上海申弘閥門有限公司
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非金屬閥瓣截止閥密封性能 金屬閥瓣截止閥密封性能 截止閥密封性能 非金屬閥瓣截止閥
之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹非金屬閥瓣截止閥密封性能應(yīng)用有限元分析軟件建立平面型非金屬閥瓣截止閥密封副的簡(jiǎn)化模型，對(duì)變操作工況下密封副的接觸應(yīng)力分布和變形情況進(jìn)行分析。對(duì)比相同工況下不同結(jié)構(gòu)閥瓣的接觸應(yīng)力分布和位移變化的差異，比較其性能，并采用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明: 密封接觸面上應(yīng)力分布關(guān)于密封面中徑呈對(duì)稱分布，在接觸面內(nèi)外徑處應(yīng)力zui大，并從兩端向密封面中徑方向減小。閥瓣結(jié)構(gòu)中，密封墊徑向有約束的閥瓣較密封墊徑向無約束的閥瓣密封性能好。
截止閥作為zui重要的截?cái)囝愰y門之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。閥門在管路中起著調(diào)節(jié)介質(zhì)流量和壓力、改變介質(zhì)流向及切斷介質(zhì)通路等重要作用，因此，認(rèn)為閥門密封性能非常關(guān)鍵。截止閥的密封是通過對(duì)閥桿施加扭矩，閥桿在軸向方向上向閥瓣施加壓力，使閥瓣密封面與閥座密封面緊密貼合，阻止介質(zhì)沿密封面之間的縫隙泄漏。
影響閥門密封性能的因素主要包括工況條件、操作條件、密封副結(jié)構(gòu)等幾方面。陳國(guó)順分析了影響閥門密封副密封性能的相關(guān)因素及影響規(guī)律，并針對(duì)這些影響因素提出了實(shí)現(xiàn)密封的解決辦法。宋強(qiáng)和王秋俠等提出了一種閥瓣帶有雙導(dǎo)向環(huán)，閥瓣能夠相對(duì)于閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。趙忠奎提出了一種截止閥閥桿、閥瓣的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，在閥瓣小端內(nèi)孔底面上保留錐孔，這種結(jié)構(gòu)使密封副密封載荷分布更為合理。趙俊芳對(duì)密封墊的嵌入形式進(jìn)行了反復(fù)的改進(jìn)，當(dāng)介質(zhì)流量較大流速較高時(shí)，密封墊不會(huì)出現(xiàn)脫落，在反復(fù)啟閉時(shí)不會(huì)失效。袁菊霞和張海亮分析了超高壓截止閥的密封機(jī)制，發(fā)現(xiàn)密封面寬度隨軸向力的變化是非線性關(guān)系，并對(duì)超高壓截止閥密封副材料的選用提出了建議。
本文采用有限元分析方法對(duì)兩種不同截止閥密封副形式的模型進(jìn)行了分析，比較其密封性能，并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。截止閥閥瓣密封根據(jù)截止閥密封副的材料不同，截止閥可使用金屬密封盒非金屬密封。使用金屬密封及非金屬陶瓷密封時(shí)，不但需要密封比壓高，而且需要四周均勻，以達(dá)到所需的密封性。根據(jù)以上要求，密封副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很多種，其密封原理及密封力的計(jì)算也不盡不相同。
1.平面密封
品面密封的優(yōu)點(diǎn)是閥瓣在裝配時(shí)有一定的晃量，閥瓣可以自動(dòng)找正并和閥座密封面吻合，因而對(duì)閥瓣的導(dǎo)向要求并不重要；閥瓣是在沒有被旋轉(zhuǎn)時(shí)落在閥座上的，密封副之間就不會(huì)產(chǎn)生摩擦，因此對(duì)密封面材料抗擦傷的要求也不嚴(yán)格。同時(shí)，喲與管道應(yīng)力導(dǎo)致閥座的內(nèi)孔圓度變形時(shí)，也不會(huì)影響密封性能。缺點(diǎn)是介質(zhì)中的固體顆粒和沉淀物易損傷密封面，其密封面原理是當(dāng)介質(zhì)從閥瓣下方流入時(shí)，所施加的密封力必須等于或者大于密封面上所產(chǎn)生的所需比壓和介質(zhì)向上的作用力之和。
當(dāng)介質(zhì)從閥瓣上方流入時(shí)，所施加的密封力只需要等于或者大于密封面上索昌盛的必需比壓和介質(zhì)的作用力之差。
2.非金屬閥瓣截止閥密封性能錐面密封
錐面密封是把密封面做成錐形，使接觸面變窄，這種密封在一定的密封力作用下，其密封比壓大大增加，更容易實(shí)現(xiàn)密封，與平面密封結(jié)構(gòu)相比較，所施加的密封力較小。由于密封面狹窄，關(guān)閉時(shí)不易使閥瓣正確地壓向閥座面，為了提高密封性能，必須對(duì)閥瓣進(jìn)行導(dǎo)向。閥瓣在閥體中導(dǎo)向時(shí)，閥瓣受到流體的側(cè)向推力由閥體承受，而不是由閥桿來承受，這就進(jìn)一步增加了密封性能和填料密封的可靠性。錐形閥瓣用于大口徑閥門時(shí)，因?yàn)楣艿缿?yīng)力的作用，使閥座孔的圓度產(chǎn)生一定的變形量，不容易實(shí)現(xiàn)密封。
另一方面，錐形密封是在兩密封面有摩擦的情況下吻合，所以密封材料必須能耐擦傷。錐面密封和平面密封相比，受固體顆粒和介質(zhì)沉淀物的損傷相對(duì)較小，但也不宜在含有固體顆粒和介質(zhì)沉淀物的介質(zhì)中使用。其密封原理是當(dāng)介質(zhì)從閥瓣下方流入時(shí)，所施加的密封力必須等于或略大于密封面上所產(chǎn)生的必需比壓和介質(zhì)向上的作用力之和。
當(dāng)介質(zhì)從閥瓣上方流入時(shí)，所施加的密封力等于或大于密封面上所產(chǎn)生的必需比壓和介質(zhì)的作用力之差。
為了改善錐形密封的強(qiáng)度而又不致犧牲其密封應(yīng)力，把密封面錐半角做成15°，這就提供了較寬的密封面，使閥瓣能更容易地閥座吻合。為了達(dá)到較高的密封應(yīng)力，閥座密封面開始與閥瓣接觸部分較窄，約3mm，其余留有的錐度部分可稍長(zhǎng)些。當(dāng)密封負(fù)荷增大時(shí)，閥瓣滑入閥座的程度加深，因而增加了密封面寬度。這種密封面的設(shè)計(jì)不像窄密封面那樣容易受到?jīng)_蝕損壞。此外，由于錐形面較長(zhǎng)，使閥門的節(jié)流特性得到改善。
3.球面密封
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥把閥瓣做成球形，閥座做成錐形。閥瓣的球體在閥桿的孔內(nèi)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。因此閥瓣能在閥座上做一定范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)行調(diào)整。由于兩密封面的接觸幾乎成一線，即線密封，故密封應(yīng)力很高，更容易實(shí)現(xiàn)密封。閥瓣球體還可以使用硬質(zhì)合金或陶瓷材料，硬度可達(dá)到40-60HRC，而且能耐很高的溫度，因此可以應(yīng)用于高溫截止閥。缺點(diǎn)是密封面線型接觸容易受沖蝕而損壞，所以閥座應(yīng)選擇耐沖蝕材料。球面密封的截止閥可適用于介質(zhì)中帶有微小固體顆粒的氣體或液體。其密封原理是當(dāng)介質(zhì)從閥瓣下方流入時(shí)，所施加的密封力必須等于或略大于密封面上所產(chǎn)生的必須比壓和介質(zhì)上的作用力之和。
當(dāng)介質(zhì)從閥瓣上方流入時(shí)，所施加的密封力必須等于或略大于密封面上所產(chǎn)生的必須比壓和介質(zhì)向下的作用力之差。
1、有限元分析模型建立及參數(shù)設(shè)定
在研究截止閥密封泄漏特性時(shí)，擬采用密封副基本形式相同而閥瓣結(jié)構(gòu)不同的兩種密封副結(jié)構(gòu)，按照結(jié)構(gòu)形式的不同，將閥瓣分為A、B 兩種結(jié)構(gòu)類型，如圖1 所示，其中A 型為密封墊徑向無約束的閥瓣，B 型為密封墊徑向有約束的閥瓣。2 種閥瓣的金屬和非金屬部分材料均相同，分別為S30408 和Fs-46。采用有限元分析時(shí)對(duì)密封副做了一定的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的密封副結(jié)構(gòu)如圖1 所示。截止閥密封副結(jié)構(gòu)基本尺寸如表1 所示。截止閥密封副簡(jiǎn)化模型圖1 截止閥密封副簡(jiǎn)化模型表1 密封副尺寸密封副尺寸
由于兩種形式閥瓣密封副的幾何形狀和邊界條件均具有軸對(duì)稱性，故采用軸對(duì)稱模型，取閥瓣密封面截面的1 /2 建立模型，閥瓣和閥座網(wǎng)格大小分別為0. 1 和0. 2，網(wǎng)格單元類型采用CAX8，在閥座與閥瓣之間設(shè)置接觸模型，在閥瓣非金屬密封面法向上依次施加1、4、7、10 MPa 的介質(zhì)壓力均布載荷，而在閥瓣金屬部分法向上施加相應(yīng)閉合力載荷，閉合力載荷如表2 所示。
表2 閉合力載荷閉合力載荷以A 型閥瓣為例，密封副有限元模型如圖2 所示。密封副有限元模型圖2 密封副有限元模型
2、結(jié)論
密封非金屬密封墊在密封接觸面以內(nèi)和以外區(qū)域應(yīng)力分布較為均勻，密封面上應(yīng)力分布關(guān)于密封面中徑呈對(duì)稱分布，在接觸面內(nèi)外徑處應(yīng)力zui大，并從兩端向密封面中徑方向減小。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
