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阀门技术

基于SolidWorks Simulation的轨道式球阀密封比压有限元分析

    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°位置为阀座最下端,θ=90°位置为阀座水平面中点,θ=180°位置为阀座最上端。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°附近密封比压最小。

    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最大。

    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最小值。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精确计算的场合。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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标签:SolidWorks Simulation 轨道式球阀 密封比压

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