1 概述

​    某厂现场所使用的送水泵出口电动阀是日本制造的，形式为暗杆楔式电动闸阀，公称直径 450mm，数量共有 7 台，由于使用时间较长，阀门的性能有所下降，于 2003 年 4 月和 5 月分别将 4 号、5 号出口电动阀更换为国产件。自从国产件更换上以来，4 号和 5 号出口电动阀故障不断，铜套频繁的出现磨损、剪断（拔牙）现象，致使闸板从阀杆上脱落，闸板失控，导致阀门无法开启。

    2 原因分析

    从理论上讲，铜套在工作时是阀杆螺纹传递的挤压力、磨削力和轴向剪切力等作用在铜套上而使之损坏，但在实际生产中还存在着许多因素。比如铜套加工质量不好（牙形偏差大、光洁度差、铸造缺陷）、行程开关调整不当、工作环境差等。

    通过对现场设备损坏情况和实际工况的分析，认为主要原因应该是以下两种原因之一：

    一是传动螺纹的表面所承受的载荷大于本身表面承受载荷的设计值。每一次开、关，铜套的螺纹就受到一次强烈的挤压磨削，而使传动螺纹磨削变形，强度下降，最后导致铜套损坏。通过对已损坏铜套的直观检查来看，其创口并非完全是硬性磨损，而存在着明显的磨削变形、挤压变形（见图 1）。

    图 1 新旧铜套对比图

    针对这种情况可以采取提高铜套质量的办法来增加铜套的强度，使铜套单位面积所能承受的载荷上升，有效避免铜套的磨损。但是由于要保护阀杆，铜套的硬度不能太高，而且受到制造工艺和材料的限制，铜套的硬度也不可能有极大的提高。

    当然也可以采取增加铜套螺纹的厚度，即增加铜套的磨损余量，同样可以达到延长使用寿命的目的，只是方式方法上较为被动，并没有从根木上解决问题。

二是阀门选型不当。新更换阀门的阀板与阀座处采用的是双楔硬密封形式，如图 2 所示，双楔式的密封形式即阀板与阀门的两个端面都具有一定的斜度。

    图 2 双楔硬密封结构图

    理论上讲采用双楔形式的阀门启闭将较为省力，因为闷板一旦开启．阀板上升后．阀板会立即与阀座脱离接触，在阀门开启和关闭的过程中阀板与阀门不接触，因此动作较为省力。但是在实际的使用过程中，由于阀门在开启和关闭的过程中受到进口处水流的冲击，阀板将向出口处偏移，由此造成阀板顶部的铜套与阀杆的啮合产生变化，啥合的效果下降。铜套螺纹与阀杆螺纹在正常情况下应该如图 3 所示，螺纹是全面积进行接触的，而双楔式的闸阀在动作过程中螺纹实际的接触情况如图 4 所示，接触的面积大为下降，单位面积上所承受的力大幅上升，远超出螺纹表面强度所能承受的范围，同时螺纹的顶部直接参与啮合，造成螺纹的磨损大为加速．使用寿命显著下降。

    图 3 铜套与阀杆螺纹正常啮合图

    图 4 铜套与阀杆螺纹实际啮合图

    而在实际使用中由于供水管网主要是控制压力，在送水泵的流盆与压力无法进行调节的情况下，只能通过调节该阀门的开度来控制压力，故该阀门在单项受压的情况下频繁动作，所以在短时间内铜套完全失效也就不足为怪了。

    针对这种情况可以采用增加铜套长度的方法。增加铜套的长度可以改善铜套的导向性，在一定程度上可以改善铜套的啥合状况。但是铜套的长度到达了一定值后，改善导向作用的效果将不再明显。同时铜套尺寸过长后会造成加工困难，加工精度不容易控制，反而会导致螺纹受力集中在几个齿上，使铜套的受力条件更加恶化。

    3 对策措施

    通过对铜套材质和受力情况的分析和计算，第一种传动螺纹的表面所承受的载荷大于本身表面承受载荷的设计值的情况可以排除．因此造成铜套短期内迅速失效的原因就应该是选型不当造成的。

由于增加铜套长度的方法成本较高，所以为了避免阀板在动作过程中产生偏移，最终还是对阀门的结构进行了改进，将原来的双楔式密封面改为如图 5 所示的单楔式密封形式。

图 5 单楔式密封结构图

图 5 单楔式密封结构图

在进水口处密封面是倾斜的，在出水口处密封面是平的。采用这种形式的密封面，在阀门的开闭过程中．阀板受进口处水流的冲击作用．进口处的倾斜密封面脱离接触，不受磨损，阀板沿着出口处的平面上下运动．由于有出口处的平面作为依靠，而且在阀板的侧面还加装了导向槽，阀板不会产生偏移。故保证了铜套与阀杆大面积的接触，有效降低了螺纹单位面积上所承受的力。而在阀门关闭以后，阀门的出水口处受水压作用，阀板与进口处的倾斜密封面紧密接触。由于在开闭过程中该密封面不接触，不会磨损，长期使用后阀门的密封效果也不会下降。

当然也可以使用平板闸阀来代替双锲闸阀，但是平板闸阀本身造价就高．同时启闭所需扭矩也较大．需要对电动执行机构进行更换．成本较高。而且平板闸阀密封面的磨损也较大，长期使用后密封效果下降较快。

4 结束语

闸阀本应该是在管路系统中起到截止和开放介质作用的，然而由于受到生产工艺的要求和现场实际情况的限制，本文中所提到的闸阀也起到了一定的控制流量的作用，所以在使用过程中动作较为频繁，普通形式的双楔闸阀和平板闸阀均难以适用。采用单楔式密封的阀门后，阀门铜套的寿命得到了极大的提高，密封效果有了极大的改兽，很好的解决了现场的技术难题。

    2 闸阀阀座受力分析

    双侧密封式闸阀是通过增强阀瓣对阀座的推力而实现的，接触压力应大于进口流体的压力。这种闸阀的缺点是，如果在冷态下闭合，后来进入热态，阀瓣就会出现膨胀，于是形成闭合位置卡紧，当再次开启阀门时就会遇到困难，这种情况就是俗称的“下炕”。良好状态的闸阀都是实现单侧密封。平行式闸阀也只能与出口位置的阀座实现单侧密封。标准的楔式阀瓣闸阀情况也一样，压力使进口侧阀瓣变形，流体流过进口侧阀瓣直至阀腔达到压力平衡。由此引出出口处阀座受介质外压作用而产生的强度问题。

    图 1 实现单侧密封的阐阀

    如图 1 所示，介质进入阀体中腔后，作用于出口侧（左侧）的阀瓣，在左侧阀座与阀瓣密封面处形成一个密封比压，阻止介质的流通。同时介质作用于阀体与左侧阀座之间的间隙，使左侧阀座外侧受到介质压力的作用。在对左侧阀座进行强度计算时，就是应对阀座受外压的状态进行分析，而使用规则设计的设计方法已经不能解决如此复杂的问题。在本文中采用分析设计的设计方法进行楔式双闸板阀座的强度校核。

    通过对阀座的受力分析可知，阀座与阀体焊接处为固定约束，阀座外腔受到介质压力的作用，阀座密封面处受到阀瓣的密封比压的作用，详细的受力情况如图 2 所示。

    图 2 阀座受力分析

    把实体模型转入 ANSYS 中进行分析，选择砖型六面体单元 Solid45，输入材料的弹性模量和柏松比（如《表 1》所示），采用自由网格划分模型，默认求解器求解，得出阀座的应力云图和应变云图。

    由应力分析云图可知，阀座的最大应力出现在阀座内腔与阀座和阀体焊接连接处，阀座形状在该位置变化较为剧烈且存在尖角，应属于峰值应力，在该处选取应力评定线，按 JB4732-95 的应力分类原则（如《表 2》所示）对应力评定线上的应力进行分类，得出评定线上的薄膜应力和弯曲应力，分别与限定值进行比较，即可得出阀座的设计是否合理。

    3 结论

    通过应力分析设计方法可以对闸阀阀座进行应力强度校核，同时可以得出阀座设计是否合理。