1 概述

?    某廠現(xiàn)場所使用的送水泵出口電動閥是日本制造的，形式為暗桿楔式電動閘閥，公稱直徑 450mm，數(shù)量共有 7 臺，由于使用時間較長，閥門的性能有所下降，于 2003 年 4 月和 5 月分別將 4 號、5 號出口電動閥更換為國產(chǎn)件。自從國產(chǎn)件更換上以來，4 號和 5 號出口電動閥故障不斷，銅套頻繁的出現(xiàn)磨損、剪斷（拔牙）現(xiàn)象，致使閘板從閥桿上脫落，閘板失控，導(dǎo)致閥門無法開啟。

    2 原因分析

    從理論上講，銅套在工作時是閥桿螺紋傳遞的擠壓力、磨削力和軸向剪切力等作用在銅套上而使之損壞，但在實際生產(chǎn)中還存在著許多因素。比如銅套加工質(zhì)量不好（牙形偏差大、光潔度差、鑄造缺陷）、行程開關(guān)調(diào)整不當(dāng)、工作環(huán)境差等。

    通過對現(xiàn)場設(shè)備損壞情況和實際工況的分析，認為主要原因應(yīng)該是以下兩種原因之一：

    一是傳動螺紋的表面所承受的載荷大于本身表面承受載荷的設(shè)計值。每一次開、關(guān)，銅套的螺紋就受到一次強烈的擠壓磨削，而使傳動螺紋磨削變形，強度下降，最后導(dǎo)致銅套損壞。通過對已損壞銅套的直觀檢查來看，其創(chuàng)口并非完全是硬性磨損，而存在著明顯的磨削變形、擠壓變形（見圖 1）。

    圖 1 新舊銅套對比圖

    針對這種情況可以采取提高銅套質(zhì)量的辦法來增加銅套的強度，使銅套單位面積所能承受的載荷上升，有效避免銅套的磨損。但是由于要保護閥桿，銅套的硬度不能太高，而且受到制造工藝和材料的限制，銅套的硬度也不可能有極大的提高。

    當(dāng)然也可以采取增加銅套螺紋的厚度，即增加銅套的磨損余量，同樣可以達到延長使用壽命的目的，只是方式方法上較為被動，并沒有從根木上解決問題。

二是閥門選型不當(dāng)。新更換閥門的閥板與閥座處采用的是雙楔硬密封形式，如圖 2 所示，雙楔式的密封形式即閥板與閥門的兩個端面都具有一定的斜度。

    圖 2 雙楔硬密封結(jié)構(gòu)圖

    理論上講采用雙楔形式的閥門啟閉將較為省力，因為悶板一旦開啟．閥板上升后．閥板會立即與閥座脫離接觸，在閥門開啟和關(guān)閉的過程中閥板與閥門不接觸，因此動作較為省力。但是在實際的使用過程中，由于閥門在開啟和關(guān)閉的過程中受到進口處水流的沖擊，閥板將向出口處偏移，由此造成閥板頂部的銅套與閥桿的嚙合產(chǎn)生變化，啥合的效果下降。銅套螺紋與閥桿螺紋在正常情況下應(yīng)該如圖 3 所示，螺紋是全面積進行接觸的，而雙楔式的閘閥在動作過程中螺紋實際的接觸情況如圖 4 所示，接觸的面積大為下降，單位面積上所承受的力大幅上升，遠超出螺紋表面強度所能承受的范圍，同時螺紋的頂部直接參與嚙合，造成螺紋的磨損大為加速．使用壽命顯著下降。

    圖 3 銅套與閥桿螺紋正常嚙合圖

    圖 4 銅套與閥桿螺紋實際嚙合圖

    而在實際使用中由于供水管網(wǎng)主要是控制壓力，在送水泵的流盆與壓力無法進行調(diào)節(jié)的情況下，只能通過調(diào)節(jié)該閥門的開度來控制壓力，故該閥門在單項受壓的情況下頻繁動作，所以在短時間內(nèi)銅套完全失效也就不足為怪了。

    針對這種情況可以采用增加銅套長度的方法。增加銅套的長度可以改善銅套的導(dǎo)向性，在一定程度上可以改善銅套的啥合狀況。但是銅套的長度到達了一定值后，改善導(dǎo)向作用的效果將不再明顯。同時銅套尺寸過長后會造成加工困難，加工精度不容易控制，反而會導(dǎo)致螺紋受力集中在幾個齒上，使銅套的受力條件更加惡化。

    3 對策措施

    通過對銅套材質(zhì)和受力情況的分析和計算，第一種傳動螺紋的表面所承受的載荷大于本身表面承受載荷的設(shè)計值的情況可以排除．因此造成銅套短期內(nèi)迅速失效的原因就應(yīng)該是選型不當(dāng)造成的。

由于增加銅套長度的方法成本較高，所以為了避免閥板在動作過程中產(chǎn)生偏移，最終還是對閥門的結(jié)構(gòu)進行了改進，將原來的雙楔式密封面改為如圖 5 所示的單楔式密封形式。

圖 5 單楔式密封結(jié)構(gòu)圖

圖 5 單楔式密封結(jié)構(gòu)圖

在進水口處密封面是傾斜的，在出水口處密封面是平的。采用這種形式的密封面，在閥門的開閉過程中．閥板受進口處水流的沖擊作用．進口處的傾斜密封面脫離接觸，不受磨損，閥板沿著出口處的平面上下運動．由于有出口處的平面作為依靠，而且在閥板的側(cè)面還加裝了導(dǎo)向槽，閥板不會產(chǎn)生偏移。故保證了銅套與閥桿大面積的接觸，有效降低了螺紋單位面積上所承受的力。而在閥門關(guān)閉以后，閥門的出水口處受水壓作用，閥板與進口處的傾斜密封面緊密接觸。由于在開閉過程中該密封面不接觸，不會磨損，長期使用后閥門的密封效果也不會下降。

當(dāng)然也可以使用平板閘閥來代替雙鍥閘閥，但是平板閘閥本身造價就高．同時啟閉所需扭矩也較大．需要對電動執(zhí)行機構(gòu)進行更換．成本較高。而且平板閘閥密封面的磨損也較大，長期使用后密封效果下降較快。

4 結(jié)束語

閘閥本應(yīng)該是在管路系統(tǒng)中起到截止和開放介質(zhì)作用的，然而由于受到生產(chǎn)工藝的要求和現(xiàn)場實際情況的限制，本文中所提到的閘閥也起到了一定的控制流量的作用，所以在使用過程中動作較為頻繁，普通形式的雙楔閘閥和平板閘閥均難以適用。采用單楔式密封的閥門后，閥門銅套的壽命得到了極大的提高，密封效果有了極大的改獸，很好的解決了現(xiàn)場的技術(shù)難題。

    2 閘閥閥座受力分析

    雙側(cè)密封式閘閥是通過增強閥瓣對閥座的推力而實現(xiàn)的，接觸壓力應(yīng)大于進口流體的壓力。這種閘閥的缺點是，如果在冷態(tài)下閉合，后來進入熱態(tài)，閥瓣就會出現(xiàn)膨脹，于是形成閉合位置卡緊，當(dāng)再次開啟閥門時就會遇到困難，這種情況就是俗稱的“下炕”。良好狀態(tài)的閘閥都是實現(xiàn)單側(cè)密封。平行式閘閥也只能與出口位置的閥座實現(xiàn)單側(cè)密封。標(biāo)準(zhǔn)的楔式閥瓣閘閥情況也一樣，壓力使進口側(cè)閥瓣變形，流體流過進口側(cè)閥瓣直至閥腔達到壓力平衡。由此引出出口處閥座受介質(zhì)外壓作用而產(chǎn)生的強度問題。

    圖 1 實現(xiàn)單側(cè)密封的闡閥

    如圖 1 所示，介質(zhì)進入閥體中腔后，作用于出口側(cè)（左側(cè)）的閥瓣，在左側(cè)閥座與閥瓣密封面處形成一個密封比壓，阻止介質(zhì)的流通。同時介質(zhì)作用于閥體與左側(cè)閥座之間的間隙，使左側(cè)閥座外側(cè)受到介質(zhì)壓力的作用。在對左側(cè)閥座進行強度計算時，就是應(yīng)對閥座受外壓的狀態(tài)進行分析，而使用規(guī)則設(shè)計的設(shè)計方法已經(jīng)不能解決如此復(fù)雜的問題。在本文中采用分析設(shè)計的設(shè)計方法進行楔式雙閘板閥座的強度校核。

    通過對閥座的受力分析可知，閥座與閥體焊接處為固定約束，閥座外腔受到介質(zhì)壓力的作用，閥座密封面處受到閥瓣的密封比壓的作用，詳細的受力情況如圖 2 所示。

    圖 2 閥座受力分析

    把實體模型轉(zhuǎn)入 ANSYS 中進行分析，選擇磚型六面體單元 Solid45，輸入材料的彈性模量和柏松比（如《表 1》所示），采用自由網(wǎng)格劃分模型，默認求解器求解，得出閥座的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖。

    由應(yīng)力分析云圖可知，閥座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥座內(nèi)腔與閥座和閥體焊接連接處，閥座形狀在該位置變化較為劇烈且存在尖角，應(yīng)屬于峰值應(yīng)力，在該處選取應(yīng)力評定線，按 JB4732-95 的應(yīng)力分類原則（如《表 2》所示）對應(yīng)力評定線上的應(yīng)力進行分類，得出評定線上的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，分別與限定值進行比較，即可得出閥座的設(shè)計是否合理。

    3 結(jié)論

    通過應(yīng)力分析設(shè)計方法可以對閘閥閥座進行應(yīng)力強度校核，同時可以得出閥座設(shè)計是否合理。