一种四位四通高压球阀的设计*

王 抓，仝继钢，李彦卿，江 澎

(凯迈(洛阳)气源有限公司，河南洛阳 471003)

0 引言

四位四通高压球阀(以下简称“球阀”)主要用于某型民机的应急系统。根据相关的技术要求，在球阀的设计过程中，通过旋转手柄实现球阀的四位四通功能，给应急系统供气或放空;手柄端部设计有气体流向箭头，用于指示气体方向;同时设计了球阀的手柄转动限位及密封补偿结构，实现手柄转动过程中的限位及密封补偿。

1 工作原理

球阀工作原理见图1。P为进气口，当手柄在0位时，气瓶中的气体不进入系统;当手柄指向1位时，气瓶中气体通过01孔进入系统执行相关工作，此时02孔被隔离;当手柄指向2位时，气瓶中的气体通过02孔进入系统执行相关工作，同时01孔也是贯通的，仍能进气工作;确认飞机放到位后，手柄指向3位，气瓶中的气体不能进入系统，且系统中的气体从01、02孔流入大气中。待飞机停稳后，手柄归位到0位。

图1 四位四通高压球阀气路原理图

2 结构设计

2.1 总体结构设计

根据球阀的工作原理，设计了如图2所示球阀结构，主要有手柄、轴承、压紧盖、密封衬套、碟形弹簧、阀座、阀座衬套、阀体、球形阀杆、弹簧、弹簧座、钢球、O形圈等组成。

图2 四位四通高压球阀结构总图

2.2 阀体设计

阀体是球阀的主要载体，同时决定着球阀的承压能力，阀体结构如图2所示，材料选择1Cr17Ni2不锈钢，热处理HRC28～32，静强度计算按第一强度理论［1］分析，一般采用薄壁公式计算。所有球阀阀体均会经受耐压试验，保证使用的安全性:

式中:Pb为球阀工作压力，MPa;σb为材料抗拉强度，MPa;S为阀体(薄弱处)壁厚，mm;D为阀体(薄弱处)外径，mm。

2.3 手柄转动限位结构设计

在球阀工作过程中，通过控制手柄的转动控制球阀的开关，因此，手柄的转动位置成为球阀开关的关键。为了较精确的控制球阀的开关，在设计时需对手柄的转动位置及角度进行限制，手柄限位设计如图3所示，限位结构主要有手柄、钢球、弹簧及阀体等组成。手柄下表面沿圆周方向设计一定深度的球形凹弧，位置与阀体上的接口位置一一对应，在阀体上设计1个弹簧孔，位置与图1中的P进气口位置对应，弹簧在装配过程中产生一定的预紧力，手柄下表面与阀体的上表面距离设计为0.5 mm，避免两者产生转动摩擦。手柄在转动过程中，钢球在弹簧力的作用下顶入手柄上的球形凹弧，起到手柄转动限位的作用。

图3 手柄限位结构示意图

2.4 密封补偿结构设计

球阀的密封结构见图4，主要有球形阀杆、阀座、碟形弹簧、弹簧座、阀体等零件组成，密封副［2］采用非金属对金属(阀座与球形阀杆)的密封结构，当压差大到一定程度，即在密封副表面造成一定的压紧比压时，将引起阀座弹塑性变形，达到密封效果，该结构比采用密封副为金属对金属的结构更容易满足密封要求，尽管如此，要长期保证密封仍然比较困难，因此通过碟形弹簧进行密封补偿，碟形弹簧的作用力或预压缩产生的密封力使球形阀杆与阀座相互紧靠、接触、甚至嵌入，以较小或消除密封面之间的间隙而保证产品的长期密封。球形阀杆选用1Cr17Ni2不锈钢材料，球面粗糙度要求0.4以上，阀座选用聚四氟乙烯材料，与球的接触面粗糙度要求0.4以上，保证了产品的密封性能。

2.4.1 密封比压

密封比压(必需比压)［2－3］是为保证密封，密封面单位面积上所需的最小压力，qb表示。必需比压是球阀设计中最基本的参数之一，它直接影响产品的性能及结构尺寸。必需比压与很多因素有关，主要取决于加工质量、尺寸、工作压力和温度。本球阀必需比压计算采用了参考文献［2］中提供的常用经验公式:

式中:m为与流体性质有关的系数;a、c为与密封面材料有关的系数(密封面采用两种不同材料时，按硬度较低的材料计算);P为流体的工作压力(MPa);b为密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度，b= tcos β(mm);t为密封面的宽度(mm)。

2.4.2 碟形弹簧预紧力

碟形弹簧的预紧力Q1［3－4］即保证产品的密封性又要进行压力补偿，本球阀设计时按如下公式进行了计算:

式中:qmin为预紧力所需的最小比压，取qmin=0.1P (MPa);P为流体的工作压力(MPa);D1、D2分别为阀座的内径与外径(mm)。

图4 密封结构示意图

3 结语

四位四通球阀能够实现多路气体的流通和闭合，随着我国工业化的高速发展，国防、冶金、石油、化工等行业也迅速发展，对高压球阀的质量要求越来越高、数量越来越多，对高压球阀的性能和使用环境也提出了更高的要求。鉴于此，在今后的球阀设计过程中也应不断的适应社会的需求。

［1］ 吴宗泽.机械设计师手册［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［2］ 章华友，陈元芳.球阀设计与选用［M］.北京:北京科学技术出版社，1992.

［3］ 沈阳阀门研究所.阀门设计与计算编写组.阀门设计［Z］.沈阳，1976.

［4］ 杨源泉.阀门设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1995.