範圍為-29℃~200℃；球閥的結構長（zhǎng）度標（biāo）準為API6D、API608；適合（hé）介質有石（shí）油、天然氣、煤氣等；操作方式為渦（wō）輪轉動、手動和電（diàn）動等。

1.1、工作原理

　　球閥就是用（yòng）閥杆帶動圓形通（tōng）道的球體繞軸線旋轉（zhuǎn）的閥門。主要負責（zé）接通和切斷流體通道（dào），所以球閥一般是閉路閥，也可以用於控製和調節流體。球閥是一個有孔的球體，借助手柄（bǐng）等裝置在（zài）閥杆上施加轉矩使其沿著和通道的軸線垂直方向旋轉90度，完成分配、切斷（duàn）或改變介質流向的管（guǎn）道和動作。近年（nián）來隨著其技（jì）術的發（fā）展，它又具備（bèi）了（le）節流和控製流量的作用。

1.2、球閥特點

　　球閥（fá）結構簡單、體（tǐ）積小、重量輕、密封性好和操作簡單，近些年來發展迅速，在各行（háng）業（yè）都得到廣（guǎng）泛應用（yòng），成為主導的閥門之一。

　　1)密封性能好：大部分球閥的（de）閥（fá）座選用彈（dàn）性材料聚四氟乙烯（xī）等製造（zào），緊急注脂的密封性較（jiào）好，對密封表麵的粗糙程度和表麵的加工精（jīng）度的（de）要求也不高。

　　2)使用壽命長：管線投入使用是不（bú）允許停止的，聚四氟乙烯的自潤滑（huá）性很好，對球體的（de）磨損較小，加（jiā）上先進的（de）加工（gōng）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（quán）流量型，其管道內徑就是整（zhěng）個通道（dào）直徑，因此管（guǎn）內阻力很小，是所（suǒ）有閥門中流阻小的一種。

　　4)開啟關閉方（fāng）便迅速：隻要手柄轉動90°就能很輕鬆的控製球（qiú）閥（fá）。

　　5)閥體（tǐ）內（nèi）光滑平（píng）整：對於輸送粘性（xìng）流體、固體顆粒、漿液都很適宜。

2、球閥結構

　　1)球體支撐結構（gòu）形式

　　通常球閥按照球體的支撐方式可以分為有浮動球和固定球球閥兩種，而浮動球球閥的球（qiú）體中並無支撐軸，球體的支撐依靠閥門進口、出口的閥座來控製。固定球球閥就具有支撐軸，相比（bǐ）浮動球球閥所能承受的重力要大得多，所以我們選擇（zé）固定球形式的（de）球閥。固定式（shì）受壓後球體不會移動，而是浮（fú）動的閥座移動，使密封圈緊壓球閥，確保其密封性。

　　2)密（mì）封（fēng）形式

　　這裏我們選擇彈性密封（fēng）閥座，這樣球體的（de）彈力在介質壓力和（hé）彈簧預壓縮的雙重作用之下，能夠滿（mǎn）足密封力和密封比壓（yā）的要求，獲（huò）得（dé）較好的（de）密封比壓（yā）。在沿著（zhe）閥門的通道橫截麵周圍布置一組壓縮彈（dàn）簧，作為其推力，這樣就能保持閥座和球（qiú）體的預緊狀態。

　　3)減速（sù）器的結構

　　考慮到軸減速器在球閥中（zhōng）的（de）形式以及其安裝的位置（zhì），考慮用體積較小、傳動比大的（de）蝸輪-蝸杆減速器，球（qiú）閥球體隻需要旋轉90°，用扇形的蝸輪來取代全蝸輪減速器。

　　4)軸承端蓋的結構

　　軸承端蓋也是十（shí）分重要的（de）一（yī）個零件，用途廣泛。主要（yào）用作軸承外圈的固（gù）定、防塵和密（mì）封、調（diào）節軸承間隙並承受（shòu）軸（zhóu）向力，使得主軸箱平穩轉動（dòng）。它可分為嵌入（rù）式和凸緣式，選擇（zé）凸（tū）緣式軸承端蓋效（xiào）果更（gèng）好，密封性能好，調整軸承間隙（xì）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（lái）做（zuò）球閥金屬閥門結構長度（dù），其結構長（zhǎng）度l=1250mm，由（yóu）計算確定鋼質閥體的壁厚小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；驅動裝置的（de）輸出轉（zhuǎn）矩M=7701348N/mm，選擇蝸輪-蝸杆傳動作為減（jiǎn）速器；用聯軸器（qì）連接驅動裝置（zhì）和閥杆。此外還需要增加（jiā）防靜電裝置、防火裝置、緊急注脂等，滿足特殊場合下使用的要求。

3.2、強度計（jì）算及材料（liào）

　　1)計算密封力

　　(1)流體壓力在閥座密封麵上引起（qǐ）的作用力Q0：

　　QMJ為流體靜壓力在閥座密封麵的（de）作用力。

　　QJ為流體靜壓力在密封麵餘隙（xì）中（zhōng）的作用力；

　　預緊力不但（dàn）確保低壓球閥的密（mì）封性，同時補充流（liú）體作用力，確（què）保使用時高壓球閥（fá）的密封性。固（gù）定球球閥的預緊力靠彈性元件達到。

　　(2)彈簧預緊力Q1的計算：

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

　　(3)計（jì）算閥座滑動摩擦力Q2：

　　公（gōng）式中，d1為支座的（de）外徑；F'0為0形圈（quān）開（kāi）始彈（dàn）性壓縮在接觸（chù）麵上的摩擦力；F0為0形圈在流體壓力下的摩擦（cā）力。

　　2)球（qiú）閥（fá）轉矩的（de）計算（suàn）

　　計算球體和閥座密封圈摩擦（cā）轉矩的公式：

　　滑動或者滾動軸承能夠降低球閥旋轉時所產生的巨大（dà）摩擦力。軸承的結構和軸頸連接方式，由球閥的通徑、壓力、工作介質等因素決（jué）定。

　　軸承（chéng）摩擦轉矩（jǔ）Mc的公式：

　　公式中，QC為軸承的徑向作用力，QC=π/4•d12p固定球球閥，預緊力（lì）和（hé）閥座摩擦力對軸承的總推力相互抵消。

　　3)主（zhǔ）要零部件的校核

　　校核的範圍包括牙嵌式離合器的強度（dù）、閥杆的（de）強（qiáng）度、鍵的強（qiáng）度、中法蘭用雙頭螺栓（shuān）的強度。

　　4)選擇球閥材料（liào）

　　選擇球閥的材料要考慮到球閥的具體用途和使用所（suǒ）需的條件。主要考慮介質的溫度、介質的（de）腐蝕（shí）性、輸送介質的性質等（děng）方麵。本文中選擇球體A105，側閥體和（hé）中閥體為WCB，閥杆、蝸杆軸、蝸輪軸選擇40Cr，蝸（wō）輪的輪轂型號為TH200、輪芯型號為ZCuSn10P1，軸承端蓋采用HT150，減速器的箱體選用HT250。

4、未來發展趨勢

　　管線球閥今後的發展趨勢呈現（xiàn）為：1)大型化（huà）管線球閥的大型化將帶去更大的經（jīng）濟效（xiào）益（yì）。2)高耐腐蝕材料閥門（mén）技術的發展，要求高強度的耐腐蝕材料與之適應。3)多重密封結構閥門想要更長的使用壽命，需要多重複合材（cái）料。4)快速關閉及高可靠性。5)高自動化能夠預（yù）知事故的發生，緊急關斷球閥。

5、結束語

　　本文設計的（de）對象為管線球閥，球閥（fá）由於開關迅（xùn）速、阻力小、密封（fēng）性（xìng）好等特點而被廣泛采用。對於（yú）球閥的球體支撐結構、密（mì）封形式、減速器等進行了詳細設計，確定了結構較好的固（gù）定式軟密封球閥，並給出（chū）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（zhǐ）出了球閥今後的發（fā）展趨勢。這種球閥結構（gòu）合理，性能較好，能夠滿足長（zhǎng）輸管線的要求。