轨道球阀综合了闸阀、球阀和截止阀的众多优点，是一种具有无摩擦启闭特点的强制密封型阀门，适用于操作压差大、频繁开关、密封等级要求高、不允许经常维修更换的场景。因此广泛应用于石油化工、长输管线、新能源等行业，尤其在对密封、安全要求严格的极端工况下表现突出。
石化行业作为国民经济的支柱型、基础性行业。在石油化工、天然气处理领域，分子筛大量用于脱水或吸附，而分子筛用阀门启闭频繁、系统循环温差大，并且要求零泄漏以避免气体浪费与提高效率。此外，高压加氢工艺是石油深加工的一个重要手段，其工艺流程中有大量易燃易爆气体，需要确保密封严密。轨道球阀无摩擦启闭和楔紧力持续密封的特点使其十分可靠和耐用。由于轨道球阀需要确保长期严密密封，因此其密封特性与密封性能的研究和提升对于保证装置和系统的安全至关重要。
针对常规球阀的密封特性，已有学者进行了系统的研究。李松岭等研究了硬密封球阀在不同压力角下的密封比压分布，并通过样机试验确定了结构参数最优值。耿鹏逞针对固定式硬密封球阀，对其密封比压分布进行仿真研究，得到了最佳的压力角和密封面宽度。孔静娴等基于密封比压分析，实现了球阀阀座接触面的形面优化，并且基于Roth泄漏模型，验证了均匀分布比“U”形分布的密封性能更佳。Zhang等通过对V型球阀的仿真，发现其密封面内径接触应力呈对称的"翼形"分布，而外径接触应力则呈"蝶形"分布。牛统对不同结构参数下的固定球阀密封性能进行仿真分析并进行优化。李清等选取阀座密封面上的三条特征路径，以其密封特性代替整个阀座密封面进行研究。
常规硬密封球阀通过沿阀座轴向方向的碟簧预紧力实现密封，因此密封比压在环向上相等，在轴向上呈现“U”形分布或抛物线形分布。半偏心球阀较特殊，由于回转偏心，因此密封面上的密封比压存在周向上的不均匀分布。
由于轨道球阀的无摩擦启闭特性，球芯在旋转过程中不与阀座产生任何接触。当球芯恰好绕竖直轴线完成旋转时，球芯处于楔紧移动的初始状态，球芯与阀座间存在缝隙。
在密封过程中，阀杆受推力作用，底部楔形向下移动，通过挤压滚销将一部分推力转化为促使球芯转动的力。如图1所示，球芯下方球轴贴合下轴座转动，使球芯向右移动的同时略微偏转，直至球芯与阀座二者密封面贴合压紧。故轨道球阀的密封力方向并非沿阀座轴线方向，导致轨道球阀的密封特性十分复杂。
由于轨道球阀的密封楔紧过程中，球芯绕着底部球轴进行旋转，上下端密封余量不同，因此球芯与阀座上下贴合面的接触力不一致，密封比压也并非环向均匀分布。并且与最终楔紧过程中球芯相对于下轴座球面法向的旋转角度有关。刘惺等利用有限元分析，对轨道球阀阀座上的最大比压进行计算，并评定了其有效性。针对轨道球阀的密封特性，目前开展的研究较少，轨道球阀的密封特性暂不明确。
图1 轨道球阀楔紧密封过程示意图
因此，考虑轨道球阀无摩擦启闭与楔紧密封的特点，本文基于有限元分析，探究推力楔紧作用下轨道球阀的强制密封特性，为轨道球阀密封副的深入优化与工程验证及应用提供参考。
2 数值计算模型
2.1 轨道球阀密封 几何模型
本文选取轨道球阀关闭时的几何模型进行分析。图2为DN200 Class2500轨道球阀的主要密封结构图，主要由阀体、球芯、滚销、阀座、阀杆、下轴座构成。
图2 DN200轨道球阀主要密封结构图
轨道球阀密封过程中，其应力分布状态对密封比压有直接影响的零件为球芯、滚销、阀座、阀杆、下轴座，因此在建立模型时忽略其他零件，仅保留以上必要零件。
球芯、阀座、下轴座的材料为A182 F321，球芯和阀座表面有Ni基涂层，阀杆和滚销的材料为Inconel 718。阀座和下轴座采用多区域网格划分方法，阀杆、滚销、球芯采用四面体网格划分方法，网格模型节点数为5005216，单元数为3500594。
2.2 模型约束及接触设置
由于轨道球阀在强制密封的过程中，零件可能会产生细微滑移，因此力的传导受接触对接触类型影响。故需要准确定义各零件间的接触关系。根据装配关系，滚销与球芯采用紧定螺钉固定安装，因此接触类型为Bonded；在楔紧过程中，球芯与下轴座始终紧密贴合，以辅助将推力转化为密封楔紧力，该处摩擦力对密封性能几乎没有影响，因此接触类型设置为No Separation；阀杆与滚销，阀芯与阀座间存在相对位移，且为金属-金属接触，因此接触类型设置为Frictional，金属配合表面的摩擦系数受表面粗糙度、涂层及工况的影响，阀门密封副的摩擦系数约为0.2，故本文取0.2。模型接触设置具体如表1所示。
此外，只有保证零件的约束是合理的，才能得到理想的计算结果，模型整体应恰好被约束，避免过度约束产生与实际情况不符合的结果，也避免欠约束导致模型产生刚体运动，影响计算结果的收敛性和合理性。部分零件在建模时被省略，但是需要在约束设置时还原其实际作用。在静力学分析时，视阀门固定安装于管路，因此阀体受到固定约束。而阀座和下轴座直接安装于阀体，不产生任何移动，因此在省略阀体模型的情况下，阀座和下轴座与阀体装配的位置可视为受到固定约束。阀杆通过导向销与支架上的轨道完成装配。在密封过程中，阀杆仅能产生竖直Z方向上的位移，因此阀杆圆柱装配面受到径向和切向的圆柱体约束。根据上述分析结果，进行约束设置。
表1 模型接触设置
2.3 计算模型设置
由于轨道球阀密封时推力保持恒定，球阀整机受力状态也维持稳定。故本文选择结构静力学模型以分析轨道球阀阀杆受推力时的密封副密封比压分布。阀杆推力的加载方式为Force，竖直向下作用于阀杆传动位置。为保证加载过程平稳，不发生模型接触关系及局部应力的突变，提升模型收敛性，设置分析总时长为1 s，并分为4个等长的时间步，开启自动子步划分及携带时步。
3 数值模拟结果与分析
3.1 轨道球阀密封比压分布
完成计算后，首先获取阀座密封面上的密封比压分布。阀座密封面路径A、路径B密封比压分布如图3所示。
图3 阀座密封面路径A、路径B密封比压分布图
从图3可以发现，轨道球阀阀座密封面上的密封比压在周向方向上的分布是不均匀的，呈现上侧大、下侧小的特点。此外，密封面的不同区域，径向上的密封比压分布也不同。在靠近上侧区域的密封面，密封比压呈现出密封面边缘比压大，而中间小的特点。在靠近下侧区域的密封面，密封比压的分布则截然不同，在靠近密封面外圆侧，密封比压几乎为0，而在靠近内圆一侧，密封比压迅速增大。
在整个密封面上，有一半以上的区域与下侧区域存在相似的密封比压分布。随着区域逐渐上移至上侧，外圆一侧的密封比压逐渐增大。整体看，密封比压在周向上的变化是连续的，不存在突变。为更加直观地对比上下两侧密封比压的分布特点，选取以XY平面为对称面的上下两个区域，并且分别选取路径A、路径B。
通过两条路径上密封比压的分布对比，可以推断出球芯与阀座的受力情况，有助于更全面地分析轨道球阀的强制密封特性。
如图4所示，路径A上的密封比压呈“μ”形分布，即从一较小值起始增大，在一拐点处之后减小，随后呈“U”形分布。“U”形的密封比压分布在固定式球阀中十分常见，其特点为密封预紧力沿阀座中心轴线方向。轨道球阀路径A上仅有部分区域呈不均衡的“U”形分布，由此可以判断，在强制密封时，球芯上侧对于阀座的作用力不是与阀座轴线平行的。
图4 路径A密封比压分布曲线
就路径A而言，靠近外圆一侧的密封比压较小，靠近内圆一侧的密封比压较大，因此轨道球阀球芯对阀座的挤压是内圆侧大于外圆侧。这个分布特点符合轨道球阀强制密封时，球芯沿X轴做顺时针小幅度旋转的运动特性。从路径A上的密封比压分布曲线可知，密封比压最小值为19.31 MPa，最大值为183.59 MPa，靠近上侧区域的阀座密封面与球芯密封面完全贴合。
如图5所示，路径B上的密封比压分布曲线基本呈单调递增趋势，并且在靠近内圆一侧急剧增大，整体分布特征为半“U”形，即只有缓慢增加和急剧增加的两个阶段。该分布特点与轨道球阀强制密封时球芯的运动特性相吻合。当球芯绕X轴小幅度旋转时，靠外圆一侧的密封副有脱离接触的趋势，而靠内圆一侧的密封副有持续压紧的趋势。
图5 路径B密封比压分布曲线
阀座密封面上下两侧区域的密封比压径向分布特点均可以说明，球芯与阀座实现密封时，在周向上的接触是不均匀的。当球芯与阀座恰好接触时，球芯与阀座密封面完全贴合，并且二者密封环面的中心轴线重合。但是在恰好接触至压紧密封的过程中，球芯有绕X轴的微小旋转，导致球芯与阀座的接触存在上侧压紧、下侧脱离的趋势。基于此，可进一步推断，从密封面下侧区域至上侧区域的中间区域，其比压呈“μ”与半“U”形之间的过渡态分布。选取中间，以XZ为对称平面的两个区域上的路径C和路径D做进一步分析。
由图6初步分析可知，路径C与路径D上的密封比压分布特征十分相似，分别提取两条路径上的密封比压，并进行对比分析。横坐标为路径上一点到路径起点的距离。
图6 阀座密封面路径C、路径D密封比压分布图
由图7可知，路径C与路径D上的密封比压分布几乎完全一致，从外圆侧至内圆侧，由一非零值开始增长，到拐点后先下降，随后转向平稳增长，到靠近内圆一侧时迅速增大。其密封比压分布形态介于下侧区域与上侧区域的形态之间。即介于半“U”形与“μ”形之间，呈现过渡特征。其路径上的密封比压处处不为零，且并非单调增长，有一先升后降的区域，但是该区域的波动较上侧区域的对应波动要小很多。故轨道球阀上侧区域密封较为紧密，密封比压较大，随着区域由上至下，密封紧密程度逐渐减小，并且外圆一侧密封副的分离趋势越来越显著，直至最下侧的部分区域，球芯与阀座有局部未压紧。
图7 路径C、路径D密封比压分布对比
3.2 轨道球阀密封性能
轨道球阀密封比压在周向和径向上的分布都是不均匀的，但是只要有一完整连续的区域，其密封比压大于必需比压且小于许用比压，阀门就可以实现可靠密封。首先参照《实用阀门设计手册》对必须密封比压进行计算。
式中 qMF———必须密封比压,MPa
PN ———公称压力,bar
bm———密封面宽度,mm
本文中轨道球阀的压力等级可等效为PN420，密封面宽度9.5 mm，将轨道球阀的参数代入公式，计算得到轨道球阀的必须密封比压qMF为46.68 MPa。
阀座和球芯的基材均为A182 F321，表面经过热喷处理，由于涂层的厚度极薄，在计算许用比压时直接选取基材进行计算，A182 F321属于不锈钢，不锈钢的许用比压为250 MPa。
由于阀座最下侧区域的密封最不严密，阀座最上侧区域的密封最紧密，因此它们中间的过渡是光滑的。当最下侧区域路径上的一段密封面密封比压大于必须密封比压，此外所有区域的密封比压均小于材料的许用比压时，轨道球阀的整个密封副都得到严密的密封。
将四个路径上的密封比压分布绘制在同一张图中，添加一个蓝色平面，其纵坐标值等于必须密封比压数值46.68。如图8所示，路径压力落在蓝色平面上侧的区域即为阀门严密密封的区域。分别观察四条路径，每条路径上的有效密封面宽度均大于1.5 mm，该阀门的密封性能良好。
图8 轨道球阀各路经密封比压分布及有效密封区域对比图
4 结论
本文以轨道球阀为研究对象，建立了轨道球阀密封件的几何模型，采用有限元分析对密封后的轨道球阀密封面密封比压进行仿真。通过仿真计算，获取了轨道球阀阀座密封面上的密封比压并提取了不同位置径向路径上的密封比压分布。通过对阀座密封面密封比压分布图的分析，发现轨道球阀密封面上的密封比压在周向呈非均匀分布。在整个密封副上，密封比压呈现上侧大、下侧小、左右对称相等的分布特征；有效密封区域上侧大、下侧小，呈现向上偏置的环形分布。在靠近上侧的区域，局部径向路径上的密封比压沿径向方向呈“μ”形分布；在远离上侧区域的路径上，径向路径上的密封比压沿径向方向呈“半U”形分布，且变化平缓的“U”形底占比较大。根据密封比压分布与必需比压的对比分析，密封副在周向上有一连续环形区域的密封比压大于必需比压且小于许用比压，轨道球阀的密封面满足密封条件；在推力作用下，轨道球阀密封比压分布的不均匀程度不影响整体密封效果，不存在局部密封不严，因此轨道球阀的密封是可靠的。本文对轨道球阀在推力作用下的密封特性进行了分析，对进一步深入研究轨道球阀球芯密封过程中的旋转角度、球芯密封面的偏置角度等结构设计工作有一定参考价值，并有验证轨道球阀密封可靠性的实际工程应用价值。