阀门 > 资源 > 阀门知识 > 正文
资源

密封面上的比压及其计算

来源: 上海阀门 时间: 2012-04-11 点击: 15,157

保证阀门密封性的因素很多,所有这些因素是不可能精确地进行计算的,通常,设计人员是根据产品的用途来确定启闭件的结构和密封面尺寸,当计算启闭件力时,必须确定密封面单位面积上的压力,这个压力称为比压。一般只能根据实验来确定。

一般来说,对于闭路阀启闭件保证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,为了确定能够保证密封的比压值,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。

有曾经做过用20Cr13钢制造的宽度为0.5mm的窄密封面的试验,所得出的关系式如下:

式中qMF1——密封面宽度为b1(mm)时所需的比压值(MPa);

qMF2——密封面宽度为b2(mm)时所需的比压值(MPa)。

当密封面宽度>0.5mm时,具有如下关系式:

以上关系式明显地表明,当密封面宽时,密封面不是整个表面都以相同的程度起着密封作用。

比压值q对空气渗漏量qv的影响的试验结果示于图1。

分析结果可以得出以下结论:

①每个试样都具有一定的关系式,即qv=f(q·p)。

②对数座标上各种不同p值时,qv=f(q)的函数为直线,可以用下列关系式表示:


式中qv——当压力为p时,此瞬间空气的渗漏量;

qv0——q值很小时,介质最初泄漏量;

q——在给定的瞬间作用的比压;

m——该试验的常数,与试样的材料和表面状况有关。

只有12Crl8Ni9试件的变化不符合上述规律性,这些试件曲线的斜度是变化的,随着比压q的增加,斜度愈来愈小。

以上现象可以这样解释:在变形过程中,12Cr18Ni9由于加工硬化使得本身的弹性和塑性剧烈地改变。当q值小时,比压的变化较比压大时影响空气泄漏量更为显著,与冷作硬化有关的波峰变形之后,比压的变化对qv值(空气泄漏量)的影响就小。

对平面密封面的密封性的研究,发现了如下由介质本身产生的密封比压值的变化规律,如图2所示。

当介质压力p增加时,比压q按黑体曲线增长。在到达qkp之前,试验数据非常分散(划细实线的面积)。当到达临介比压qkp时,表面的微观不平度及其他缺陷达到相互压平的程度,压力再升高时,影响就不大了,这时零件的弹性起决定性作用。当压力超过pA时,必须比压按正比例增加。在临界比压qkp范围内,用较低的比压(虚线OA)压紧密封面就可保证密封性。这样一来,以超过qkp的比压压紧后q=f(q)的关系用直线I-I表示。如果从试验获得的q值中减去介质作用力,那么密封面上的比压值qR以直线Ⅲ-Ⅲ表示。为了保证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°

在计算介质作用力FMJ时,采用密封面的平均直径Dcp,如果这样,则认为有介质作用的密封面面积上没有比压作用,如果介质压力分布在直径Dcp范围内,那么力FMJ仍在一半面积内传递,使半面直接接触。这个假设具有重要意义,不过应考虑到,密封面之间介质渗透面积的轮廓具有很复杂的形式,表面本身不是平的,吻合面上的实际比压与计算比压有很大的差别。介质作用面积随着阀杆轴向力的增加而减小,而密封面的接触面积则增大。因此,密封比压值qMF是有一定条件的,主要依赖于实验数据。若减少密封面的接触面积,必然相应地增加比压。因此,在工程上,密封比压qMF和实际比压q作用在整个密封面上。

为确定液体用常温闭路阀密封面上的密封比压值(MPa),可应用一般公式:

式中C——与密封面材料有关的系数,铸铁、青铜和黄铜C=3.0,钢和硬质合金C=3.5;铝、铝合金、聚乙烯、聚氯乙烯、PTFE、RPTFE、MOL0N、DEVLON、尼龙、PEEK、C=1.8;中等硬度橡胶C=0.4;

K——在给定密封面材料条件下,考虑介质压力对比压值的影响系数;铸铁、青铜、黄铜K=1;钢、硬质合金K=1;铝、铝合金、聚乙烯、聚氯乙烯、PTFE、RPTFE、M0LON、DEVLON、PEEK、尼龙K=0.9;中等硬度橡胶K=0.6;

p——介质工作压力,通常取公称压力PN(MPa);

bM——密封面宽度(mm)。

应用该公式时,应注意:

①所示数据适用于平面密封。

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,所示数据可保证密封(汽油和煤油除外)。

③当密封面用不同材料制造时,qMF值按较软的材料选取。

④公式适用于确定qMF=80.0MPa以下的比压值。

⑤对某些截止阀刚性较好的结构,并经过精研的密封面(表面粗糙度约0.1),允许比压值降低25%。

⑥温度升高要求增大比压,按某些数据,水的温度从15℃增加到100℃时比压就需增加1倍。

⑦表内所示的比压值适用于2级~3级密封阀门。大体上可以认为,为了保证所需的密封性,密封面的表面粗糙度需保证: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在用于腐蚀性极大的介质、常变换的氢和氮及其他极其重要介质的一级密封阀门中,上述比压值建议增大1.8倍。

⑨介质中其他杂质对比压值的影响难以准确估计,因为这些影响取决于物理特性、尺寸及介质污秽的程度。

由于手动操作或者阀门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的现象,所以,在设计过程中必须使实际比压q值不会引起过大的塑性变形,并且不改变经过研磨的表面几何形状。

为此,必须保证:

qMF<q<[q]

式中 qMF——保证密封所需比压 (MPa);

q——实际工作比压 (MPa);

[q]——密封面材料的许用比压 (MPa)。

闸阀密封面的工作条件比截止阀密封面更恶劣,因为闸阀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,计算闸阀密封比压时,推荐使用公式(1)来确定qMF

对于压力2.5MPa,常温空气用锥度为1∶7的油密封旋塞阀所作的试验表明,密封面上的比压q=0.045p2就足够了。考虑到安全,可以采用q=0.06p2。q(MPa)可以这样确定:

q=F/Aq

式中F——塞体的轴向力(N);

Aq——塞体锥面的投影面积(mm2);

式中D1——塞体大端直径(mm);

D2——塞体小端直径(mm)。

这样,可以用q值,确定塞体上的轴向力(N):

F=q·Aq

除平面密封外,截止阀中还采用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阀门广泛采用锥面密封。

根据图3b得

F=2Nsinφ+2Tcosφ

式中N——密封锥面反作用力(N);

φ——密封面锥半角(°);

F——阀杆轴向力(N);

T——密封面摩擦力(N),T=fMN;其中,fM为密封面摩擦系数。

式中Ab——密封锥面的投影面积(mm2

因此

F/Ab的值就是轴向力在锥面密封面投影面上的比压。

令F/Ab=qs

为使锥形密封面上的比压值等于qMF,计算时可应用下式:

FMF=πDMP·b·n·qMF

式中 DMP=DMN (mm)

b——锥形密封面投影宽度(mm);

式中fM——取摩擦系数=0.3。

当φ=30°时,n=1.5;

当φ=45°时,n=1.3;

当φ=60°时,n=1.2。

高压截止阀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:

当PN=32.0MPa时,qMF=92.0 MPa;

当PN=70.0MPa时,qMF=115.0MPa。

前面已推导出:

如果两种结构的DMF、b、qMF都取同样数值,得:

对于平面密封:

F=πDMP·b·qMF=FMF

对于锥面密封:

当φ=30°时,F=0.75FMF;

当φ=45°时,F=O.92MF;

当φ=60°时,F=MF°;

当fM=0.3,φ=30°,其他条件相同时,锥面密封需要的力比平面密封减少了25%。

在截止阀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,是根据必须保证接触面单位长度上的一定力为基础进行计算的。

FMF=πDMPqMX

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阀中。

当采用线接触锥形密封时,如图4c所示。

FMF=πDMP·qMX·nx

nx——采用下列数值:

当φ=30°时,nx=0.75;

当φ=45°时,nx=0.9;

当φ=60°时,nx=1.0。

对于钢及钴铬钨硬质合金的线密封许用比压[qx]≤120.0MPa。

球阀厂家-天沃,与您资料共享!

相关产品

go top