金屬密封球閥球體與閥桿接觸部位的優化設計

2013-08-14 金成波天津祥嘉流體控制系統有限公司

1、概述

　　金屬密封球閥廣泛應用于石油、煤化工、電力和冶金等行業。隨著閥門產品的大量使用，對其產品質量和結構設計提出了更高的要求。CAE(ComputerAidedEngineering)技術為解決這個問題提供了一種有效的方法。采用CAE分析，可以減少設計、試驗和修改過程中反復的次數，減少設計時間，降低設計工耗和成本。有限元分析是CAE技術中應用的一種方法。本文采用有限元分析的方法優化金屬密封球閥的設計。

2、問題提出

　　浮動球金屬密封球閥的閥桿與球體接觸部位應力過大時常引起硬化層剝落。當硬化層局部剝落擴展至整個球面時，輕則導致閥門無法密封，重則使得球體卡塞，無法正常啟閉，致使整個系統失效。針對這種情況，采用Ansys軟件優化球體與閥桿接觸部位設計。

　　首先，采用常規計算方法設計球體與閥桿接觸部位。球體與閥桿的材料為ASTMA564/A564M17-4PH，熱處理按H1150M，其抗拉強度為795MPa，按[σy]=σb/6～σb/4=132.5～198.75，取[σy]=193MPa。

　　在設計閥桿與球體連接結構時，除應滿足所傳遞的最大扭矩外，還要保證不因為局部接觸應力過大而造成對該部位整體結構的損傷。由于閥桿與球體連接部分是間隙配合，因此在接觸面上的比壓分布是不均勻的(圖1)。常規的計算方法是近似地采用擠壓長度Ly=0.3a，作用力矩的臂長K=0.8a，則擠壓應力σy為

(1)

圖1 閥桿頭部的比壓分布

　　式中 Mm———閥座密封面與球體間的摩擦轉矩，N·mm；a———閥桿正方形邊長，矩形截面的長邊邊長，mm；h———閥桿頭部插入球體槽的深度，mm

　　根據計算得出Mm=10kN·m，取閥桿與球體接觸矩形邊長a=50mm，閥桿伸入球體槽的深度h=1.8a，則σy=370.4MPa>[σy]。經分析，計算所得的擠壓應力遠遠超出材料的許用擠壓應力值。為滿足材料要求，只能加大閥桿與球體接觸部位的尺寸。僅調整矩形邊長a=62.5mm，則σy=189.6MPa>[σy]，其滿足了材料要求。但是由于閥桿與球體接觸部位的尺寸加大將減弱球體的強度，加大閥門的結構。于是，考慮通過有限元計算，在結構尺寸不變的情況下，采取結構調整降低閥桿與球體接觸處的擠壓應力。

3、優化設計

　　在Ansys有限元計算中應力應變分析步驟主要包括前處理、求解及后處理3個步驟。

3.1、前處理

　　有限元分析的前處理工作包括計算模型的建立及模型網格的劃分，可以用UG，PROE或者SOLIDWORKS等三維設計軟件建立計算模型。針對球體與閥桿的使用工況，對造成球體與閥桿接觸部位破壞的結構進行分析，確定對球體與閥桿接觸部位進行優化，能有效減少磨損。為此，形成球體與閥桿的5種不同設計方案(表1)。

表1 設計方案

　　在建立有限元模型時，采用了三維立體幾何模型，根據設計方案建立了3種球體模型(圖2，①球體銑方槽。②球體滑槽，接觸邊緣倒圓角。③球體滑槽，接觸邊緣不倒圓角)和2種閥桿模型(圖3，①閥桿扁榫，②閥桿扁榫與球體接觸部位高出0.8mm)。

(a)球體銑方槽(b)球體滑槽，接觸邊緣倒圓角(c)球體滑槽，接觸邊緣不倒圓角

圖2 球體模型

(a)閥桿扁榫(b)閥桿扁榫與球體接觸部位高出0.8mm

圖3 閥桿模型

　　在Ansys工作環境中對模型的材料特性、楊氏模量、單元類型及實用常數等進行設定，通過求解得計算模型的網格劃分圖(圖4)。

圖4 計算模型的網格劃分

3.2、求解

　　在進行有限元計算求解之前，首先進行環境設定，即給出約束條件。圖5給出了球閥球體與閥桿力學模型，通過計算得閥座密封面與球體的摩擦轉矩為10kN·m扭矩，作用在閥桿兩鍵槽處的力為191kN，設定填料函處具有無摩擦固定支承，球體與閥座接觸面設定為瞬間固定支承。

圖5 球體與閥桿力學模型-受力分析

　　(1)方案1

　　在球體與閥桿接觸部銑方槽，閥桿扁榫不更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應力圖(圖6)。在應力圖中，球體與閥桿接觸處最大應力值比較集中在球孔邊緣處很小的兩塊區域，這兩塊區域極易產生破損失效，此結構球體閥桿槽最大應力σy=227MPa，超出了材料最大許用應力值，故不合格。

(a)球體與閥桿接觸部變形圖(b)球體與閥桿接觸部應力圖

圖6 方案1

　　(2)方案2

　　在球體與閥桿接觸部銑方槽，閥桿扁榫更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應力圖(圖7)。在應力圖中，球體與閥桿接觸處最大應力區域由兩側改為中間，其最大應力值得到了降低σy=193.355MPa，但最大應力值還是超過了材料的許用應力[σy]，故需通過進一步的改進設計優化結構。

(a)球體與閥桿接觸部變形圖(b)球體與閥桿接觸部應力圖

圖7 方案2

　　(3)方案3

　　在球體與閥桿接觸部銑圓弧槽，閥桿扁榫不更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應力圖(圖8)。在應力圖中，最大應力σy=215.589MPa，最大應力值超出材料許用應力[σy]，故不合格。

(a)球體與閥桿接觸部變形圖(b)球體與閥桿接觸部應力圖

圖8 方案3

　　(4)方案4

　　在球體與閥桿接觸部銑圓弧槽，閥桿扁榫更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應力圖(圖9)。在應力圖中，最大應力σy=181.446MPa，雖然該結構的計算模型求解后最大應力值小于材料的許用應力值，但其值接近材料許用應力[σy]，為此需要進一步的優化設計。

(a)球體與閥桿接觸部變形圖(b)球體與閥桿接觸部應力圖

圖9 方案4

(a)球體與閥桿接觸部變形圖(b)球體與閥桿接觸部應力剖視圖

圖10 方案5

　　(5)方案5

　　球體與閥桿接觸部銑圓弧槽，閥桿扁榫做更改，同時為了更好地防止應力集中，面接觸處銳部倒圓角。通過分析軟件的求解計算，得到球體和閥桿接觸部變形圖及應力剖視圖(圖10)。在應力圖中，最大變形量0.018mm，最大應力σy=154.539MPa，最大應力值小于材料許用擠壓應力值[σy]，滿足設計要求。同時由于接觸部所受最大應力處遠離金屬密封球閥球體涂層易剝落區故此設計改進較為合理。