閥門設(shè)計基本理論研究與探討

閥門設(shè)計是一個綜合考慮工藝、裝置、性能以及成本等要素的設(shè)計活動，工藝、裝置是保證，功能是目的，性能以及成本是優(yōu)化目標(biāo)。只有綜合考慮各種要素，才可設(shè)計出比較令人滿意的設(shè)計方案。為了便利工藝完成，對產(chǎn)品類似結(jié)構(gòu)特征，可以實施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，便于刀量夾具的借用。設(shè)計的裝置要素即設(shè)計方案的多個零件能順利完成拼裝，相互拼裝的零件要有裝置面（內(nèi)六角或者外六角等），盡量選用便于組裝的零件結(jié)構(gòu)（比方組裝不需區(qū)分組裝方向的對稱結(jié)構(gòu)等）。針對尺寸相近的零件，盡量做成共用件，便利管理；針對無法共用的零件，做出差異，防止混料。設(shè)計的功用要素即開發(fā)產(chǎn)品所完成的基本功用，例如截止、穩(wěn)壓、防止逆流、分流或溢流泄壓等功用。此外，閥門產(chǎn)品應(yīng)盡量操作簡略，便于裝置拆開以及保護(hù)替換，針對調(diào)節(jié)類閥門，還應(yīng)設(shè)計防誤操作功用。 
設(shè)計的性能因素即產(chǎn)品的使用安全性、可靠性，不會對使用者、使用環(huán)境造成損傷，具備一定的強度要求，比如機械性能（扭矩、彎矩）、耐壓性能（低壓、高壓）、疲勞強度（冷熱水循環(huán)、抗脈沖性、壽命）、環(huán)境模擬適用性等。設(shè)計的成本因素，即實現(xiàn)技術(shù)功能、滿足預(yù)定技術(shù)性能要求的同時，盡量優(yōu)化結(jié)構(gòu)，用盡量少的零件個數(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，用盡量簡單的加工工藝實現(xiàn)零件加工生產(chǎn)，降低工程造價和產(chǎn)品價格，對社會產(chǎn)生積極作用（避免環(huán)境污染，維護(hù)生態(tài)平衡，促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展）。 
2 閥門的設(shè)計 
2.1 殼體壁厚設(shè)計 
在對閥門承壓殼體的設(shè)計過程中，需要設(shè)計人員充分考慮到閥門在實際運用過程中承受的最大壓力值，并將最大值設(shè)計成殼體的耐壓額定值，從而保證殼體設(shè)計的科學(xué)性和合理性。 
2.2 閥門閥體、閥蓋密封結(jié)構(gòu)設(shè)計 
2.2.1 強制密封 
強制密封結(jié)構(gòu)，其設(shè)計的原理是：對法蘭螺栓進(jìn)行擰緊，對密封墊片產(chǎn)生一個壓力，使墊片產(chǎn)生壓縮變形，然后密封結(jié)構(gòu)中表面的縫隙就會被填滿，從而起到密封效果。 
2.2.2 伍德密封 
伍德密封結(jié)構(gòu)，其主要由以下部分組成：閥體、浮動閥蓋、密封環(huán)、密封墊、四開環(huán)、支承環(huán)、牽制螺栓。在其進(jìn)行升壓操縱之前，需要操作人員對螺栓進(jìn)行預(yù)緊，使浮動閥蓋上移，從而保證閥蓋同彈性楔形墊之間形成密封力。當(dāng)對密封件進(jìn)行施壓時，閥蓋會有向上的趨勢，此時，閥蓋和楔形密封墊之間的密封比壓會隨著壓力的增加而增加，最終達(dá)到預(yù)期密封效果。在閥體同密封環(huán)接觸的地方，為了提高密封結(jié)構(gòu)的硬性要求，可以采用堆焊硬質(zhì)合金處理來達(dá)到相應(yīng)的目的。 
2.3 密封副設(shè)計 
在閥座的設(shè)計過程中，軟密封閥門的密封面一般采用橡膠、PTFE（或RPTFE）、尼龍或PEEK（聚醚醚酮）等材料作為密封材料，應(yīng)保證閥門的設(shè)計密封比壓不小于材料的密封比壓。對硬密封閥門，其密封面需要采取堆焊或噴焊司太立（STL）處理，從而保證密封面的強度和使用性能。在對填料部分的設(shè)計過程中，設(shè)計人員最好采用柔性石墨夾不銹鋼絲編制填料以適當(dāng)增強填料，在一些特殊工況，應(yīng)采用碟形彈簧加載的動負(fù)載結(jié)構(gòu)。 
2.4 連接螺栓的設(shè)計 
第一，設(shè)計人員需要保證螺栓在工作環(huán)境下不會出現(xiàn)螺紋咬死的情況；第二，由于工作環(huán)境的特殊性，螺栓在設(shè)計時，最好選擇粗牙型螺紋，并且還要加大螺紋的中徑間隙；第三，為了避免螺栓在實際工作時，出現(xiàn)力相對較松弛的現(xiàn)象，設(shè)計人員在具體方案設(shè)計的過程中，需要保證剩余預(yù)緊力超出實際需求值，從而保證其連接穩(wěn)固，必要時，可控制螺栓的旋緊扭矩。 
3 閥門設(shè)計中的幾個關(guān)鍵技術(shù) 
3.1 熱膨脹量 
在對閥門進(jìn)行設(shè)計的過程中，尤其是高溫閥門的設(shè)計，熱膨脹是材料的一個重要物理現(xiàn)象，其膨脹量的大小直接決定了閥門是否能夠有效工作，因此，設(shè)計人員需要將材料的熱膨脹量以及零部件承受熱載差別因素都考慮進(jìn)去。同時，因為閥門不同部位的散熱條件存在差異，因此其熱膨脹量也是存在差異的。這就需要設(shè)計人員具體情況具體分析，并在閥門零件工作間隙變化的情況下，保證零件之間不會出現(xiàn)卡死、擦傷等情況，并最大限度減少高溫對零件產(chǎn)生的損傷。 
3.2 熱交變 
在設(shè)計人員進(jìn)行實際設(shè)計的過程中，需要規(guī)定閥座和支撐件之間的接頭為焊接或者是螺紋，保證其密封性。除此之外，大口徑的閥門需要對閥座進(jìn)行堆焊，從而避免同高溫介質(zhì)接觸較多的閥門零件受到交變應(yīng)力的影響而出現(xiàn)過度疲勞現(xiàn)象。同時，還應(yīng)該將熱交變情況對閥座結(jié)構(gòu)以及效果評價的影響因素考慮進(jìn)去，從而減少熱交變對閥門設(shè)計的影響，延長閥門的使用壽命。 
總之，閥門設(shè)計時，應(yīng)充分明確設(shè)計輸入要求，確定產(chǎn)品型號，在產(chǎn)品設(shè)計時綜合考慮各種因素，通過風(fēng)險分析，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，盡可能地減少或降低失效風(fēng)險，提高閥門產(chǎn)品質(zhì)量。 
參考文獻(xiàn)： 
[1]張曉，余曉明，朱祥政等.球閥球體與閥桿一體化設(shè)計與分析[J].機械制造，2014（01）.