球閥被廣泛的應用在石油煉制、長輸管線、化工、造紙、制藥、水利、電力、市政、鋼鐵等行業，流體阻力小，全通徑的球閥基本沒有流阻，緊密可靠，但球閥的啟閉扭矩是反映球閥性能的關鍵參數之一，它是指閥門開啟或關閉所必須施加的作用力或力矩，是閥門在介質壓力作用下動作的一項綜合技術指標。隨著時代發展，進入21世經以后，生產和制造技術有了顯著優化提高，為了解決球閥減輕啟閉力矩，降低成本，滾動軸承在球閥中得到應用，使其啟閉扭矩明顯降低，延長使用壽命，操作性能顯著提高。

1 結構設計

在輸送礦漿用球閥、水煤漿工況用球閥等大口徑固定球閥，閥桿采用防塵和防噴出設計，在結構上確保閥桿只承受閥門啟閉力矩，介質的推力由上、下支承軸承擔，使閥桿的受力情況有了很好改善，保證閥桿能夠長期可靠地工作，上下支承軸均設置有滾動軸承和滑動軸承，由此降低閥門的操作力矩。如圖1、圖2所示。小徑口浮動球閥，閥桿軸頸處設計滾動軸承與密封圈。如圖3所示。

圖1 固定球閥上承軸結構

圖2 固定球閥下承軸結構

圖3 浮動球閥閥桿軸頸結構

2 球閥的摩擦力矩分析

球閥的轉矩計算是確定驅動裝置的功率及主要零件強度計算的基礎。轉矩大小決于摩擦力矩和介質流經閥門所產生的動水力矩。動水力矩是由于轉軸兩動水作用力不等而引起的力矩，是在啟閉件脫離閥座密封圈封面后，在介質流動中產生的。它和密封面間的摩擦力矩不會同時產生，在數值上一般小于密封面的摩擦力矩。摩擦力矩一般包括：啟閉件與閥座密封面之間的摩擦力矩，閥桿與填料間摩擦轉矩，閥桿與軸承之間的摩擦力矩等。如圖4所示。

圖4 球閥轉矩與開度關系

由圖4可以看出在球體開啟的瞬間，轉矩具有最大值。因為這時密封副受到的密封力最大（要承受最大壓差及預緊力作用）。隨著開度增大轉矩逐漸下降，雖然在12°～14°時又略有升高，但總的來說，最大轉矩發生在開啟瞬間。因此，計算分析閥桿力矩時，按最大壓差（即處于全關狀態下）進行。在這一階段，只有摩擦力矩而無動水力矩。如圖5所示。

圖5 密封面上任意受力分析

設密封面上任一點a的坐標為a（x，y，z），轉軸l（即z軸）的方程為

（1）

a點到l距離為

（2）

由幾何關系分析，摩擦力的方向是沿a點處繞軸旋轉的切向方向并與旋轉度方向相反，則摩擦力為

（3）

摩擦力矩為

（4）

摩擦總力矩為

（5）

3閥桿力矩計算

閥門在石油、化工、電力、城建和工業企業的給排水、供熱及供氣系統中有著廣泛的應用。存些系統中使用的球閥通常處于常開或常閉狀態，當一個長期處于關閉狀態的球閥需要開啟時，關閉與開啟的力矩最很大。

固定球球閥的閥桿力矩計算公式：

mf=mqg+mft+mzc （6）

固定球球閥的球體與閥座密封面間的摩擦力矩計算公式：

mqg=mqg1+mqg2 （7）

由閥座對球體的預緊力產生的摩擦力矩計算公式：

（8）

由介質工作壓力產生的摩擦力矩計算公式：

浮動球球閥閥桿力矩計算公式：

mqf=mqf+mft+mzc （10）

浮動球球閥的球體與閥座密封面間的摩擦力矩計算公式：

mqf=mqf1+mqf2 （11）

進口端閥座密封面與球體間的摩擦力矩計算公式：

mqf1=m'qf1+m''qf1（12）

進口端閥座對球體預緊力產生的摩擦力矩計算公式：

介質對進口閥座的作用力而產生的摩擦力矩計算公式：

球體與出口閥座密封面間的摩擦力矩計算公式：

填料與閥桿間摩擦力矩計算公式：

（16）

軸承產生的摩擦力矩計算公式：

（17）

式中 mf——球閥的閥桿力矩，n.mm；

mqg——固定球球閥的球體與閥座密封面間的摩擦力矩，n.mm；

mqg1——由閥座對球體的預緊力產生的摩擦力矩，n.mm；

mqg2——由介質工作壓力產生的摩擦力矩，n.mm；

mqf1——進口端閥座密封面對球體預緊力產生的摩擦力矩，n.mm；

m'qf1——進口端閥座對球體預緊力產生的摩擦力矩，n.mm；

m''qf1——介質對進口閥座的作用力而產后的摩擦力矩，n.mm；

mqf2——球體與出口閥座密封面間的摩擦力矩，n.mm；

mft——填料與閥桿間摩擦力

mzc——軸承產生的摩擦力矩，n.mm；

dmw——閥座密封圈與球體接融面外徑，mm；

dmn——閥座密封圈與球體接融面內徑，mm；

djh——活動閥座外徑，mm；