3.5 阀杆材料选择与力矩计算
3.5.1 阀杆材料选择
阀杆作为球阀的重要受力零件，其材料必须具有足够的强度和韧性，能耐介质、抵抗气体及填料的腐蚀，耐擦伤，工艺性好；材料选用主要通过工况和设计压力来选择。
3.5.2 阀杆填料的选择、填料摩擦力及摩擦转矩的计算
（1）填料选择
阀杆常用填料主要有V形填料、圆形片状填料及O形密封圈等三种。
阀门对填料的要求：耐腐蚀、密封性好、摩擦系数小、腐蚀性小。
由于圆形片状填料往往容易发生松弛而使密封比压减小，以致密封遭到破坏时，聚四氟乙烯填料具有硬质性能，因此选用聚四氟乙烯填料。
（2）填料摩擦力计算
填料与阀杆之间的摩擦力Ff可按式（3-52）计算：
（3-52）
式中 μT —填料与阀杆之间的摩擦系数，取0.05；
Z —填料圈数，Z=3；
H —单圈填料高度，mm，H=1.5mm；
dT —阀杆直径，mm，取60mm；
p —额定压力，MPa，取0.3MPa。
则
（3）阀杆台肩与之退点之间的摩擦力的计算
摩擦力FM计算公式如下：
式中 DT —台肩外径或止推外径，mm，取86mm；
dT —阀杆直径，mm，取60mm；
μT —摩擦系数，取0.05；
p —额定压力，MPa，取0.3MPa。
（4）填料及止推垫的摩擦转矩计算
填料转矩Mf计算公式如下：
止推垫片的摩擦转矩Mu计算如下：
球体与阀座密封面间的摩擦转矩Mm计算如下：
（3-53）
式中 Q —球体与阀座之间的密封力，N，Q=6380N；
r —摩擦半径，mm。
根据式（3-53）可得：
。
由此可知球阀的转矩M为：
3.5.3 阀门填料函设计计算
填料密封是用填料堵塞泄漏通道，阻止泄漏的一种古老密封型式。填料密封主要用于动密封，也可用于静密封。它广泛应用于泵、压缩机、制冷机、搅拌机及各种阀门、阀门的旋转密封。填料函结构设计的合理与否直接关系到产品的使用性能。因此，在填料函结构设计中，填料函的尺寸选择、填料压紧力与摩擦力的计算是产品设计的关键组成部分。本文就阀门填料函设计中的计算方法进行简单介绍，示意图如图3-5所示。
图3-5 填料结构示意图
1—阀杆；2—填料压盖；3—填料面
（1）填料函密封原理
阀门填料较常选用的是含有碳纤维或石棉的软质填料，为了减小摩擦力，一般在填料中加入适当的润滑剂。填料压盖对填料函内的填料进行轴向压缩，填料的塑性变形使其产生径向压力，并抱紧阀杆。同时，填料中加入的润滑剂被挤出，在接触面间形成油膜。由于接触状态不均匀，接触部位出现边界润滑状态，未接触的凹部形成小油槽，有较厚的油膜层。当阀杆与填料有相对运动时，接触部位与不接触部位组成一道不规则的迷宫，从而起到阻止介质泄漏的作用。
（2）填料函尺寸设计
填料函尺寸主要包括填料高度H和填料宽度S，这两个尺寸选取主要根据设计压力、密封口径、使用温度等因素来确定。
对于低压不甚重要的产品，填料高度H一般取(3～5)S，对密封要求较严的高压介质取10S以内。
填料宽度一般取：
式中 dc—阀杆直径，mm。
填料宽度对阀门密封和填料拆卸都有很大影响。填料越宽，填料越容易受力不均，需要的填料压紧力就越大；反之，较易达到密封，但同时易造成阀杆振摆，磨损快，寿命短。因此，阀门设计时应选择合适的填料宽度。目前，很多国家的填料函尺寸都已经标准化，填料高度可以根据实践多加（1～2）S，多余的填料可以在保证密封的同时作为补偿备用，便于多次拧紧，延长填料使用寿命。阀门填料函尺寸可以参照相关文献或标准进行计算和选取。
（3）填料压紧力计算
为了保证填料的密封性，必须使填料函下部的填料对阀杆产生的径向压力大于介质压力，并由此确定需要多大的填料压紧力。取高度为dy的一圈填料来分析填料函的内作用力，如图3-4所示。在填料压盖传递力的作用下，弹性填料内产生的轴向压力py，由于存在摩擦力，此轴向压力随填料的高度而变化；同时弹性填料也产生径向压力px，径向压力同样随高度而变化。试验证明，py值总是大于px值。暂用公式（3-54）表示py与px的关系：
（3-54）
式中，n为大于1的比例系数，其值视填料的弹性、密封压力、填料断面尺寸而定，软质填料的n值可查表3-3。
表3-3 软质填料系数n值
分析中，假定填料截面和n值均为常数，可查表3-3求得，取填料作用在阀杆表面与填料函表面的两摩擦系数平均值为f进行计算。则填料环部分的力平衡方程可以表示为：
（3-55）
综上及
，简化得到
（3-56）
保证密封的必要条件是当y=H时，
，p为介质压力。当
，得出最小压紧力值。
为了确定距A—A线为距离y的截面上的py，将式（3-56）求y至H段的积分得到：
（3-57）
即
（3-58）
压紧填料所需的单位压力pc即为y=0时的pv值。
即
（3-59）
压紧填料所需要的力为：
（3-60）
代入式（3-60）得：
（3-61）
简化后得
（3-62）
式中，
为比例系数。
由表3-3知，n=1.4符合填料的最大塑性条件，得出的是必须压紧力的最小值。为了把
值换算成其他n值时的
值，可将其乘以i=n/1.4。表3-4中所列的数值根据以下情况确定：用压紧填料的方法使最下面的填料圈压紧在阀杆上造成等于介质工作的压力，因此，介质不能把填料挤出和从阀杆与填料之间渗出。
（4）填料与阀杆间的摩擦力计算
单元填料的厚度为dy，填料与阀杆间的摩擦力T可以表示为：
（3-63）
根据式
和
，积分整理得
（3-64）
在n=1.4时
（3-65）
令
，则
（3-66）
式中，y 值可通过表3-4查得。在选用其他n值时，表3-4中的y 值应乘以
。
表3-4 软质石棉填料系数（n=1.4）
表3-5 材料的许用扭转应力 单位：MPa
3.5.4 阀杆强度计算
阀杆上的转矩分布图如图3-6所示，其中Ⅰ—Ⅰ面的扭矩应力计算可作为设计时初定阀杆直径用。
图3-6 阀杆扭矩示意图
（1）Ⅰ—Ⅰ断面处的扭转应力
(MPa)
（3-67）
式中 Mm —阀座密封面与球体间的摩擦转矩，
；
[τN] —材料许用扭转应力，MPa，取90MPa；
W —Ⅰ—Ⅰ断面的抗扭矩系数，
。
查表3-6，a取0.156。
表3-6 系数的α值
则
mm3 （3-68）
（3-69）
满足要求。
（2）Ⅳ—Ⅳ断面处的剪切应力
(MPa)
（3-70）
式中 D —阀杆头部凸肩的直径，mm，D=86mm；
d —阀杆直径，mm，d=60mm；
H —阀杆头部凸肩的高度，mm，H=20mm；
p —流体的工作压力，MPa，p=0.3MPa；
[τ] —材料的许用剪切应力，MPa，查表取85MPa。
（3-71）
（3）Ⅲ—Ⅲ断面处的扭转应力
（MPa）
（3-72）
式中 M —总摩擦转矩，N·mm，取1363998.67
；
W —Ⅲ—Ⅲ断面处的抗扭转断面系数。
（3-73）
根据式（3-72）可得
（4）Ⅱ—Ⅱ断面处的抗扭转断面系数
由于阀杆和涡轮采用键连接故Ⅱ—Ⅱ面与Ⅳ—Ⅳ断面处的扭转应力相同，无需再进行校核。
综上，阀杆的应力均符合要求。
3.5.5 阀杆连接件的强度计算
阀杆连接件采用平键连接，因为平键结构简单、成本低及替换方便。
根据阀杆直径为60mm，可知平键的尺寸，选用bh为18´11的普通平键。下面是平键的强度计算。
（1）平键的强度计算
平键的比压按式（3-74）计算。
（3-74）
式中 T —转矩，N·mm，对于阀杆驱动装置连接部分：T=M；对于阀杆与球体连接部分：T=T；
N —键数；
L —键的工作长，mm，L=0.3a=30mm；
K —键和轮毂键槽的接触高度，mm，查得K=4mm；
d1 —轴的直径，mm，查得d=250mm；
[p] —许用压力，MPa，查表得[p]=137MPa。
（3-75）
故校核满足。
（2）平键剪切力计算
剪切力τ按式（3-76）进行计算。
（3-76）
式中，[τ]—许用剪切应力，MPa，查表取[τ]=90MPa。
T，d1，L，N与之前相同，b如图3-7所示。
图3-7 球阀平键示意图
3.5.6 阀座设计与计算
根据阀门泄漏的部位和性质，尚有内漏和外漏之分。对球阀而言，内漏发生在阀座与球体和阀座与阀体之间的接触面上；外漏则发生于填料函上，也有可能在连接法兰与垫片之间。
阀门内漏的流体虽然未流到外界，不会污染环境，也没有流体损失，但危害性十分严重，轻则影响产品质量，重则由于渗漏串通将酿成恶性事故。
球阀阀座主要有普通阀座和弹性阀座两种。普通阀座的特点是：在预紧力或者流体压力的作用下，阀座与球体压紧，并使阀座材料产生塑性变形而达到密封。弹性阀座除了与普通阀座和弹性阀座一样，在预紧力或流体压力（或者两者兼有之）作用下，阀座材料产生塑性变形而达到密封外，还由于阀座本身的特殊结构或者借助于弹性元件，如金属弹性骨架、弹簧等办法，在预紧力或流体压力下产生弹性变形，以补偿温差、压力、磨损等外界条件变化对球阀密封性能的影响。
普通球阀的密封效果取决于阀座在流体压力或者预紧力的作用下，能够补偿球体的不圆度和表面微观不平度的程度。因此，阀座与球体之间必须具有足够大的密封比压 ，并满足以下条件：
（3-77）
式中 qb —保证阀门的密封时的必需比压，MPa；
q —阀门工作时的实际比压，MPa；
[q] —阀座材料的许用比压，MPa。
普通阀座垫片的结构如图3-8所示，结构简单，加工制造最简单，应用比较普遍。但这种阀座在装配时，调试比较困难，因为要达到密封所必需的比压，需要拆卸阀体中的法兰，调配左、右阀体之间的密封垫片的厚度。
图3-8 阀座垫片
1—填料；2—密封圈；3—压环
弹性阀座是20世纪70年代初才出现的新型阀座结构，其发展正方兴未艾。它们都是针对特定工况条件研究设计的，其结构和种类繁多。
斜面弹性阀座有单斜面和双斜面之分，单斜面弹性阀座结构简单，加工制作方便，弹性补偿能力差是其缺点。这种弹性阀座适用于DN＜250mm的偏心球阀。
所以本次设计选择弹性阀座。
根据式（3-76）得
