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

　　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求解分析，得出了密封面密封比压分布规律曲线，可以此作为阀门密封性能验算和确定阀门执行机构规格的技术依据。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。

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。