轨道式球阀在动作中具有密封面无磨损的特点，且具有良好的密封性能，可实现硬密封零泄漏，主要应用于要求使用寿命长且需严格密封的场合。
目前，在国内煤化工项目中，液氮洗单元普遍选用轨道式球阀，每个液氮洗单元需要轨道式球阀10余台。长期以来，国内市场上基本为进口产品，价格非常昂贵，售后不及时，出现故障得不到及时维修，用户损失较大。为此，轨道式球阀的国产化受到国内用户和阀门生产厂家的极大关注。
1 轨道式球阀的结构及工作原理
气动金属硬密封轨道式球阀由阀体、阀盖、球体、阀杆、耳轴轴套、销轴、阀杆轴套、导向销钉及气动执行器等零部件组成，如图1所示。
工作原理：气动执行器输出轴在气源压力作用下上下移动，当气动执行器输出轴向上移动，带动阀杆上升，此时导向销与阀杆上的螺旋槽直行程段限制阀杆只作上升运动，阀杆下部斜面与销轴配合，使球体先向左偏移角度，密封副脱离。阀杆继续上升，导向销与阀杆螺旋槽配合，使阀杆作90°转动。这时阀杆下部扁面与销轴配合，带动球体作90°旋转后，阀门开启。反之，当气动执行器输出轴下移，带动阀杆下降，此时导向销与阀杆的螺旋槽配合，使阀杆作90°转动，阀杆下部扁面与销轴配合，带动球体作90°转动后，球体密封面对正阀座密封面。阀杆继续下降，这时导向销限制阀杆只作下降运动，阀杆的下部斜面与销轴配合，产生楔紧力，带动球体压紧阀座，阀门关闭。阀杆仍可继续下降，对密封面继续施加强制密封力。
1-阀体；2-阀座；3-球体；4-球体销轴；5-阀盖；
6-下阀杆轴套；7-上阀杆轴套；8-填料；
9-填料压套；10-填料压板；11-阀杆导销；12-阀杆；
13-气动执行器输出轴；14-支架；15-气动执行器
图1 气动金属硬密封轨道式球阀结构
轨道式球阀的密封性能是评价阀门性能的重要指标。因轨道式球阀的密封由阀杆对球体局部的楔紧力来实现，导致密封面密封比压分布不均匀，致使真实密封比压难以描述和计算。本文基于SolidWorksSimulation有限元分析软件，对轨道式球阀密封比压进行了数值分析，实践表明，该方法分析过程简便，计算结果可较准确地反映实际受力情况。
2 密封比压有限元分析
2.1 球体受力分析
如图2所示，在常压下，轨道式球阀球体分别承受销轴施加的主动力、耳轴衬套反作用力及与阀座直接的接触力。当阀门关闭时，阀杆提供的楔紧力通过销轴作用在球体局部位置，给球体提供向右滚动的力；支撑轴作为球体在阀体内滚动时的支点，并保证球体滚动时球体中心高度不变；密封球面与阀座密封面压紧后实现密封。
1-阀座；2-球体；3-销轴4-阀杆
图2 轨道式球阀球体受力分析图
将密封面划分为n个受力单元面，则球体的简化受力模型为：
（1）
单元面局部密封比压： （2）
式中：NA—销轴对球体施加的主动力；
NB—耳轴套对球体的支撑反力；
qi—密封面第i个单元面局部密封比压；
Si—密封面第i个单元面积；
NMi—密封面第i个单元正压力；
NMi-x—密封面第i个单元正压力在x方向的分力；
NMi-Y—密封面第i个单元正压力在y方向的分力；
LA、LB—分别为NA、NB作用力臂；
α—阀杆楔紧角。
2.2 有限元模型建立与求解
利用SolidWorks软件对球体、阀座、耳轴套取1/2部分进行三维建模，利用软件自带网格划分工具划分网格，并对主要受力面进行细化网格控制，共划分为12357个单元，208881个节点。将接触设置为全局无穿透，阀座、耳轴套设置为固定约束，对称面剖切面设置为对称约束，销轴孔处沿实际受力方向施加1/2倍实际外部载荷，所建三维模型如图3所示。
图3 有限元模型
2.3 计算结果与分析
2.3.1 有限元分析结果
解算器选用FFEPlus，通过求解运算，得出密封面表面应力云图，如图4所示。
图4 阀座应力云图
2.3.2 结果分析
图5为1/2阀座的结构主视图和左视图。
1-密封面内圈；2-密封面外圈（a）主视图 （b）左视图
图5 1/2阀座结构
如图5所示，θ和β为两个角度变量。图5（b）中，θ=0°位置为阀座*下端，θ=90°位置为阀座水平面中点，θ=180°位置为阀座*上端。图5（a）中，在任意截面，β=0为密封面外圈位置，β=1为密封面内圈位置。
通过图4的分析计算结果，提取出各网格节点的密封比压，得出密封比压沿圆周展开方向的变化规律曲线，如图6所示。
图6 密封比压在周向随变化曲线（0-180°范围）
由图6可以看出，在θ=0°处和θ=180°处的密封比压较大，且θ=0°处的密封比压略大于θ=180°处的密封比压，θ=90°附近密封比压*小。
为进一步探索在不同截面，密封比压随β变化分布情况，提取θ=0°、θ=90°、θ=180°三处截面密封面节点的密封比压，绘制密封比压分布曲线，如图7所示。
图7 密封比压随β变化曲线
从图7（a、b、c）曲线走势可以得出结论，在任一截面，密封比压基本沿纵向深入且逐渐增大，在靠近密封面内径处达到*大。
2.3.3 密封性能判断
从以上分析结果可知，轨道式球阀密封面密封比压在圆周方向分布不均匀，在纵向方向分布也不均匀，所以，传统的简化为受力点的工程计算方法不合理也不准确，事实上，密封面任意点的局部密封比压数值应处于图6中两条曲线之间的范围内。
由于模型为对称结构，θ=0°与θ=360°处数值相等，θ=90°与θ=270°处数值相等，因此，从图6曲线可知，在θ=90°和θ=270°处密封比压相等且为*小值。由文献[6]可知，密封条件为密封比压大于必须比压，因此，应该以该截面密封比压为依据，来验算执行机构选取合理与否。
3 结语
（1）利用SolidWorksSimulation软件，对轨道式球阀进行密封比压数值分析，得到的结果显示，密封比压沿密封面圆周方向分布不均匀，在同一截面沿纵向分布也不均匀，且得到的曲线分布规律符合阀门密封面实际受力情况。通过试验证明，采用该分析方法选取或设计执行机构，满足阀门零泄漏的密封要求，因此，该分析方法合理、结果准确。该设计和分析方法同样可以为其他机械产品设计和分析提供借鉴，具有一定的工程实用价值。
（2）通过对重点区域进行分析，绘制密封比压应力分布曲线，使设计人员更加直观地掌握密封面内部受力情况，从而全面地对产品进行评估，更加合理地选取或设计执行机构的规格。
本文采用的数值分析方法，改变了传统设计理念，尤其适用在实际受力过程无法用理论**计算的场合。基于SolidWorksSimulation的有限元分析方法，可以优化工作流程，大幅度缩短产品设计周期尤其是新产品的研发周期，降低设计成本，提高机械产品的综合性能，对促进煤化工专用阀门的发展有重要意义。
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