球阀中应用滚动轴承研究与分析

球阀被广泛的应用在石油炼制、长输管线、化工、造纸、制药、水利、电力、市政、钢铁等行业，流体阻力小，全通径的球阀基本没有流阻，紧密可靠，但球阀的启闭扭矩是反映球阀性能的关键参数之一，它是指阀门开启或关闭所必须施加的作用力或力矩，是阀门在介质压力作用下动作的一项综合技术指标。随着时代发展，进入21世经以后，生产和制造技术有了显著优化提高，为了解决球阀减轻启闭力矩，降低成本，滚动轴承在球阀中得到应用，使其启闭扭矩明显降低，延长使用寿命，操作性能显著提高。

1 结构设计

在输送矿浆用球阀、水煤浆工况用球阀等大口径固定球阀，阀杆采用防尘和防喷出设计，在结构上确保阀杆只承受阀门启闭力矩，介质的推力由上、下支承轴承担，使阀杆的受力情况有了很好改善，保证阀杆能够长期可靠地工作，上下支承轴均设置有滚动轴承和滑动轴承，由此降低阀门的操作力矩。如图1、图2所示。小径口浮动球阀，阀杆轴颈处设计滚动轴承与密封圈。如图3所示。

图1 固定球阀上承轴结构

图2 固定球阀下承轴结构

图3 浮动球阀阀杆轴颈结构

2 球阀的摩擦力矩分析

球阀的转矩计算是确定驱动装置的功率及主要零件强度计算的基础。转矩大小决于摩擦力矩和介质流经阀门所产生的动水力矩。动水力矩是由于转轴两动水作用力不等而引起的力矩，是在启闭件脱离阀座密封圈封面后，在介质流动中产生的。它和密封面间的摩擦力矩不会同时产生，在数值上一般小于密封面的摩擦力矩。摩擦力矩一般包括：启闭件与阀座密封面之间的摩擦力矩，阀杆与填料间摩擦转矩，阀杆与轴承之间的摩擦力矩等。如图4所示。

图4 球阀转矩与开度关系

由图4可以看出在球体开启的瞬间，转矩具有最大值。因为这时密封副受到的密封力最大（要承受最大压差及预紧力作用）。随着开度增大转矩逐渐下降，虽然在12°～14°时又略有升高，但总的来说，最大转矩发生在开启瞬间。因此，计算分析阀杆力矩时，按最大压差（即处于全关状态下）进行。在这一阶段，只有摩擦力矩而无动水力矩。如图5所示。

图5 密封面上任意受力分析

设密封面上任一点a的坐标为a（x，y，z），转轴l（即z轴）的方程为

（1）

a点到l距离为

（2）

由几何关系分析，摩擦力的方向是沿a点处绕轴旋转的切向方向并与旋转度方向相反，则摩擦力为

（3）

摩擦力矩为

（4）

摩擦总力矩为

（5）

3阀杆力矩计算

阀门在石油、化工、电力、城建和工业企业的给排水、供热及供气系统中有着广泛的应用。存些系统中使用的球阀通常处于常开或常闭状态，当一个长期处于关闭状态的球阀需要开启时，关闭与开启的力矩最很大。

固定球球阀的阀杆力矩计算公式：

mf=mqg+mft+mzc （6）

固定球球阀的球体与阀座密封面间的摩擦力矩计算公式：

mqg=mqg1+mqg2 （7）

由阀座对球体的预紧力产生的摩擦力矩计算公式：

（8）

由介质工作压力产生的摩擦力矩计算公式：

浮动球球阀阀杆力矩计算公式：

mqf=mqf+mft+mzc （10）

浮动球球阀的球体与阀座密封面间的摩擦力矩计算公式：

mqf=mqf1+mqf2 （11）

进口端阀座密封面与球体间的摩擦力矩计算公式：

mqf1=m'qf1+m''qf1（12）

进口端阀座对球体预紧力产生的摩擦力矩计算公式：

介质对进口阀座的作用力而产生的摩擦力矩计算公式：

球体与出口阀座密封面间的摩擦力矩计算公式：

填料与阀杆间摩擦力矩计算公式：

（16）

轴承产生的摩擦力矩计算公式：

（17）

式中 mf——球阀的阀杆力矩，n.mm；

mqg——固定球球阀的球体与阀座密封面间的摩擦力矩，n.mm；

mqg1——由阀座对球体的预紧力产生的摩擦力矩，n.mm；

mqg2——由介质工作压力产生的摩擦力矩，n.mm；

mqf1——进口端阀座密封面对球体预紧力产生的摩擦力矩，n.mm；

m'qf1——进口端阀座对球体预紧力产生的摩擦力矩，n.mm；

m''qf1——介质对进口阀座的作用力而产后的摩擦力矩，n.mm；

mqf2——球体与出口阀座密封面间的摩擦力矩，n.mm；

mft——填料与阀杆间摩擦力

mzc——轴承产生的摩擦力矩，n.mm；

dmw——阀座密封圈与球体接融面外径，mm；

dmn——阀座密封圈与球体接融面内径，mm；

djh——活动阀座外径，mm；