通過對各類截斷閥的特點進行分析，選出了一種適合船用生活廢物處理系統(tǒng)使用的氣動球閥，并對選用球閥進行了殼體強度校核、密封性能有限元分析計算以及試驗驗證。

引言

　　閥門是流體管路的控制裝置，其基本功能是接通或切斷管路介質(zhì)的流通，改變介質(zhì)的流動方向，保護管路設(shè)備的正常運行。合理的選用閥門，并安裝在正確的位置上，是系統(tǒng)安全可靠的運行和方便維護管理的重要保證。

　　某型裝備生活廢物處理系統(tǒng)需配置一個用于控制粉碎后生活廢物排出的閥門，該閥工作介質(zhì)為海水、食品廢物(顆粒大小：0～5mm)、空氣的混合物。工作壓力為3.5MPa，閥門通徑為50mm，要求該閥的使用壽命不低于30萬次。由于原系統(tǒng)中使用的金屬硬密封氣動蝶閥經(jīng)常出現(xiàn)密封不嚴、維修困難等問題，極大地影響了設(shè)備的正常使用。因此，選用一種滿足系統(tǒng)功能要求、可靠性高，維修性好的閥件替代原蝶閥顯得尤為重要。

1、閥門選型

　　1.1、閥門選用原則

　　為了確保選用閥門能較好的適用于該系統(tǒng)，在選用閥門時遵循如下原則：

　　(1)安全可靠原則。確保閥門安全可靠、技術(shù)成熟、價格合理;

　　(2)性能優(yōu)先原則。優(yōu)先選用性能先進，使用壽命長，密封性能好，開啟靈活，啟閉方式合理的閥門;

　　(3)結(jié)構(gòu)緊湊原則。在同等性能條件下，優(yōu)先選用體積小、重量輕的閥門;

　　(4)維修便捷原則。優(yōu)先選用可靠性好，維護簡便，維修簡單的閥門;

　　(5)防腐優(yōu)先原則。在同等性能條件下，對防腐性能較好、有一定的自潔能力的閥門優(yōu)先選擇。

　　1.2、各種閥性能特點比較

　　根據(jù)生活廢物處理系統(tǒng)使用要求，選用閥門首先應(yīng)具有與蝶閥相同的通、斷控制功能，這類閥門主要有截止閥、閘閥、旋塞閥、球閥、隔膜閥、蝶閥等。其次，還應(yīng)該滿足使用介質(zhì)、工作壓力及通徑的要求，從船標及國內(nèi)外市場的工業(yè)產(chǎn)品來看，能夠滿足該系統(tǒng)工作壓力與通徑要求的閥門只有截止閥、閘閥、球閥、蝶閥。為了優(yōu)選出滿足使用要求且技術(shù)性能最好的閥門，表1分別對各閥的特點進行了比較。

表1 閥門特點對比分析表

　　從閥門特點的對比分析發(fā)現(xiàn)，球閥具有流體阻力小、體積小、重量輕、密封性能好、維修方便等特點，可作為該系統(tǒng)首選方案。

　　1.3、球閥選型

　　1)選型方案

　　根據(jù)市場調(diào)研情況，綜合考慮使用介質(zhì)、使用壓力、使用壽命、尤其是維修性的優(yōu)劣等因素，選用了一種氣動軟密封球閥作為該系統(tǒng)球閥的優(yōu)選方案。

　　2)組成及工作原理

　　該氣動球閥主要由球閥、雙作用氣缸和電磁換向閥、限位開關(guān)等組成，其中：球閥由左閥體、右閥體、球體、密封座、墊片等組成，其外形及球閥組成詳見圖1、圖2。

圖1 氣動球閥外形圖及局部剖視圖

圖2 球閥組成示意圖

　　工作原理：工作時，接通電源，電磁閥換向，將壓縮空氣送至氣缸開閥腔，推動活塞桿，將球閥打開。球閥全開位置設(shè)有限位開關(guān)，活塞桿伸出到位時，限位開關(guān)動作，限位開關(guān)指示面板上的指針指向“100% 開閥”位置，表示閥已全開。反之，關(guān)閥時，斷開電源，電磁閥由彈簧復(fù)位，壓縮空氣反向推動氣缸，將閥關(guān)閉。同時活塞桿縮到位后，限位開關(guān)動作，控制箱面板上的“關(guān)閥”指示燈亮，限位開關(guān)指示面板上的指針指向“100% 關(guān)閥”位置，表示閥已關(guān)閉。

　　3)主要部件受力分析

　　氣動球閥工作時的主要受力部件為閥座，閥座由左閥體和右閥體組成，材料為316不銹鋼(ASTMA351型CF8M)，其屈服強度σ0.2為205MPa，為分析其強度及變形是否滿足要求，對其進行有限元計算分析，建立三維模型及有限元模型(圖3)，在閥座內(nèi)腔施加壓力5.25MPa(1.5倍工作壓力)，分析其應(yīng)力和應(yīng)變情況，見圖4、圖5。

圖3 閥座三維模型及有限元模型

圖4 閥座的應(yīng)和云圖

圖5 閥座的變形云圖

　　從應(yīng)力、應(yīng)變云圖可知閥座在內(nèi)腔施加5.25MPa內(nèi)壓時其承受的最大應(yīng)力為56.12MPa，小于屈服強度205MPa，最大變形量為0.0203mm，在使用材料的彈性變形范圍內(nèi)。

　　4)密封分析

　　球閥選型的關(guān)鍵技術(shù)在于密封副的選擇。本氣動球閥球體及閥座的材料為316L，密封座采用Peek(聚醚酮)制造，Peek與316匹配，具有較好的親和力，并且耐磨性、自潔性及使用壽命均較好。

　　分析球閥的密封性能，主要是評估球閥密封副的接觸狀態(tài)及接觸應(yīng)力(比壓)。為分析該球閥的密封性能，進行球閥密封副初始裝配的有限元分析，建立簡化的2D軸對稱幾何模型(圖6)和有限元模型(圖7)，殼體和球體材料選擇鋼材，密封座材料選擇人造橡膠，并設(shè)置材料參數(shù)：初始剪切模量Mu為0.1MPa，不可壓縮參數(shù)D1為0.15MPa-1。設(shè)置好接觸對，密封座與球體、密封座與殼體的接觸類型為：摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.1。

圖6 球閥密封副2D軸對稱幾何模型

圖7 球閥密封副2D軸對稱有限元模型

圖8 球體Y方向兩個載荷步的位移載荷

　　基于已建立的有限元模型，假定圖7中上面的殼體固定，并且密封座的預(yù)壓縮量不大于5%，先對球體施加Y 方向的位移0.4 mm(如圖8所示)，然后對下面的殼體施加Y方向的位移1.1mm(如圖9所示) 。

圖9 下面殼體Y方向兩個載荷步的位移載荷

　　經(jīng)過上述4個載荷步和多次迭代(如圖10所示)后，結(jié)果收斂。

圖10 FEA計算結(jié)果收斂歷程圖

　　評估密封座的接觸狀態(tài)(如圖11所示)，從圖中可見，下方密封座與球體、殼體均發(fā)生了滑動(Sliding)，而上方密封座除了與球體、殼體均發(fā)生了滑動(Sliding)，還與殼體發(fā)生粘連(Sticking)。進而觀察密封座的穿透情況，如圖12所示，密封座與閥體、球體間的大部分間隙為0，只有密封座與閥體接觸處變形大的區(qū)域會有很小的間隙，最大間隙量為0.00119mm，不會影響密封性能。

圖11 球閥密封座的接觸狀態(tài)

圖12 球閥密封座的穿透狀態(tài)

　　評價密封座接觸副的接觸應(yīng)力，初始裝配狀態(tài)下密封座的接觸壓應(yīng)力分布情況如圖13和圖14所示。

圖13 球閥密封座接觸壓應(yīng)力分布云圖

圖14 球閥密封座接觸壓應(yīng)力相對于載荷步的曲線圖

　　由以上圖13可知，密封座與球體的接觸產(chǎn)生了最大的接觸應(yīng)力在密封座唇口處，最大應(yīng)力0.115MPa，滿足密封要求。

　　5)試驗驗證

　　為驗證氣動球閥的性能參數(shù)，對氣動球閥樣機進行了臺架試驗，主要包括：濕態(tài)氣密性試驗，濕態(tài)水密性試驗，干態(tài)氣密性試驗，干態(tài)水密性試驗，及長時間啟閉試驗，試驗臺架原理圖如圖15所示，試驗結(jié)果表2、表3。

圖15 試驗臺架原理圖

表2 氣動球閥啟閉試驗記錄表

表3 氣動球閥密封試驗記錄表

　　試驗結(jié)論：氣動球閥啟閉試驗過程中動作平穩(wěn)，工作可靠，無任何卡滯現(xiàn)象。緊密性試驗中，氣動球閥啟閉試驗前的緊密性試驗在水壓4.8MPa下保壓10min無外漏，濕態(tài)緊密性試驗及干態(tài)緊密性試驗在水壓4. 8MPa下保壓10min無外漏，在氣壓0.6MPa下保壓10min無外漏。

2、結(jié)論

　　選用的新型氣動球閥，具有較好地防腐性能和自潔性能，可靠性高、維修好，有效解決了原系統(tǒng)閥件可靠性不高、維修困難等問題，提高了生活廢物處理系統(tǒng)的性能。