1．前言

閥桿推力、操作扭矩、手輪圓周力是決定閥門操作的三個重要的參數(shù)，本文將給出碳鋼閘閥、截止閥簡便的計算公式來確定這三個參數(shù)，通過下面的計算，可以得到不同壓差下的輸出扭矩、閥桿推力等數(shù)據(jù)。本文的公式適用于工作溫度≤425℃的閘閥、截止閥的閥桿推力、操作扭矩、手輪圓周力的計算。

2．推力

閥門閥桿推力主要作用在閥門閥座上和脫開閥座上的力，推力主要由三部分組成，公式如下：

F——閥桿推力，(N)牛頓；

f₁——作用在閥座上的推力，(N)牛頓；

f₁=閥門閥座孔面積×閥門最大壓差×閥門系數(shù)=M×△P×閥門系數(shù)，

閥門閥座孑L面積一(閥座孔直徑)²×3.14／4=d²×3.14／4，mm²平方毫米，

如果不知道閥座孔直徑d，可以用閥門流道直徑來作為估計值。閥門閥座孔面積見表1中M。

閥門最大壓差△P=P₁-P₂，P₁為閥門上游壓力，P₂為閥門下游壓力值，單位為MPa；如果不知道P₁，P₂值，△P可取表1中壓力值(MPa)。

閥門系數(shù)見表2。

f₂——閥桿載荷(閥桿的活塞效應(yīng))，(N)牛頓；

f₂——閥桿面積×閥門上游最大最壓力P₁=df²×3.14／4，mm²平方毫米；

df為閥門閥桿最小直徑，見表3；

表1 閥門閥座孔面積

通徑 in	壓力等級MPa(psig)														通徑 mm
	PN2.0 (285)		PN5.0 (740)		PN6.8 (990)		PN10.0 (1480)		PN15.0 (2220)		PN25.0 (3705)		PN42.0 (6170)
	d	M	d	M	d	M	d	M	d	M	d	M	d	M
1/2	13	132.7	13	132.7	13	132.7	13	132.7	13	132.7	13	132.7	13	132.7	15
3/4	19	283.5	19	283.5	19	283.5	19	283.5	19	283.5	19	283.5	19	283.5	20
1	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25
1-1/4	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32
1-1/2	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	40
2	49	1885.7	49	1885.7	49	1885.7	49	1885.7	49	1885.7	49	1885.7	42	1385.4	50
2-1/2	62	3019.1	62	3019.1	62	3019.1	62	3019.1	62	3019.1	62	3019.1	52	2123.7	65
3	74	4300.8	74	4300.8	74	4300.8	74	4300.8	74	4300.8	74	4300.8	62	3019.1	80
4	100	7854.0	100	7854.0	100	7854.0	100	7854.0	100	7854.0	100	7854.0	87	5944.7	100
5	127	12667.8	127	12667.8	127	12667.8	127	12667.8	127	12667.8	111	9676.9	92	6647.6	125
6	150	17671.5	150	17671.5	150	17671.5	150	17671.5	150	17671.5	144	16286.0	131	13478.2	150
8	201	31730.9	201	31730.9	201	31730.9	201	31730.9	201	31730.9	192	28952.9	179	25164.9	200
10	252	49875.9	252	49875.9	252	49875.9	252	49875.9	252	49875.9	239	44862.7	223	39057.1	250
12	303	72106.6	303	72106.6	303	72106.6	303	72106.6	303	72106.6	287	64692.5	265	55154.6	300
14	334	87615.9	334	87615.9	334	87615.9	334	87615.9	322	81433.2	315	77931.1	241	45616.7	350
16	385	116415.6	385	116415.6	385	116415.6	385	116415.6	373	109271.7	360	101787.6	274	58964.6	400
18	436	149301.0	436	149301.0	436	149301.0	436	149301.0	423	140530.5	371	108103.0	311	75964.5	450
20	487	186272.1	487	186272.1	487	186272.1	487	186272.1	471	174233.5	415	135265.2	343	92401.3	500
22	538	227328.8	538	227328.8	538	227328.8	538	227328.8	522	214008.4	457	164029.6	378	112220.8	550
24	589	272471.1	589	272471.1	589	272471.1	589	272471.1	570	255175.9	498	194781.9	413	133964.6	600
26	633	314700.4	633	314700.4	633	314700.4	633	314700.4	617	298992.4	540	229022.1	448	157632.6	650
28	684	367453.2	684	367453.2	684	367453.2	684	367453.2	665	347322.7	584	267864.8	483	183224.8	700
30	735	424291.7	735	424291.7	735	424291.7	735	424291.7	712	398152.9	625	306796.2	517	209928.3	750
32	779	476611.8	779	476611.8	779	476611.8	779	476611.8	760	453646.0	-	-	-	-	800
34	830	541060.8	830	541060.8	830	541060.8	830	541060.8	808	512758.2	-	-	-	-	850
36	874	599946.8	874	599946.8	874	599946.8	874	599946.8	855	574145.7	-	-	-	-	900
38	925	672006.3	925	672006.3	925	672006.3	925	672006.3	-	-	-	-	-	-	950
40	976	748181.4	976	748181.4	976	748181.4	976	748181.4	-	-	-	-	-	-	1000
42	1020	817128.2	1020	817128.2	1020	817128.2	1020	817128.2	-	-	-	-	-	-	1050
48	1166	1067792.7	1166	1067792.7	1166	1067792.7	1166	1067792.7	-	-	-	-	-	-	1200
54	1312	1351940.4	1312	1351940.4	1312	1351940.4	1312	1351940.4	-	-	-	-	-	-	1350
56	1360	145267.4	1360	145267.4	1360	145267.4	1360	145267.4	-	-	-	-	-	-	1400
60	1458	1669571.1	1458	1669571.1	1458	1669571.1	1458	1669571.1	-	-	-		-	-	1500

表2 閥門系數(shù)

閥門類型	液體		氣體
	400℃以下	400℃以上	400℃以下	400℃以上
平行式閘閥和彈性楔式閘閥或雙閘板	0.25	0.3	0.35	0.45
剛性楔式閘閥	0.35	0.4	0.45	0.5
2″（50毫米）以上截止閥	1.15	1.15	1.15	1.15
2″（50毫米）以下截止閥	1.5	1.5	1.5	1.5

如果不知道閥門上游最大最壓力P₁值(如管道壓力不大于6.89MPa時，閥桿載荷f₂可忽略不計)，可取表1中壓力值(MPa)來進行計算。

f₃——閥桿填料摩擦力，具體數(shù)據(jù)見表4，(N)牛頓。

表4 填料摩擦推力和轉(zhuǎn)矩以及閥桿的活塞效應(yīng)

摩擦推力 （升降桿）	閥桿直徑	1〃（25毫米） 以下	1〃～2〃 （25～50毫米）	2〃（50毫米） 以上
	推力	4450牛頓 N	6670牛頓 N	11120牛頓 N
活塞效應(yīng) （眀桿閥閥桿載荷）	如果管道壓力超過6.897MPa，應(yīng)加入介質(zhì)對閥桿的推力（活塞效應(yīng)），介質(zhì)對閥桿的推力=管道壓力×閥桿面積（通過填料壓蓋處）
摩擦轉(zhuǎn)矩 （旋轉(zhuǎn)桿）	摩擦轉(zhuǎn)矩=摩推力×閥桿半徑（在填料壓蓋處的半徑）

注：(1)填料給升降閥桿增加摩擦推力。給旋轉(zhuǎn)閥桿增加轉(zhuǎn)矩。

(2)管道壓力作用于閥桿(通過填料壓蓋處)的截面積上，有開啟閥門的趨勢。對于管道壓力在6.897MPa以上的明桿閘閥，這個活塞效應(yīng)的影響是很大的。

(3)對于截止閥，閥桿面積已包括在閥瓣面積中，所以活塞效應(yīng)可以忽略。

3．扭矩

扭矩是一個轉(zhuǎn)動的力，閘閥和截止閥的閥桿通過驅(qū)動螺母上30°的梯形螺紋，驅(qū)動閥桿作升降運動。扭矩是由閥桿的推力轉(zhuǎn)化而來的，它是利用螺紋的機械旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生直線運動，閥桿系數(shù)有通過梯形螺紋把閥桿推力轉(zhuǎn)換為扭矩的作用，即通常我們所講的梯形螺紋的摩擦半徑。一旦獲得閥桿推力，就可以通過公式(2)計算得到扭矩值。

M——扭矩，N·M(牛頓·米)

閥桿系數(shù)，見表5。

反之，知道扭矩，也可以通過上面的公式計算閥桿推力。

表5 梯形螺紋的閥桿系數(shù)

閥桿尺寸 直徑×螺距	閥桿系數(shù)	閥桿尺寸 直徑×螺距	閥桿系數(shù)	閥桿尺寸 直徑×螺距	閥桿系數(shù)
19.0×6-s	0.0020104	44.4×4-s	0.0042389	76.2×2-s	0.0071362
19.0×5-s	0.0021191	44.4×3-s	0.0045084	79.4×2-s	0.0075602
22.2×6-s	0.0022543	47.6×3-s	0.0047531	82.6×2-s	0.0075912
22.2×5-s	0.0026088	50.8×4-s	0.0047310	88.9×2-s	0.0080442
25.4×5-s	0.0028519	50.8×3-s	0.0049988	95.2×2-s	0.0085020
28.6×5-s	0.0030155	54.0×3-s	0.0051133	101.6×2-s	0.0089629
28.6×4-s	0.0030983	57.2×3-s	0.0053531	108.0×2-s	0.0094228
31.8×5-s	0.0032610	60.3×3-s	0.0055878	114.3×2-s	0.0098851
31.8×4-s	0.0035069	63.5×3-s	0.0058234	127×2-s	0.0107980
34.9×4-s	0.0037523	66.7×3-s	0.0060619
31.8×4-s	0.0042747	69.8×3-s	0.0062988
43.3×3-s	0.0042389	73.0×3-s	0.0065351

注：(1)表中閥桿系數(shù)為單頭螺紋系數(shù)，單位N·m／N。

①對于暗桿閥，閥桿系數(shù)要乘以1.5；

②對于水閘，閥桿系數(shù)要乘以1.25，并確保估算的推力至少為閥門重量的3倍。

(2)表中6—S表示每英寸6牙，以此類推。

(3)對于29o 梯形螺紋的閥桿系數(shù)由公式DFL／2×(cosΨtgα+μ)／(cosΨ-tgα×μ)求得。其中，DFL=名義直徑D-O.5×螺距；梯形螺紋牙形角Ψ=14.5o，摩擦系數(shù)μ=O.15；tga=導(dǎo)程／πDFL。

4．手輪圓周力

有些閘閥、截止閥是通過手輪操作來實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉，而標準也對施加在手輪輪轂邊緣上的力作出了規(guī)定。利用上面計算得到的扭矩，通過公式(3)可以計算到手輪上的圓周力，并可以判定其是否符合標準要求，或手輪大小選擇是否合理。

Fs——手輪圓周力，牛頓(N)；

R——手輪半徑，毫米mm。

5．應(yīng)用示例

有一AP1600彈性楔式閘閥，通徑為DNl50，管道壓力為PN5.OMPa(壓力等級CLASS300)，蒸汽閥門，求閥門操作扭矩及手輪圓周力。

(1)計算推力

A：查表l，查得閥門的閥座孔面積為17671.5mm²；

B：取壓差

閥門工作的惡劣情況是全管道壓力下開啟，故壓差取5.0MPa；

C：查表2得閥門系數(shù)為0.45；

由上可計算閥座上的推力f₁=17671.5×5.0×0.45= 39760.88N

D：查表3，得閥桿直徑31.8，計算f₂=(31.8)²×3.14／4×5.0=3969.12N(如管道壓力不大于6.89MPa時，可不加入介質(zhì)對閥桿的推力，因為此管道壓力為5.0MPa，故不加。)

E：查表4，得閥桿填料摩擦力，f₃=6670N；

F：由上得閥桿推力F= 39760.88+6670=46430.88N。

(2)計算扭矩

A：查表5得閥桿系數(shù)0.0032610；

B：扭矩M=46430.88×0.0032610=151.4NM。

(3)計算手輪圓周力

假設(shè)閥門手輪直徑457mm，手輪半徑R=457／2=228.5mm=0.2285m；

手輪圓周力=151.4／0.2285=663N；

附單位換算：1in=25.4mm；

1lbf／in²=0.006894757MPa=1psig：

1lbf=4.44822N。

6．結(jié)束語

筆者在實際工作中體會到，主要是應(yīng)對招投標的技術(shù)支持，特別是在外貿(mào)技術(shù)支持這方面，由于國外客戶或招標文件對閥門參數(shù)及數(shù)據(jù)要求比較具體，按照上述簡易計算公式，得到的結(jié)果比較正確，實際應(yīng)用效果比較好；工作效率也得到了一定的提高，實用性比較強。在此，筆者愿與行業(yè)同仁共同分享!

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