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的流通，改變介質的流動方向，保護管路設備的正常運行。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。由于原系統中使用的金屬硬密封氣動蝶閥經常出現密封不嚴、維修困難等問題，極大地影響了設備的正常使用。因此，選用一種滿足系統功能要求、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，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、技術成熟、價格合理；

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

    （3）結構緊湊原則。在同等性能條件下，優先選用體積小、重量輕的閥門；

    （4）維修便捷原則。優先選用可靠性好，維護簡便，維修簡單的閥門；

    （5）防腐優先原則。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先選擇。

    1.2 各種閥性能特點比較

    根據生活廢物處理系統使用要求，選用閥門首先應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，還應該滿足使用介質、工作壓力及通徑的要求，從船標及國內外市場的工業產品來看，能夠滿足該系統工作壓力與通徑要求的閥門只有截止閥、閘閥、球閥、蝶閥。為了優選出滿足使用要求且技術性能最好的閥門，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現，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，可作為該系統首選方案。

    1.3 球閥選型

    1）選型方案

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

    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。球閥全開位置設有限位開關，活塞桿伸出到位時，限位開關動作，限位開關指示面板上的指針指向“100% 開閥”位置，表示閥已全開。反之，關閥時，斷開電源，電磁閥由彈簧復位，壓縮空氣反向推動氣缸，將閥關閉。同時活塞桿縮到位后，限位開關動作，控制箱面板上的“關閥”指示燈亮，限位開關指示面板上的指針指向“100% 關閥”位置，表示閥已關閉。

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    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σ_0.2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），在閥座內腔施加壓力5.25MPa（1.5倍工作壓力），分析其應力和應變情況，見圖4、圖5。

圖3 閥座三維模型及有限元模型

圖4 閥座的應和云圖

圖5 閥座的變形云圖

    從應力、應變云圖可知閥座在內腔施加5.25MPa內壓時其承受的最大應力為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。

    4）密封分析

    球閥選型的關鍵技術在于密封副的選擇。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及接觸應力（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，并設置材料參數：初始剪切模量Mu為0.1MPa，不可壓縮參數D1為0.15MPa^-1。設置好接觸對，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

    經過上述4個載荷步和多次迭代（如圖10所示）后，結果收斂。

圖10 FEA計算結果收斂歷程圖

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    評估密封座的接觸狀態（如圖11所示），從圖中可見，下方密封座與球體、殼體均發生了滑動（Sliding），而上方密封座除了與球體、殼體均發生了滑動（Sliding），還與殼體發生粘連（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

圖12 球閥密封座的穿透狀態

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

圖13 球閥密封座接觸壓應力分布云圖

圖14 球閥密封座接觸壓應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生了最大的接觸應力在密封座唇口處，最大應力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，對氣動球閥樣機進行了臺架試驗，主要包括：濕態氣密性試驗，濕態水密性試驗，干態氣密性試驗，干態水密性試驗，及長時間啟閉試驗，試驗臺架原理圖如圖15所示，試驗結果表2、表3。

圖15 試驗臺架原理圖

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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

    試驗結論：氣動球閥啟閉試驗過程中動作平穩，工作可靠，無任何卡滯現象。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，濕態緊密性試驗及干態緊密性試驗在水壓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的性能。