襯套旋塞閥開關力矩的影響因素及計算研究

周長寶

（安策閥門（太倉）有限公司，江蘇 太倉215400）

0 引 言

襯套旋塞閥的開關力矩的不穩定一直是旋塞閥生產企業的難點，閥門轉矩過大頻繁發生。最終導致閥門無法開啟，只能更換轉矩更大的執行機構。使得成本增加，而且給產品的生產周期帶來影響。問題反復出現的頻率極高，很難有效控制。為此本文分析了襯套旋塞閥開關力矩的主要影響因素和計算方法。

1 襯套旋塞閥整體結構

旋塞閥是使用較早的一種閥門，通過旋轉90°使旋塞上的通道口與閥體上的通道口分開，實現閥門的開啟和關閉。適用于作為切斷和接通介質及分流使用，用帶通孔的旋塞作為啟閉件的閥門，旋塞旋轉90°可以實現啟閉動作。旋塞多為圓錐體，與閥體的圓錐面配合形成密封副，其結構簡單，開關迅速，流體阻力小[1]。但由于襯套旋塞閥是依靠精加工后的旋塞與閥體之間直接接觸來實現密封，因此旋塞閥開關力矩較大。襯套旋塞閥的整體結構如圖1所示。

圖1 襯套旋塞閥

2 開關力矩影響因素

襯套旋塞閥的開關力矩不穩定是實際生產中頻繁發生 的 現象，產品的實際開關力矩與計算力矩不吻合，影響產品性能、使用壽命及產品供貨期等，因此有必要對旋塞閥開關力矩的主要影響因素做細致的分析。

2.1 襯套材料

內襯旋塞閥的常用襯套材料主要有PTFE[2]、UHMWPE等。不同的襯套材料主要化學成分不同，性能會有差別。每種材料的壓縮強度會有較大的區別。旋塞閥的旋塞材料一般是金屬，而襯套相當于閥座，它與旋塞過盈配合來實現密封，在旋塞安裝的過程中，一般襯套的厚度被壓縮20%～30%之間，來實現旋塞與襯套間的密封。金屬旋塞與非金屬襯套之間的壓縮量一般是固定的，非金屬襯套材料本身的摩擦因數及材料本身的伸長比等物理性能都會影響到旋塞與襯套之間的壓縮強度。依據胡克定律，摩擦力等于摩擦因數與正壓力的乘積，即f=kN,壓縮強度N越大，襯套與旋塞之間的摩擦力f就會增大。

圖2 PTFE試件的壓縮變形與壓縮強度的關系曲線

圖3 UHMWPE試件的壓縮變形與壓縮強度的關系曲線

通過5種不同的試樣，通過試驗的方法，獲得PTFE以及UHMWPE兩種材料的壓縮強度曲線[3]，如圖2、圖3所示。從圖中可以看出，在相同的變形量下，PTFE的壓縮強度要明顯小于UHMWPE，因此對于其他影響因素相同的情況下，使用UHMPWE襯套的旋塞閥的開關轉矩會明顯大于使用PTFE襯套的旋塞閥。

2.2 旋塞材料

大多數旋塞閥的旋塞都是選用金屬材料，但是個別需要超高耐腐蝕性（介質是強酸或者強堿）的閥門要求旋塞材料是非金屬，以避免閥門的金屬部分與介質直接接觸。因此，旋塞的材料有時會選用金屬鐵芯外包非金屬材料，一般是PFA或者PTFE。在選擇旋塞材料時，避免旋塞的材料與襯套的材料一致，同種材料的旋塞和襯套，在它們之間的壓縮強度的作用下及介質溫度較高的情況下，材料之間會更容易產生擴散和互溶，從而使得閥門開關需要很大的轉矩來完成。

2.3 密封副表面粗糙度

襯套旋塞閥的密封副是襯套和旋塞，襯套和旋塞的表面越光滑，則閥門的密封越可靠，閥門的開關力矩就會越小。因此盡量保證密封副表面光滑，閥門的開關力矩才能降低。摩擦因數的大小對力矩的影響是成倍變化。一般可以采取襯套涂抹油脂的方式來實現降低摩擦因數，來實現降低轉矩[4]。另外一種方法是通過機械加工來提高工件表面粗糙度。可以通過提高機床轉速，減小進給量和背吃刀量，保證車刀的刀尖鋒利，一次裝夾完成機械加工，選取適合的車刀加工每一個密封面。

2.4 密封副尺寸

旋塞尺寸與閥體中腔尺寸的變化會造成閥門開關轉矩的不穩定，和計算值偏差較大。鑒于旋塞閥結構的特殊性，旋塞閥的閥體一般采用鑄造的方式，而且閥體內腔很難機加工。內腔的尺寸或者旋塞的外徑尺寸偏差都會影響到襯套的實際壓縮量，因此襯套的壓縮強度就會不同。壓縮強度與轉矩值成正比關系，直接影響轉矩的大小。

2.5 襯套厚度

襯套的壓縮比大小，會影響到旋塞與襯套之間的摩擦力大小，從而引起閥門的開關轉矩的變化。對于同一個閥門，襯套越厚，裝配到閥門上之后，襯套的壓縮比就越大，襯套的壓縮強度就會增加。從圖1或圖2的曲線可以看到，材料的壓縮變形量增大，襯套的壓縮強度就會隨之增加。襯套與旋塞間的壓力增大，摩擦力增大，閥門的開關轉矩會隨襯套與旋塞間的壓力增大而成倍增大。

圖4 襯套

2.6 密封面寬度

密封面寬度直接影響到旋塞與閥體之間摩擦力的大小，密封面的寬度變小，會降低閥門的開關轉矩，但是密封面過小，閥門容易泄漏。不能保證閥門的密封性能。因此確定密封面的寬度時需要綜合考慮這兩個因素，通過計算來確定。密封面位置如圖5所示。

圖5 密封面

3 開關力矩計算

實際上對于企業內部最困難的問題是沒有襯套材料的壓縮變形與壓縮強度的關系曲線數據，因此不能計算出準確的開關力矩。本文通過大量的試驗，給出了壓縮變形與壓縮強度的關系曲線。其他的影響因素容易確定，襯套材料的壓縮強度實際是影響閥門開關力矩的關鍵數據。

開關力矩M由3部分力矩合成[5]，分別是旋塞與襯套間的摩擦力矩Mf、填料與閥桿間的摩擦力矩MT，以及介質壓力在旋塞與閥體接觸面上產生的摩擦力矩MJ。

3.1 摩擦力矩MJ

介質壓力在旋塞與閥體接觸面上產生的摩擦力矩[6]:

式中：d為閥體出入口直徑，mm；P為工作壓力，MPa；fM為旋塞與閥體密封面間摩擦因數；Dp為旋塞平均直徑，mm。

Dp的計算公式為

式中：D1為旋塞大端直徑，mm；D2為旋塞小端直徑，mm。

綜合式（1）和式（2），可計算出旋塞與閥體接觸面產生的摩擦力矩MJ。

3.2 摩擦力矩MT

填料與閥桿間的摩擦力矩計算公式[6]為:

式中：FT為填料與閥桿的摩擦力，N；dF為閥桿直徑，mm；h為填料深度，mm；PT為壓緊填料所必須的比壓，MPa。綜合式（3）～式（6），可計算出填料與閥桿間的摩擦力矩MT。

3.3 摩擦力矩Mf

旋塞與襯套間的摩擦力矩計算公式[6]為

閥桿最大軸向力F計算公式為：

式中：δ為襯套壓縮量，mm；qMF為旋塞與襯套的壓縮強度，MPa（依據襯套的壓縮量δ，查材料壓縮強度曲線圖2、圖3）；α為旋塞的錐半角，（°）；H1為襯套壓縮前厚度，mm；H2為襯套壓縮后厚度，mm。

綜合式（7）～式（9），可計算出旋塞與襯套間的摩擦力矩Mf。

3.4 閥門開關總力矩M

閥門總開關力矩M是Mf、MT、MJ三者之和[6]:

4 結 論

對襯套旋塞閥開關力矩的主要影響因素做了細致的分析，尤其對兩種常用襯套材料做了大量的壓縮試驗，給出了PTFE及UHMWPE兩種材料的壓縮變形與壓縮強度曲線，作為閥門的設計計算過程中主要依據，在閥門實際的生產過程中就可以有效地避免由于旋塞轉矩問題帶來的問題。