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)選結構材料。因此，鈦合金在球閥上的應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，被廣泛應用于船舶管路以實現(xiàn)海水通斷的功能。目前，國內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構。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，并為其設計一種新型整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y構。本文主要介紹新型船用鈦合金球閥的結構設計、閥座密封結構設計及材料選用。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)點是結構簡單、制造方便、成本低廉、工作可靠，但壓力較高時，操作轉矩很大；而固定球球閥工作時，閥前流體壓力在球體上所產生的作用力全部傳遞給軸承，操作轉矩小，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構。

為了便于裝配，球閥采用整體上裝式結構，閥體做成整體，在其上部設有閥蓋，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。船用鈦合金球閥設計了一種新型整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y構，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。其結構特征在于：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；空心橡膠圈內部為空心，空心橡膠圈的外側延伸出一圓柱形孔槽，使得流體介質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壓縮產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構。本文設計的新型整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y構的密封原理為：通過空心橡膠圈壓縮變形產生的預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，則通過將介質壓力引入空心橡膠圈內，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。在閥座材質和球體表面、閥座密封面表面質量相同的條件下，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）當固定球球閥在恒定流體介質壓力工作時，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構的球閥使用壽命要遠大于傳統(tǒng)彈性密封結構球閥。其原因是：傳統(tǒng)彈性閥座結構主要是依靠彈簧壓縮產生的預緊力和流體介質在恒定面積的作用力來提供球閥密封所需的密封比壓，當磨損量增加后，其預緊力逐漸減小，而流體作用力不變，從而導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構主要是依靠空心橡膠圈壓縮產生的預緊力和流體在空心內腔面積上的作用力來提供球閥密封所需的密封比壓，當磨損量增加后，其壓縮預緊力雖然也是逐漸減小，但空心橡膠圈內腔在流體介質壓力作用下向外膨脹量增加，空心橡膠圈內腔面積增大，導致流體作用力增大，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。