新型船用鈦合金鈦棒球閥具有很多的優(yōu)異性能

鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性能強、耐高低溫、可冷熱成形、焊接性能好等優(yōu)異性能，特別是在海水中具有優(yōu)良的耐蝕性和耐沖刷腐蝕性，它在海水中的腐蝕率近于零，是海洋環(huán)境的優(yōu)選結(jié)構(gòu)材料。因此，鈦合金在球閥上的應(yīng)用可有效地改進船用球閥的耐用性，提高可靠性和使用性，減少維修和維護費。通過系統(tǒng)對鈦合金材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能的綜合分析，本文采用鑄造鈦合金ZTi2材料經(jīng)熔模精密鑄造的方法制備閥體、采用鈦合金TC4鈦棒制備球軸。鈦合金材料雖然具有很多的優(yōu)異性能，但卻存在不耐磨損的缺點。該缺點會導(dǎo)致由鈦合金材料制造的球軸與閥座組成的對偶件的耐磨性能下降，從而影響球閥的密封性能和使用壽命。本文采用微弧氧化技術(shù)對閥體、球軸進行表面硬化處理，從而提高其耐磨性能。同時，有效防止在使用中與鈦合金接觸的由銅、鋼、銅基合金制造的附件產(chǎn)生加速腐蝕現(xiàn)象。

球閥由于具有流體阻力小，啟閉迅速、方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于船舶管路以實現(xiàn)海水通斷的功能。目前，國內(nèi)船舶海水管路中的球閥一般都是采用銅合金或不銹鋼材料制備，密封為彈性閥座或浮動閥座的軟密封結(jié)構(gòu)。在使用過程中，這類球閥存在耐海水腐蝕偏弱、壽命周期短和維護頻繁等缺點。針對上述缺點，作者采用鈦合金材料制備球閥，并為其設(shè)計一種新型整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y(jié)構(gòu)。本文主要介紹新型船用鈦合金球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計、閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選用。按球體的支撐方式，球閥可分為浮動球球閥和固定球球閥。浮動球球閥的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉、工作可靠，但壓力較高時，操作轉(zhuǎn)矩很大；而固定球球閥工作時，閥前流體壓力在球體上所產(chǎn)生的作用力全部傳遞給軸承，操作轉(zhuǎn)矩小，閥座變形小，密封性能穩(wěn)定，適用高壓、大通徑的場合。本文所述船用鈦合金球閥采用固定球結(jié)構(gòu)。

為了便于裝配，球閥采用整體上裝式結(jié)構(gòu)，閥體做成整體，在其上部設(shè)有閥蓋，球軸從閥體上部裝入，球軸上下采用圓錐滾子推力軸承，可靈活方便地調(diào)整球軸的上下位置，同時承受作用在球軸的各種負荷，保證球閥具有良好的操作性。船用鈦合金球閥設(shè)計了一種新型整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y(jié)構(gòu)，主要由閥座、空心橡膠圈、浮動支座、壓緊螺母及O形橡膠圈組成。其結(jié)構(gòu)特征在于：閥座本體兩端均為弧面，其一端弧面與球體緊密貼合形成密封面，另一端弧面與空心橡膠圈貼合在一起；閥座本體及空心橡膠圈依次鑲嵌在浮動支座中，并通過壓緊螺母使其固定在閥體通道中；空心橡膠圈內(nèi)部為空心，空心橡膠圈的外側(cè)延伸出一圓柱形孔槽，使得流體介質(zhì)通過孔槽流入空心橡膠圈中。

固定球球閥是借助流體壓力、彈性元件作用力或預(yù)壓縮產(chǎn)生的密封力使密封副（球體與閥座）相互靠緊、接觸、甚至嵌入，以減少或消除密封面之間的間隙而達到密封的接觸型結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計的新型整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y(jié)構(gòu)的密封原理為：通過空心橡膠圈壓縮變形產(chǎn)生的預(yù)壓緊力推動閥座密封面緊密貼合在球面上，使球閥在低壓力下保持良好的密封性能；在高壓時，則通過將介質(zhì)壓力引入空心橡膠圈內(nèi)，使其推動閥座緊緊地壓在球面上，達到良好密封的效果；同時，空心橡膠圈壓縮產(chǎn)生的彈性力，能對閥座的磨損進行自動補償。

密封性能分析。在閥座材質(zhì)和球體表面、閥座密封面表面質(zhì)量相同的條件下，固定球球閥的密封性能主要取決于密封比壓q的大小，其計算公式為：
（1）
式中  q———球閥密封比壓
DMW———閥座密封面外徑，mm
DMN———閥座密封面內(nèi)徑，mm
Q———作用于閥座密封面上的沿流體流動方向的合力
Q=F（P，qmin，DMW，DMN，Dm，f）       （2）
式中   P———流體介質(zhì)壓力
qmin———球閥密封所需的最小密封比壓
Dm———流體作用面的最大直徑
f———閥座磨損量
將式（2）代入式（1），得：
（3）當(dāng)固定球球閥在恒定流體介質(zhì)壓力工作時，式（3）中P、DMN、qmin均為定值，而Dm及DMW均隨磨損量f的變化而改變。由此可知，密封比壓q與閥座磨損量f之間能建立起特定的函數(shù)關(guān)系。

OA曲線和OB曲線均是隨著磨損量的增加，密封比壓逐漸減?。坏玂B曲線達到最小密封比壓時的磨損量fb要遠大于OA曲線達到最小密封比壓的磨損量fa。該特征曲線充分說明了新型整體式彈性補償密封結(jié)構(gòu)的球閥使用壽命要遠大于傳統(tǒng)彈性密封結(jié)構(gòu)球閥。其原因是：傳統(tǒng)彈性閥座結(jié)構(gòu)主要是依靠彈簧壓縮產(chǎn)生的預(yù)緊力和流體介質(zhì)在恒定面積的作用力來提供球閥密封所需的密封比壓，當(dāng)磨損量增加后，其預(yù)緊力逐漸減小，而流體作用力不變，從而導(dǎo)致密封比壓較快下降到最小密封比壓；新型整體式彈性補償密封結(jié)構(gòu)主要是依靠空心橡膠圈壓縮產(chǎn)生的預(yù)緊力和流體在空心內(nèi)腔面積上的作用力來提供球閥密封所需的密封比壓，當(dāng)磨損量增加后，其壓縮預(yù)緊力雖然也是逐漸減小，但空心橡膠圈內(nèi)腔在流體介質(zhì)壓力作用下向外膨脹量增加，空心橡膠圈內(nèi)腔面積增大，導(dǎo)致流體作用力增大，兩者綜合后密封比壓減小的趨勢就變得平緩許多，從而延長了球閥的使用壽命。