隨著現代科技和經濟的快速發展，具有中高壓力大流量的液體、氣體工質的輸送逐漸增加，這就必然需要具有中高強度大流量的機電調控設備來滿足人們在科技和經濟方面的發展需要。為了推進科技和經濟的快速發展，迫使人們不得不研制具有中高強度大流量的機電調控設備，而球閥就是滿足這種要求的機電調控設備之一。球閥產生于20世紀50年代，隨著科學技術的飛速發展，生產、工藝及產品結構的不斷改進，在不到40年時間里，已迅速發展成為一種主要的閥類。它的主要優點有：啟閉迅速、操作方便、結構簡單、質量輕、流體阻力小，適用于低溫、高溫、高壓、黏度較大的介質。由于球閥有這些優點，因此，在西方發達的工業國家，球閥的使用量在不斷地增加；而在我國，球閥被廣泛應用于石油煉制、長輸管線、化工、造紙、制藥、水利、電力、市政、鋼鐵等行業，為我國國民經濟的快速發展發揮了巨大作用。

    1 球閥的結構概述

    球閥是一種被廣泛使用的閥門，球閥的啟閉件采用圓形通孔的球體，球體隨閥桿轉動，以達到切斷、分配、改變介質流向等作用，其中V形開口的球閥還可用于流量調節。球閥的主要組成部件有：閥體、帶有軸頸閥門、滑動軸承、帶密封環的工作密封、檢修密封裝置和閥的操作機構等。球閥通常采用臥軸結構，活門全開式，工作密封蓋位于上部。

    閥體通常由兩件組成。組合面的位置通常有兩種安排：一種是偏心分半，組合面放在靠近下游側（即靠近工作密封側），閥體的地腳螺釘都布置在上游側這一大半閥體上。其優點是分半面螺釘受力均勻，但采用這種結構，閥軸和活門必須是裝配式的，否則無法裝入閥體；另一種是對稱分半，將分半面放在閥軸中心上，這時閥軸和活門可以采用整體結構，以減輕質量。閥體通常采用鑄鋼鑄成。當閥軸與活門為整體結構時，可以采用鑄鋼鑄造或分別鑄造后焊在一起；當閥軸與活門為裝配式結構時，則是通過閥軸上的法蘭用螺釘和活門組裝。

    球閥的密封裝置有兩種：工作密封和檢修密封。工作密封位于球閥出流側，主要零件有密封環、密封蓋等。球閥開啟前，先由旁通閥向下游充水，同時將密封蓋內的壓力水由C孔排出，由于下游水壓力逐漸升高，逐漸將密封蓋壓入，密封口脫開，這時可開啟活門；相反，當活門關閉后，此時C孔已關閉，壓力水由活門和密封蓋的護圈之間的間隙流到密封蓋的內腔，隨著下游水壓的下降，密封蓋逐漸突出，直至密封口壓嚴為止。文中主要探討球閥密封的設計與優化。

    2 球閥漏油的分析與探討

    在經濟全球化高速發展的今天，由于機械產品日益標準化，要求生產機械零部件批量化、精密程度生產同一化，因而，在工程設計與實踐探索中對球閥的要求越來越高，這就必須借助模型和邊界條件的優化設計，同時還要求理論與實踐的互化和回歸統一，它是現在同時也是將來研究和分析問題的出發點和落腳點。理論指導實踐，而在實踐中補充理論探索的不足，使理論進一步深化，更好地運用于生產實際。

    2.1 球閥的工程設計與實踐分析

    球閥的工程設計與其他機械零部件的設計一樣，首先是理論設計，以達到用戶的要求為目的。在設計過程中必然會出現沒有考慮到的許多邊界因素，因此，在生產實踐中也必然會出現許多工程實踐問題。而在球閥的理論設計過程中，根據工作壓力設計的要求，計算球閥的內徑、外徑和相關尺寸，同時還要考慮球閥的通用性。現在就球閥的密封進行理論設計與實踐分析。如圖1所示，根據工作壓力和相關要求（只考慮一個單啟閉的行程過程），進入球閥的液壓油：

        （1）

    式中：r為球閥內半徑（m）；υ為進入球閥內液壓油單位時間內的位移（m/s）；t為球閥內液壓油單啟閉行程時間（s）。在工程設計過程中，采用密封面和護圈進行密封，而球閥在正常工作過程中，漏油常有出現，給生產帶來不便，究其原因，還是密封結構存在問題。

圖1 球閥密封部分結構圖

    2.2 模型建立與邊界層的優化

    針對上節球閥在實踐中出現的漏油現象，現建模和考慮邊界條件優化來分析和探索球閥在工作過程中漏油的具體原因。上述用密封面和護圈進行密封的球閥出現漏油與密封的結構和受力有關系。下面改變密封結構，建立新模型并應用數值軟件進行具體分析。如圖2所示，采用中空的“O”型密封圈，在對稱的180°圓環兩端各開一個小孔，開孔面積必須滿足下述方程：

        （2）

    式中：l為開孔曲線積分弧長（m）；υ為液壓油設計速度（m/s）；t為“O”型密封圈從膨脹到防止球閥漏油所需時間，與球閥的相關密封件間隙有關（s）。其密封圈結構如圖3所示，兩孔均朝向液壓油來油方向。其工作原理是：

圖2 密封圈模型數值化軟件分  

圖3 密封圈

    當高壓液壓油進入球閥時，從密封蓋外表面與密封環內表面間隙流出的高壓液壓油流到“O”型密封圈時，它們就從“O”型密封圈開孔位置進入其中空部分，由于高壓液壓油的壓力作用使“O”型密封圈膨脹，“O”型密封圈因彈力的作用將密封蓋外表面和密封環內表面壓緊而不讓液壓油漏出。密封圈力學特性如圖4所示，把“O”型密封圈簡化成簡支梁，滿足下述不等式：

圖4 密封圈受力圖

    （3）    

    式中：F₂為液壓油作用在“O”型密封圈垂直方向的壓力（N）；G₁為“O”型密封圈自身重力（N）；G₂為進入“O”型密封圈中空部分液壓油的重力（N）；F₁為“O”型密封圈因膨脹而作用在密封蓋外表面和密封環內表面的壓力（N）；μ為“O”型密封圈與密封蓋外表面和密封環內表面的摩擦因數。

    由于F₁、F₂都與液壓油的設計壓力有關，是系統的內壓力，因此，不增加“O”型密封圈、密封蓋和密封環的系統內壓力，而且也防止球閥漏油。由不等式F₂+G₁+G₂≥μF₁可知：“O”型密封圈所受豎直方向的作用力大于水平方向的作用力；當球閥內液壓油的壓力消失時，這時“O”型密封圈內的液壓油壓力大于球閥內液壓油的壓力，“O”型密封圈內的高壓液壓油就回流到球閥內。

    以球閥中心線而建立三維坐標，其橢球方程為：

        （4）

    式中：α為橢球在x、y軸上的半軸長（m）；b為橢球在z軸上的半軸長（m）。即“O”型密封圈與橢球方程（4）相切是達到“O”型密封圈密封球閥內液壓油的最小邊界臨界條件，如果超過此邊界臨界條件，其密封效果更好。當“O”型密封圈處于原始狀態時，其應力張量是：

    

    當“O”型密封圈受到壓力膨脹時，其應力張量是：

    

    式中：P為應力張量增量。正是“O”型密封圈體積變化才能達到密封的良好效果。由于其受到液壓油的壓力并考慮到邊界和臨界條件的作用，當“O”型密封圈膨脹到球閥不漏油時，高壓液壓油在水平方向的流速u_水平=0，在圓周方向u_圓周臨界≤u_圓周≤υ、p_{圓周膨脹臨界}≤p≤p_設計。“O”型密封圈作用在密封蓋和密封環的壓力為F₁，其摩擦力為μF₁，考慮“O”型密封圈受力膨脹后體積應力張量的變化：

    

    由于邊界條件只有壓力F₁與摩擦力μF₁，它們都是由密封蓋和密封環自身承受。由圖3可知：新增加Δ（長度單位）的方向位移，使密封圈膨脹達到密封液壓油的目的，而且不增加系統所受的內力，如果給定橢球方程為中a、b值，通過圖2（b）、圖2（c）比較，當增加Δ（長度單位），它能夠直觀地顯示增加液壓油的壓力有利于球閥內液壓油的密封。

    圖4是“O”型密：封圈受力圖。可以看出：當增加密封圈中液壓油的壓力時，密封圈起到了密封球閥的作用，而自身受力不變，同時也不改變球閥內系統的壓力。

    2.3 理論與實踐的互化和回歸統一

    從工程設計與實踐的探索可知，球閥內液壓油泄漏是由于設計中使用密封面和護圈結構而導致的；在建立模型邊界條件的優化過程中，通過應力張量及作圖分析，改變密封面和護圈結構，應用對稱開孔的“O”型密封圈，這樣，不但使球閥內液壓油的密封效果良好，而且還不改變系統內壓力的作用。這說明理論設計與實踐應用在建模及邊界條件優化過程中相互統一。

    3 結論

    在研究和處理工程實踐問題時，實踐的檢驗固不可少，但建模理論分析尤為重要。在理論分析過程中，還必須借助作圖和邊界條件的處理來達到分析和解決問題的目的。