1、概述

　　COSMOSWORKS是完全整合在SOLIDWORKS中的設計分析系統, 它提供壓力、頻率、約束、熱量和優化分析等, 為設計人員在SOLIDWORKS的環境下, 提供了比較完整的分析手段。本文以固定球閥的閥座為重點研究對象, 因為在閥座的工程設計過程中, 閥座密封面上總作用力及密封比壓的計算在實際設計中使用的是經驗或修正公式, 利用現有手段, 這兩種參數不易準確測出。通過應用COSMOSWORKS有限元分析軟件計算模擬工況下固定球閥的密封比壓, 并與理論的計算公式進行對比, 為閥門的設計提供了相對準確的參考。

2、實體建模

　　以DN239mm, PN25MPa的固定球閥設計為例。在SOLIDWORKS中首先對固定球閥的各個零部件進行實體建模, 并對各零部件進行組裝(圖1) 。對裝配體進行干涉檢查, 得到各零件之間無干涉的裝配體。

圖1　球閥實體建模

3、有限元分析

3.1、密封機理

　　固定球閥采用進口密封(圖2),此時球閥壓差(P-P1) >0(P、P1為閥前和中腔的流體壓力)。當壓差大到一定程度,即在密封副表面造成一定的壓緊比壓時, 此比壓將引起閥座彈塑性變形, 填塞密封面上的微觀不平度以阻止流體從密封副間通過。當壓差較小或閥座采用金屬材料制作時,依靠壓差不能達到完全密封, 此時必須另加一個密封外力, 以加大壓緊比壓。根據工作壓力計算密封所需的必需比壓qb 的經驗公式為qb = 1.2PN= 30MPa。為保證球閥密封可靠, 在球體和閥座的接觸表面上應有足夠的比壓, 但不得超過密封副材料的許用比壓[q]。理論密封比壓q1為

圖2　球閥密封原理

q1 =Q/S

　　式中Q———球閥密封力, N

　　　　P———公稱壓力, MPa
　　　　S ———閥座密封面的面積(S = 7634) , mm2
　　　　d2 ———閥座支撐圈外徑( d2 = 290) , mm
　　　　D2 ———閥座的外徑(D2 = 270) , mm
　　　　D1 ———閥座的內徑(D1 = 256) , mm
　　代入各值, 得出q1 的值為40.17MPa。

3.2、有限元計算

　　由于密封比壓的計算過程僅與球體、閥座和閥座支承圈等零部件有關, 所以對其有限元分析模型做了簡化(圖3) , 這樣不僅節約了計算機資源,而且提高了計算結果的準確性。通過模擬現實工況, 需計算得出閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力值Qs。

式中Q1 ———預緊力在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上的壓力, MPa
　　Q2 ———公稱壓力在閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力, MPa
　　S1 ———閥座支撐圈與左右閥體接觸面的面積( S1 = 21189.26, 可在SOLIDWORKS中直接測得) , mm²
　　d1 ———閥座支撐圈的內徑( d1 = 239) , mm

　　代入各值, 得Qs 的值為23.01MPa。

　　根據現實工況, 在COSMOSWORKS中建立一個靜力學分析算例, 并確定約束載荷條件(①固定球體與上閥桿和底蓋相接觸面。②限定閥座和閥座支撐圈只能在軸向上運動。③將Qs 施加在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上, 進行網格化。④確定球體和閥座支撐圈的材料為35號鋼, 閥座的材料為奧氏體不銹鋼, 密封面間無滑動(奧氏體不銹鋼的許用比壓[q] 值為150MPa) , 點擊運行, 計算結果如圖3c所示。

(a) 分析模型　(b) 模型網格化　(c) 模型計算結果

圖3　有限元分析

3.3、提取結果

　　在閥座密封面上等距獲取25個點(圖4) , 然后沿X方向依次探測這25個點的壓力值, 再將探測數據導入Excel中進行分析(圖5) , 得到密封比壓在閥座密封面上呈拋物線分布, 其最大值處于閥座的內徑處, 為62.1MPa, 最小值處于閥座中部,其值為40.16MPa。結合閥門密封設計參數必須比壓qb(30MPa) 和閥座材料的許用比壓[q](150MPa) 。密封比壓的值處于qb 和[q]之間,滿足了設計準則。

圖4　在閥座上取點　　圖5　密封比壓在閥座密封面上沿X方向的壓力分布

4、結語

　　由于在密封過程中, 閥座與球體密封面相對固定, 不能運動, 故在受到預緊力和流體壓力后, 密封環的內徑軸向相對于中部變形裕量小, 受到的擠壓力較大。密封環的徑向相對于中部變形裕量大,受到的擠壓力也相對較小。另外, 雖然球體與閥座接觸, 但由于毛細現象而有流體介質存在, 當球體沿流向有相對運動時, 球體與閥座更加緊密接觸,從密封面邊緣到中部的流體介質越來越少, 所以密封面邊緣處在介質與球體的雙重作用下, 受力略大于密封面中部。因此, 在密封面上密封比壓呈拋物線分布。在邊緣環面, 由于受預緊力、介質施加力和金屬球體綜合作用, 故產生有波動的變化曲線,尤其在密封面外徑處影響更大。由于毛細現象的影響, 取密封面中部的密封比壓作為整個固定球閥的密封比壓是合理的。根據圖5取得密封面中部的壓力值為40.16M Pa, 而理論計算的密封比壓值為40.17M Pa。兩者之間的差值為0.01M Pa, 誤差<3%。可見用有限元計算得出的固定球閥的密封比壓的值是可信的。而且可以完全反映出密封比壓在整個閥座上的分布情況, 從而對整個閥門的設計提供了可靠的設計依據。