引言
阀门是流体管道的控制装置，其基本功能是连接或切断管道介质的循环，改变介质的流向，保护管道设备的正常运行。合理选择阀门，安装在正确的位置，是系统安全可靠运行和维护管理的重要保证。
某种设备的生活废物处理系统应配备一个阀门，用于控制破碎后生活废物的排放。阀门的工作介质是海水和食品废物（颗粒大小：0~5mm）、空气混合物。工作压力为3.5MPa，阀门通径为50mm，阀门的使用寿命不得小于30万次。由于原系统中使用的金属硬密封气动蝶阀经常出现密封松散、维护困难等问题，极大地影响了设备的正常使用。因此，选择一个符合系统功能要求、可靠性高、维护良好的阀门部件来取代原蝶阀尤为重要。
1 阀门选型
1.1 阀门选择原则
在选择阀门时，应遵循以下原则：
（1）安全可靠原则。确保阀门安全可靠、技术成熟、价格合理；
(2)性能优先原则。优先选用性能先进、使用寿命长、密封性能好、开启灵活、开启合理的阀门；
(3)结构紧凑的原则。在相同的性能条件下，体积小、重量轻的阀门优先；
(4)维护方便的原则。优先选用可靠性好、维护简单、维护简单的阀门；
(5)防腐优先原则。同等性能条件下，防腐性能好、自洁能力强的阀门优先。
1.2 比较各种阀门的性能特性
根据生活废物处理系统的使用要求，阀门的选择应首先具有与蝶阀相同的控制功能，主要包括截止阀、闸阀、旋塞阀、球阀、隔膜阀、蝶阀等。其次，还应满足使用介质、工作压力和直径的要求。从船舶标志和国内外市场的工业产品来看，只有截止阀、闸阀、球阀和蝶阀才能满足系统的工作压力和直径要求。为了选择满足使用要求和最佳技术性能的阀门，表1分别比较了每个阀门的特性。
表1 阀门特性对比分析表
从阀门特点的对比分析发现，球阀具有流体阻力小、体积小、重量轻、密封性能好、维修方便等特点，可作为该系统首选方案。
1.3 球阀选型
1）选型方案
根据市场调研，选择气动软密封球阀作为系统球阀的首选方案，综合考虑使用介质、使用压力、使用寿命，特别是维护质量。
2)组成和工作原理
气动球阀主要由球阀、双作用气缸、电磁换向阀、限位开关等组成，其中球阀由左阀体、右阀体、球体、密封座、垫片等组成。
图1 气动球阀外观图和局部视图
图2 球阀组成示意图
工作原理：工作时，打开电源，换向电磁阀，将压缩空气送至气缸开启阀腔，推动活塞杆，打开球阀。球阀全开位置设有限位开关。当活塞杆伸出到位时，限位开关动作。限位开关指示面板上的指针指向100%开启阀位置，表示阀门已完全打开。相反，关闭阀门时，断开电源。电磁阀由弹簧复位，压缩空气反向推动气缸并关闭阀门。同时，活塞杆收缩到位后，限位开关动作控制箱面板上的关阀指示灯亮，限位开关指示面板上的指针指向100%关阀位置，表示阀门已关闭。
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3)主要部件受力分析
气动球阀的主要受力部件是阀座，由左阀体和右阀体组成，由316不锈钢制成（ASTMA351型CF8M），其屈服强度σ0.2为205MPa，为分析其强度和变形是否符合要求，对其进行有限元计算分析，建立三维模型和有限元模型(图3)，在阀座内腔施加压力5.25MPa（1.5倍工作压力)，分析其应力和应变，见图4、图5。
图3 阀座三维模型和有限元模型
图4 阀座应与云图4相匹配
图5 阀座变形云图
阀座从应力和应变云图中应用5.25MPa内压最大应力为56.12MPa，屈服强度小于205MPa，最大变形量为0.0203mm，在使用材料的弹性变形范围内。
4）密封分析
球阀选型的关键技术在于密封副的选择。气动球阀球体和阀座的材料为316L，密封座采用Peek(聚醚酮)制造，Peek与316匹配，亲和力好，耐磨、自洁、使用寿命好。
对球阀密封性能的分析主要是评估球阀密封副的接触状态和接触应力（比压力）。为了分析球阀的密封性能，对球阀密封副的初始组装进行有限元分析，建立了简化的2D轴对称几何模型(图6)和有限元模型(图7)，壳体和球体材料为钢材，密封座材料为人造橡胶，材料参数为初始剪切模量Mu为0.1MPa，不可压缩参数D1为0.15MPa-1。密封座与球体、密封座与壳体的接触类型为：摩擦接触，摩擦系数为0.1。
图6 球阀密封副2D轴对称几何模型
图7 球阀密封副2D轴对称有限元模型
图8 球体Y两个载荷步的位移载荷方向
基于已建立的有限元模型，假设图7中上方的外壳固定，密封座的预压缩量不大于5%，先对球施加Y 方向的位移0.4 mm(如图8所示)，然后施加下壳Y方向的位移1.1mm(如图9所示) 。
图9 下壳Y两个载荷步的位移载荷方向
经过上述4个载荷步和多次迭代（如图10所示）后，结果收敛。
图10 FEA收敛过程图计算结果
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评估密封座的接触状态（如图11所示）。从图中可以看出，下密封座与球体和壳体滑动（Sliding），除了球体和壳体之外，上面的密封座还会滑动（Sliding），它还与壳体粘连（Sticking）。然后观察密封座的穿透情况。如图12所示，密封座与阀体和球体之间的大部分间隙为0。只有密封座与阀体接触处变形较大的区域会有较小的间隙，最大间隙为0.00119mm，密封性能不受影响。
图11 球阀密封座的接触状态
图12 球阀密封座的穿透状态
对密封座接触副的接触应力进行评图13和图14所示。
图13 球阀密封座接触压应力分布云图
图14 球阀密封座的接触压应力相对于载荷步的曲线图
从上图13可以看出，密封座与球体的接触产生了密封座唇部最大接触应力0.115MPa，满足密封要求。
5）试验验证
为了验证气动球阀的性能参数，对气动球阀原型机进行了机架试验，主要包括：湿气密性试验、湿水密性试验、干气密性试验、干水密性试验和长期开关试验。
图15 试验台架原理图
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表2 气动球阀启闭试验记录表
气动球阀密封试验记录表3
试验结论：气动球阀在启闭试验过程中运行平稳，工作可靠，无卡滞。在紧密性试验中，气动球阀启闭试验前的紧密性试验为水压4.8MPa下保压10min无泄漏、湿紧密性试验和干紧密性试验.8MPa下保压10min无泄漏，气压0.6MPa下保压10min无外漏。
2结论
新型气动球阀具有良好的防腐性能和自清洁性能，可靠性高，维护良好，有效解决了原系统阀部件可靠性低、维护困难等问题，提高了生活废物处理系统的性能。
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