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阀门填料函计算方法浅析 * 刘兴玉,胡靖元,史文祥,蒋鹏 中国船舶重工集团公司 第七二五研究所,河南 洛阳摇 471000 摘摇 要简述了阀门填料函的密封原理,介绍了填料函的尺寸选择及填料压紧力与摩擦力的计算方法,对阀门设计制 造具有一定的借鉴意义。 关键词阀门;填料函;密封;计算 中图分类号TH136摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201405-0160-02 Analysis of Calculation for Valve Stuffing Box LIU Xing-yu,HU Jing-yuan,SHI Wen-Xiang,JIANG摇 Peng Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang Henan摇 471000,China Abstract The sealing principle of valve stuffing box was described, and size selection of stuffing box, calculation s for packing force and friction force were also introduced in this article. There would be certain significance to the design and man鄄 ufacturing of valve. Key words valve; stuffing box; sealing; calculation 0摇 引摇 言 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。 填料密封主要应用于动密封,也可 以应用于静密封。 它广泛应用于泵、压缩机、制冷机、 搅拌机以及各种阀门、阀杆的旋转密封[1]。 填料函 结构设计的是否合理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。 笔者就阀门填料函设计中的计算方法进行简单介绍, 以期对从事阀门设计与制造的同行们起到借鉴意义。 1摇 阀门填料函密封原理 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,并与抱紧阀杆。 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]。 2摇 填料函尺寸选择 填料函尺寸主要包括填料高度 H 和填料宽度 S 见图 1,这两个尺寸的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 10 S 以内。 填 料宽度一般取 S0. 9 2. 5dc,式中 dc表示阀杆 直径。 填料宽度对阀门密封和填料拆卸都有很大影响。 填料越过宽,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,阀 门填料函尺寸可以参照相关文献或标准进行计算或 选取[3-6]。 图 1摇 填料函密封示意图 1. 阀杆摇 2. 填料压盖摇 3. 填料函 3摇 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 061 经验交流摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期机械研究与应用 *收稿日期2014-09-10 作者简介刘兴玉1986-,男,河南商丘人,工程师,主要从事新产品开发方面的工作。 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[7]。 摇 摇 取高度为 dy 的一圈填料来分析填料函的内作用 力,如图 1 所示。 在填料压盖传递力的作用下,弹性 填料内产生轴向压力 Py,由于存在摩擦力,此轴向压 力虽填料的高度而变化;同时弹性填料也产生径向压 力 Px,径向压力同样虽高度而变化。 试验证明,Py值 总大于 Px值。 暂用下述公式表示 Py与 Px的关系 Py nPx1 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 1。 表 1摇 软质填料系数 n 值 公称压力 / MPa 填料截面尺寸 为 4伊4 mm 时 填料截面尺寸 为 6伊6 mm 时 55.03.0 103.02.2 202.31.8 401.71.6 601.51.5 901.41.4 分析中假定填料截面和 n 值均为常数,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成下式 仔DdcfPxdy-仔D 2-d2 c 4 dPy2 由式1及 D-dc2S 简化得到 dPy Py -2fdy nS 3 保证密封的必要条件是当 y H 时,Px逸P,P 为 介质压力。 当 PxP,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求 y H 段的积分得到 ln Py nP 2fH - y nS 4 即 Py nPe 2fH-y nS 5 压紧填料所需的单位压力 Pc即为 y0 时的 Py 值,即 Pc nPe 2fH nS 6 压紧填料所需要的力为 F 仔 4 D2- d2 cPc 7 代入式6 F 仔 4 D2- d2 cnPe 2fH nS 8 简化后得 F 仔 4 D2- d2 c渍P 9 式中 渍 ne 2fH nS 为比例系数,见表 2[8-9]。 表 2摇 软质石棉填料系数n1. 4 工作压力 P/ MPa H S 3456逸7 臆2. 5渍2. 132.452. 823.253. 72 f0.1鬃1. 141.652. 222.903. 65 2. 6 6.3渍1. 892.092. 312.552. 82 f0.07鬃0. 771.081. 431.802. 24 6.4 15. 9渍1. 731.862. 012.152. 31 f0.05鬃0. 530.730. 951.191. 43 16 34.9渍1. 591.671. 731.811. 89 f0.02鬃0. 310.420. 530.660. 77 35 50渍1. 521.561. 601.641. 68 f0.02鬃0. 180.260. 310.370. 44 摇 摇 注P50 MPa 时,渍1.4,鬃0.4 由表 1 知,n1. 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。 为了把表 2 所示的 值 换算成其它 n 值时的 值,可将其乘以 in/1. 4。 表 2 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摇 填料与阀杆间的摩擦力计算 由图 1 不难看出,取单元填料的厚度为 dy,填料 与阀杆间的摩擦力 T 可以用下式表示 dT 仔dcPxfdy10 根据式1和式5,积分整理得 T 仔dcPf乙 H 0 e 2fH-y nS dy 1 2 仔nSdcPe 2fH nS - 1 11 在 n1. 4 时 T 7 10仔SdcPe 10fH 7S - 112 简化得 T 鬃SdcP13 式中 鬃 7 10仔e 10fH 7S - 1 ,其值可查表 2。 在选用其 它 n 值时,表 2 中的 鬃 值应乘以 in/1. 4。 5摇 结摇 语 要达到良好的填料密封效果,必须根椐不同工 况,选择适当的填料材料,进行科学的填料函尺寸、填 料压紧力及阀杆摩擦力的计算,不可随心所欲。 本文 简单分析了填料函相关参数的计算方法,对阀门设计 与制造具有一定的指导意义。 下转第 165 页 161 机械研究与应用2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 经验交流