軌道式球閥在動作中具有密封面無磨損的特點，且具有良好的密封性能，可實現(xiàn)硬密封零泄漏，主要應(yīng)用于要求使用壽命長且需嚴格密封的場合。
目前，在國內(nèi)煤化工項目中，液氮洗單元普遍選用軌道式球閥，每個液氮洗單元需要軌道式球閥10余臺。長期以來，國內(nèi)市場上基本為進口產(chǎn)品，價格非常昂貴，售后不及時，出現(xiàn)故障得不到及時維修，用戶損失較大。為此，軌道式球閥的國產(chǎn)化受到國內(nèi)用戶和閥門生產(chǎn)廠家的極大關(guān)注。
1 軌道式球閥的結(jié)構(gòu)及工作原理
氣動金屬硬密封軌道式球閥由閥體、閥蓋、球體、閥桿、耳軸軸套、銷軸、閥桿軸套、導向銷釘及氣動執(zhí)行器等零部件組成，如圖1所示。
工作原理：氣動執(zhí)行器輸出軸在氣源壓力作用下上下移動，當氣動執(zhí)行器輸出軸向上移動，帶動閥桿上升，此時導向銷與閥桿上的螺旋槽直行程段限制閥桿只作上升運動，閥桿下部斜面與銷軸配合，使球體先向左偏移角度，密封副脫離。閥桿繼續(xù)上升，導向銷與閥桿螺旋槽配合，使閥桿作90°轉(zhuǎn)動。這時閥桿下部扁面與銷軸配合，帶動球體作90°旋轉(zhuǎn)后，閥門開啟。反之，當氣動執(zhí)行器輸出軸下移，帶動閥桿下降，此時導向銷與閥桿的螺旋槽配合，使閥桿作90°轉(zhuǎn)動，閥桿下部扁面與銷軸配合，帶動球體作90°轉(zhuǎn)動后，球體密封面對正閥座密封面。閥桿繼續(xù)下降，這時導向銷限制閥桿只作下降運動，閥桿的下部斜面與銷軸配合，產(chǎn)生楔緊力，帶動球體壓緊閥座，閥門關(guān)閉。閥桿仍可繼續(xù)下降，對密封面繼續(xù)施加強制密封力。
1-閥體；2-閥座；3-球體；4-球體銷軸；5-閥蓋；
6-下閥桿軸套；7-上閥桿軸套；8-填料；
9-填料壓套；10-填料壓板；11-閥桿導銷；12-閥桿；
13-氣動執(zhí)行器輸出軸；14-支架；15-氣動執(zhí)行器
圖1 氣動金屬硬密封軌道式球閥結(jié)構(gòu)
軌道式球閥的密封性能是評價閥門性能的重要指標。因軌道式球閥的密封由閥桿對球體局部的楔緊力來實現(xiàn)，導致密封面密封比壓分布不均勻，致使真實密封比壓難以描述和計算。本文基于SolidWorksSimulation有限元分析軟件，對軌道式球閥密封比壓進行了數(shù)值分析，實踐表明，該方法分析過程簡便，計算結(jié)果可較準確地反映實際受力情況。
2 密封比壓有限元分析
2.1 球體受力分析
如圖2所示，在常壓下，軌道式球閥球體分別承受銷軸施加的主動力、耳軸襯套反作用力及與閥座直接的接觸力。當閥門關(guān)閉時，閥桿提供的楔緊力通過銷軸作用在球體局部位置，給球體提供向右滾動的力；支撐軸作為球體在閥體內(nèi)滾動時的支點，并保證球體滾動時球體中心高度不變；密封球面與閥座密封面壓緊后實現(xiàn)密封。
1-閥座；2-球體；3-銷軸4-閥桿
圖2 軌道式球閥球體受力分析圖
將密封面劃分為n個受力單元面，則球體的簡化受力模型為：
（1）
單元面局部密封比壓：
（2）
式中：NA—銷軸對球體施加的主動力；
NB—耳軸套對球體的支撐反力；
qi—密封面第i個單元面局部密封比壓；
Si—密封面第i個單元面積；
NMi—密封面第i個單元正壓力；
NMi-x—密封面第i個單元正壓力在x方向的分力；
NMi-Y—密封面第i個單元正壓力在y方向的分力；
LA、LB—分別為NA、NB作用力臂；
α—閥桿楔緊角。
2.2 有限元模型建立與求解
利用SolidWorks軟件對球體、閥座、耳軸套取1/2部分進行三維建模，利用軟件自帶網(wǎng)格劃分工具劃分網(wǎng)格，并對主要受力面進行細化網(wǎng)格控制，共劃分為12357個單元，208881個節(jié)點。將接觸設(shè)置為全局無穿透，閥座、耳軸套設(shè)置為固定約束，對稱面剖切面設(shè)置為對稱約束，銷軸孔處沿實際受力方向施加1/2倍實際外部載荷，所建三維模型如圖3所示。
圖3 有限元模型
2.3 計算結(jié)果與分析
2.3.1 有限元分析結(jié)果
解算器選用FFEPlus，通過求解運算，得出密封面表面應(yīng)力云圖，如圖4所示。
圖4 閥座應(yīng)力云圖
2.3.2 結(jié)果分析
圖5為1/2閥座的結(jié)構(gòu)主視圖和左視圖。
1-密封面內(nèi)圈；2-密封面外圈（a）主視圖（b）左視圖
圖5 1/2閥座結(jié)構(gòu)
如圖5所示，θ和β為兩個角度變量。圖5（b）中，θ=0°位置為閥座最下端，θ=90°位置為閥座水平面中點，θ=180°位置為閥座最上端。圖5（a）中，在任意截面，β=0為密封面外圈位置，β=1為密封面內(nèi)圈位置。
通過圖4的分析計算結(jié)果，提取出各網(wǎng)格節(jié)點的密封比壓，得出密封比壓沿圓周展開方向的變化規(guī)律曲線，如圖6所示。
圖6 密封比壓在周向隨變化曲線（0-180°范圍）
由圖6可以看出，在θ=0°處和θ=180°處的密封比壓較大，且θ=0°處的密封比壓略大于θ=180°處的密封比壓，θ=90°附近密封比壓最小。
為進一步探索在不同截面，密封比壓隨β變化分布情況，提取θ=0°、θ=90°、θ=180°三處截面密封面節(jié)點的密封比壓，繪制密封比壓分布曲線，如圖7所示。
圖7 密封比壓隨β變化曲線
從圖7（a、b、c）曲線走勢可以得出結(jié)論，在任一截面，密封比壓基本沿縱向深入且逐漸增大，在靠近密封面內(nèi)徑處達到最大。
2.3.3 密封性能判斷
從以上分析結(jié)果可知，軌道式球閥密封面密封比壓在圓周方向分布不均勻，在縱向方向分布也不均勻，所以，傳統(tǒng)的簡化為受力點的工程計算方法不合理也不準確，事實上，密封面任意點的局部密封比壓數(shù)值應(yīng)處于圖6中兩條曲線之間的范圍內(nèi)。
由于模型為對稱結(jié)構(gòu)，θ=0°與θ=360°處數(shù)值相等，θ=90°與θ=270°處數(shù)值相等，因此，從圖6曲線可知，在θ=90°和θ=270°處密封比壓相等且為最小值。由文獻[6]可知，密封條件為密封比壓大于必須比壓，因此，應(yīng)該以該截面密封比壓為依據(jù)，來驗算執(zhí)行機構(gòu)選取合理與否。
3 結(jié)語
（1）利用SolidWorksSimulation軟件，對軌道式球閥進行密封比壓數(shù)值分析，得到的結(jié)果顯示，密封比壓沿密封面圓周方向分布不均勻，在同一截面沿縱向分布也不均勻，且得到的曲線分布規(guī)律符合閥門密封面實際受力情況。通過試驗證明，采用該分析方法選取或設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)，滿足閥門零泄漏的密封要求，因此，該分析方法合理、結(jié)果準確。該設(shè)計和分析方法同樣可以為其他機械產(chǎn)品設(shè)計和分析提供借鑒，具有一定的工程實用價值。
（2）通過對重點區(qū)域進行分析，繪制密封比壓應(yīng)力分布曲線，使設(shè)計人員更加直觀地掌握密封面內(nèi)部受力情況，從而全面地對產(chǎn)品進行評估，更加合理地選取或設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)的規(guī)格。
本文采用的數(shù)值分析方法，改變了傳統(tǒng)設(shè)計理念，尤其適用在實際受力過程無法用理論精確計算的場合。基于SolidWorksSimulation的有限元分析方法，可以優(yōu)化工作流程，大幅度縮短產(chǎn)品設(shè)計周期尤其是新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低設(shè)計成本，提高機械產(chǎn)品的綜合性能，對促進煤化工專用閥門的發(fā)展有重要意義。