浙江水利水电学院（设计）
3.2密封力的计算
3.2.1密封力基本参数确定
阀门要求零级密封，以确保对下游端管线的有效截断。考虑介质中金属颗粒对零级密封的影响，金属对金属密封作为初级密封， PTFE/橡胶等对金属作为次级密封，以及一旦密封失效时应采取紧急密封措施。
密封力，即作用于阀座密封面上的沿流体流动方向上的合力，其值直接影响球阀的密封性、可靠性和使用寿命。密封力Q0是流体压力在阀座上引起的作用力、预紧力和阀座滑动摩擦力的合力：
Q0?QMJ?QT?Q1?Q2?QJ
表1 密封力相关符号定义
符号 Q0 定 义 阀座密封面上的合力 预紧所必须的最小比压 密封面达到密封状态的最小预紧力 正常工作情况下（装置未作用），阀座滑动摩擦力 描 述 Q0?QMJ?QT?Q1?Q2?QJ qmin?0.1PN且大于2MPa qmin Q1 Q2 Q2' Q1??42qmin(d12-d2) Q2?4?D1F0'?2F0 Q2'?4?(1.05D1)F0' Q2''=Q2?(?D3?F0'??D3?PN?C??0)?(?D4?F0'??D4?PN?C??0)系统预紧情况下，阀座滑动摩擦力 正常工作情况下（装置开启），阀座滑动摩擦力 Q2'' QMJ PJ 流体静压力在阀座密封面上的作用力 余隙中的平均压力 流体静压力在密封面余隙中的作用力 特殊装置作用力 密封面外径 QMJ??42PN(D12?d2) PJ?1PN 2QJ QD d1 QJ?QD??42PJ(d12?d2) ?422?(D4-D3)?PN 11
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d2 D1 密封面内径 阀座外径 特殊装置作用内径 特殊装置作用外径 O型圈最初弹性压缩在单位长度的接触面上产生的摩擦力 在流体压力作用下O型圈产生的摩擦力 密封面面积 O型圈所在槽宽度 O型圈截面直径 O型圈挤压压缩后外径（取压缩量为12%） 沟槽直径 聚四氟乙烯对锻钢的摩擦系数 取F0'?0.25N/mm F0??D1?PN?C??0 D3 D4 F0' F0 AMF ?AMF?42?(d12-d2)Sin? C d0 ?4?d02?C(D'-DG) 2 D' DG ?0 ?0?0.1 根据已知球体通孔加工尺寸为180mm，阀座内径亦取180mm。为保证密封面能达到较好的密封效果，同时避开阀座特殊功能结构，由球体直径为
SD?332mm，取定密封面内径d2?202mm，则密封面外径为d1?208mm。同时
初步确定阀座外径D1?216mm。又由密封面所在圆锥面与球体相切，求得该圆锥面母线与阀座轴向夹角为??52?，密封面宽度为
l=bM3mm??3.81mm Sin?0.788密封面在液体流动方向上的投影面积为:
AMJ??42(d12?d2)
?AMJ?1931.1mm2
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同时得出密封面面积为：
?AMF?42?(d12-d2)0.25?3.14?(2082?2022) ?Sin?Sin52??AMF?2450.60 mm2
由上述数据得，阀座密封面的平均直径dm?205mm，D1?216mm；由于
D1?dm，故这种密封方式属于阀前密封方式。采用这种密封形式的球阀工作可靠
性在很大程度上取决于D1和dm的比值。如果D1和dm的比值不够大，将不能保证球阀的密封性。但比值过大是，将会引起阀座过载，从而使球阀的转矩增大。 预紧所必须的最小比压根据公式：
qmin?0.1PN?0.1?42?4.2MPa>2MPa
?qmin?4.2MPa
密封副弹性元件材料为A，其提供的预紧力为：
Q1??42qmin(d12-d2)=?42?0.1PN?(d12-d2)=?4?4.2?(2082-2022) N
?Q1?8110.62 N
3.2.2密封力的详细计算
①预紧状态下密封力的计算
预紧状态下球阀密封力分析（如图4）：
Q1
图4 预紧状态下球阀密封力分析
密封力Q0'是球阀预紧状态下，弹簧预紧力和阀座滑动摩擦力的合力：
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Q0'=QT?Q2'?Q1 ?QT?Q1?Q2' QT?Q1?4?(1.05D1)F0' ?QT?8822.77 N
为保证预紧状态下密封效果，设计预紧力QT取其计算最小值的1.5倍，同时取一个比较好计算的数字，取QT?13000N。
此预紧力由阀座支撑弹簧提供，弹簧选型和具体设计将在下文进行详细说明，此处暂不细述。
② 正常工作状况下密封力的计算——特殊装置未开启
Q1
图5 特殊装置未开启时密封力
此时流体静压力在阀座密封面上的作用力为：
QMJ??42PN(D12?d2)?0.25?3.14?42?(2162-2022)
?QMJ=192940.44 N
密封余隙中的平均压力为：
PJ?11PN??42 22?PJ?21MPa
则流体静压力在密封面余隙中的作用力为：
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QJ??42PJ(d12?d2)?0.25?3.14?21?(2082-2022)
?QJ?40553.1 N
由于阀座在工作环境下与连接体有相对滑动，故密封选择根据动密封选型原则进行甄选，再由公称压力PN和温度限制选定适用密封圈材料为聚四氟乙烯，其具有较大的使用温度范围，极低的摩擦系数和自润滑性，表面不粘结，化学稳定性好，但易产生蠕变，超过340℃时，会分解产生毒烟弹性。但本设计使用环境温度一般低于250℃，故无需担心其分解。考虑公司性质和产品销售地等因素，为方便就地维修及时购得适用密封件，故本身设计密封圈根据ISO3601-1-2002标准选取，根据阀座外径选定，型号为O-ring 206 ×3.55 -G-S-ISO 3601-1，其压缩量根据《机械设计手册》取于10%~15%区间，暂定12%。
沟槽宽度的选定在《机械设计手册》上的参考 较本设计有所出入，本设计以《O形橡胶密封圈密 封性能的有限元分析》为设计依据，将此处沟槽宽 度定为C?3.81mm，深度定为2.51mm，同时为保 证性能，确定阀座外径与连接体配合表面的间隙为 0.075mm。验算密封圈横截面面积与沟槽与连接体
配合截面面积几乎相等（实际仅相差0.017mm2）。 图6 密封沟槽
密封圈沟槽表面粗糙度和阀座与连接体密封面粗糙度为保证密封性的几个关键指标之一，根据《机械设计手册》等相关材料，沟槽表面粗糙度定为0.8?m，连接体配合表面粗糙度为0.8?m。同时确定与密封可靠性相关的沟槽底圆角半径和沟槽棱角圆角半径，分别为0.5mm和0.2mm。
综上，在特殊装置未作用情况下，考虑密封摩擦由2个型号为O-ring 206 ×3.55 -G-S-ISO 3601-1的密封圈提供，近似为2倍的单个密封圈受压下摩擦力，则此时密封圈滑动摩擦力为：
Q2?4?D1F0'?2F0?4??216?0.25?2?0.1???216?42?3.81
?Q2?22384.63 N
得出在特殊装置未启用情况下，液体压力在阀座密封面上引起的作用力为：
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