保證閥門密封性的因素很多,所有這些因素是不可能精確地進行計算的,通常,設計人員是根據産品的用途來確定啓閉件的結構和密封面尺寸,當計算啓閉件力時,必須確定密封面單位面積上的壓力,這個壓力稱爲比壓。一般只能根據實驗來確定。
一般来说,对于闭路阀启闭件保證密封性所必须的比压取决于密封面的宽度、材料及介质工作压力,为了确定能够保證密封的比压值,曾进行了大量的研究工作,但是由于研究结果差异很大,因此,还不能编制一个统一的规范。
有曾經做過用20Cr13鋼制造的寬度爲0.5mm的窄密封面的試驗,所得出的關系式如下:

式中qMF1——密封面寬度爲b1(mm)時所需的比壓值(MPa);
qMF2——密封面寬度爲b2(mm)時所需的比壓值(MPa)。
當密封面寬度>0.5mm時,具有如下關系式:

以上關系式明顯地表明,當密封面寬時,密封面不是整個表面都以相同的程度起著密封作用。
比壓值q對空氣滲漏量qv的影響的試驗結果示于圖1。

分析結果可以得出以下結論:
①每個試樣都具有一定的關系式,即qv=f(q·p)。
②對數座標上各種不同p值時,qv=f(q)的函數爲直線,可以用下列關系式表示:


式中qv——當壓力爲p時,此瞬間空氣的滲漏量;
qv0——q值很小時,介質最初泄漏量;
q——在給定的瞬間作用的比壓;
m——該試驗的常數,與試樣的材料和表面狀況有關。
只有12Crl8Ni9試件的變化不符合上述規律性,這些試件曲線的斜度是變化的,隨著比壓q的增加,斜度愈來愈小。
以上現象可以這樣解釋:在變形過程中,12Cr18Ni9由于加工硬化使得本身的彈性和塑性劇烈地改變。當q值小時,比壓的變化較比壓大時影響空氣泄漏量更爲顯著,與冷作硬化有關的波峰變形之後,比壓的變化對qv值(空氣泄漏量)的影響就小。
對平面密封面的密封性的研究,發現了如下由介質本身産生的密封比壓值的變化規律,如圖2所示。
當介質壓力p增加時,比壓q按黑體曲線增長。在到達qkp之前,試驗數據非常分散(劃細實線的面積)。當到達臨介比壓qkp時,表面的微觀不平度及其他缺陷達到相互壓平的程度,壓力再升高時,影響就不大了,這時零件的彈性起決定性作用。當壓力超過pA時,必須比壓按正比例增加。在臨界比壓qkp范围内,用较低的比压(虚线OA)压紧密封面就可保證密封性。这样一来,以超过qkp的比壓壓緊後q=f(q)的關系用直線I-I表示。如果從試驗獲得的q值中減去介質作用力,那麽密封面上的比壓值qR以直线Ⅲ-Ⅲ表示。为了保證密封面间所要求的密封性,比压值应按规定的Ⅱ-Ⅱ线选取,它考虑了安全系数,当压力接近零时,比压不应小于qmin°
在計算介質作用力FMJ時,采用密封面的平均直徑Dcp,如果這樣,則認爲有介質作用的密封面面積上沒有比壓作用,如果介質壓力分布在直徑Dcp範圍內,那麽力FMJ仍在一半面積內傳遞,使半面直接接觸。這個假設具有重要意義,不過應考慮到,密封面之間介質滲透面積的輪廓具有很複雜的形式,表面本身不是平的,吻合面上的實際比壓與計算比壓有很大的差別。介質作用面積隨著閥杆軸向力的增加而減小,而密封面的接觸面積則增大。因此,密封比壓值qMF是有一定條件的,主要依賴于實驗數據。若減少密封面的接觸面積,必然相應地增加比壓。因此,在工程上,密封比壓qMF和實際比壓q作用在整個密封面上。
爲確定液體用常溫閉路閥密封面上的密封比壓值(MPa),可應用一般公式:

式中C——與密封面材料有關的系數,鑄鐵、青銅和黃銅C=3.0,鋼和硬質合金C=3.5;鋁、鋁合金、聚乙烯、聚氯乙烯、PTFE、RPTFE、MOL0N、DEVLON、尼龍、PEEK、C=1.8;中等硬度橡膠C=0.4;
K——在給定密封面材料條件下,考慮介質壓力對比壓值的影響系數;鑄鐵、青銅、黃銅K=1;鋼、硬質合金K=1;鋁、鋁合金、聚乙烯、聚氯乙烯、PTFE、RPTFE、M0LON、DEVLON、PEEK、尼龍K=0.9;中等硬度橡膠K=0.6;
p——介質工作壓力,通常取公稱壓力PN(MPa);
bM——密封面寬度(mm)。
應用該公式時,應注意:
①所示數據適用于平面密封。
②密封面经过精磨,表面粗糙度达到0.2。在工业净水或其他不含污物硬杂质的液体介质中工作时,所示数据可保證密封(汽油和煤油除外)。
③當密封面用不同材料制造時,qMF值按較軟的材料選取。
④公式適用于確定qMF=80.0MPa以下的比壓值。
⑤對某些截止閥剛性較好的結構,並經過精研的密封面(表面粗糙度約0.1),允許比壓值降低25%。
⑥溫度升高要求增大比壓,按某些數據,水的溫度從15℃增加到100℃時比壓就需增加1倍。
⑦表内所示的比压值适用于2级~3级密封閥門。大体上可以认为,为了保證所需的密封性,密封面的表面粗糙度需保證:1级密封一表面粗糙度不低于0.1,2级密封—表面粗糙度不低于0.2,3级密封一表面粗糙度不低于0.4。
⑧在用于腐蝕性極大的介質、常變換的氫和氮及其他極其重要介質的一級密封閥門中,上述比壓值建議增大1.8倍。
⑨介質中其他雜質對比壓值的影響難以准確估計,因爲這些影響取決于物理特性、尺寸及介質汙穢的程度。
由于手动操作或者閥門关闭后介质压力的变化,密封面上经常会产生比压值显著超过qMF的現象,所以,在設計過程中必須使實際比壓q值不會引起過大的塑性變形,並且不改變經過研磨的表面幾何形狀。
为此,必须保證:
式中 qMF——保證密封所需比压 (MPa);
q——实际工作比压 (MPa);
[q]——密封面材料的许用比压 (MPa)。
閘閥密封面的工作条件比截止閥密封面更恶劣,因为閘閥密封面间有滑动摩擦,会引起密封面的磨损,而且当比压大时会引起咬住或擦伤的危险,计算閘閥密封比压时,推荐使用公式(1)来确定qMF。
對于壓力2.5MPa,常溫空氣用錐度爲1∶7的油密封旋塞閥所作的試驗表明,密封面上的比壓q=0.045p2就足夠了。考慮到安全,可以采用q=0.06p2。q(MPa)可以這樣確定:
式中F——塞體的軸向力(N);
Aq——塞體錐面的投影面積(mm2);

式中D1——塞體大端直徑(mm);
D2——塞體小端直徑(mm)。
這樣,可以用q值,確定塞體上的軸向力(N):
除平面密封外,截止閥中还采用φ=30°~45°的锥面密封,如图3a所示。锥面密封研磨比较困难,因为不能用平面研磨工具,此外,当φ角较小时,温度变化会引起阀瓣被卡死现象,当阀座直径较大和作用力大时,楔子的作用力可以导致镶嵌的阀座产生变形。但是,锥面密封不易积存污物,而轴向力相同时比平面密封的比压要大,因此,公称尺寸较小和极重要的閥門广泛采用锥面密封。
根據圖3b得
式中N——密封錐面反作用力(N);
φ——密封面錐半角(°);
F——閥杆軸向力(N);
T——密封面摩擦力(N),T=fMN;其中,fM爲密封面摩擦系數。

式中Ab——密封錐面的投影面積(mm2)
因此

F/Ab的值就是軸向力在錐面密封面投影面上的比壓。
令F/Ab=qs

爲使錐形密封面上的比壓值等于qMF,計算時可應用下式:
式中 DMP=DMN (mm)
b——錐形密封面投影寬度(mm);

式中fM——取摩擦系數=0.3。
當φ=30°時,n=1.5;
當φ=45°時,n=1.3;
當φ=60°時,n=1.2。
高压截止閥阀瓣被制造成锥面密封形式,阀座密封面锥半角用45°,密封锥面宽度为0.4~0.6mm,按此公式计算,必须比压取:
當PN=32.0MPa時,qMF=92.0 MPa;
當PN=70.0MPa時,qMF=115.0MPa。
前面已推導出:

如果兩種結構的DMF、b、qMF都取同樣數值,得:
對于平面密封:
對于錐面密封:
當φ=30°時,F=0.75FMF;
當φ=45°時,F=O.92MF;
當φ=60°時,F=MF°;
當fM=0.3,φ=30°,其他條件相同時,錐面密封需要的力比平面密封減少了25%。
在截止閥中也采用线接触密封。如图4所示。实际上密封不可能是一条线,而是密封面宽度很窄的平面,因为在阀杆轴向力下,密封面会有某种程度的变形。如图4所示,是根据必须保證接触面单位长度上的一定力为基础进行计算的。
如图4b所示,锥形截面密封成功地应用于带有硬质颗粒的污秽介质的截止閥中。
當采用線接觸錐形密封時,如圖4c所示。

nx——采用下列數值:
當φ=30°時,nx=0.75;
當φ=45°時,nx=0.9;
當φ=60°時,nx=1.0。
對于鋼及钴鉻鎢硬質合金的線密封許用比壓[qx]≤120.0MPa。

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