金属密封球阀球体与阀杆接触部位的优化设计

2013-08-14 金成波天津祥嘉流体控制系统有限公司

1、概述

　　金属密封球阀广泛应用于石油、煤化工、电力和冶金等行业。随着阀门产品的大量使用，对其产品质量和结构设计提出了更高的要求。CAE(ComputerAidedEngineering)技术为解决这个问题提供了一种有效的方法。采用CAE分析，可以减少设计、试验和修改过程中反复的次数，减少设计时间，降低设计工耗和成本。有限元分析是CAE技术中应用的一种方法。本文采用有限元分析的方法优化金属密封球阀的设计。

2、问题提出

　　浮动球金属密封球阀的阀杆与球体接触部位应力过大时常引起硬化层剥落。当硬化层局部剥落扩展至整个球面时，轻则导致阀门无法密封，重则使得球体卡塞，无法正常启闭，致使整个系统失效。针对这种情况，采用Ansys软件优化球体与阀杆接触部位设计。

　　首先，采用常规计算方法设计球体与阀杆接触部位。球体与阀杆的材料为ASTMA564/A564M17-4PH，热处理按H1150M，其抗拉强度为795MPa，按[σy]=σb/6～σb/4=132.5～198.75，取[σy]=193MPa。

　　在设计阀杆与球体连接结构时，除应满足所传递的最大扭矩外，还要保证不因为局部接触应力过大而造成对该部位整体结构的损伤。由于阀杆与球体连接部分是间隙配合，因此在接触面上的比压分布是不均匀的(图1)。常规的计算方法是近似地采用挤压长度Ly=0.3a，作用力矩的臂长K=0.8a，则挤压应力σy为

(1)

图1 阀杆头部的比压分布

　　式中 Mm———阀座密封面与球体间的摩擦转矩，N·mm；a———阀杆正方形边长，矩形截面的长边边长，mm；h———阀杆头部插入球体槽的深度，mm

　　根据计算得出Mm=10kN·m，取阀杆与球体接触矩形边长a=50mm，阀杆伸入球体槽的深度h=1.8a，则σy=370.4MPa>[σy]。经分析，计算所得的挤压应力远远超出材料的许用挤压应力值。为满足材料要求，只能加大阀杆与球体接触部位的尺寸。仅调整矩形边长a=62.5mm，则σy=189.6MPa>[σy]，其满足了材料要求。但是由于阀杆与球体接触部位的尺寸加大将减弱球体的强度，加大阀门的结构。于是，考虑通过有限元计算，在结构尺寸不变的情况下，采取结构调整降低阀杆与球体接触处的挤压应力。

3、优化设计

　　在Ansys有限元计算中应力应变分析步骤主要包括前处理、求解及后处理3个步骤。

3.1、前处理

　　有限元分析的前处理工作包括计算模型的建立及模型网格的划分，可以用UG，PROE或者SOLIDWORKS等三维设计软件建立计算模型。针对球体与阀杆的使用工况，对造成球体与阀杆接触部位破坏的结构进行分析，确定对球体与阀杆接触部位进行优化，能有效减少磨损。为此，形成球体与阀杆的5种不同设计方案(表1)。

表1 设计方案

　　在建立有限元模型时，采用了三维立体几何模型，根据设计方案建立了3种球体模型(图2，①球体铣方槽。②球体滑槽，接触边缘倒圆角。③球体滑槽，接触边缘不倒圆角)和2种阀杆模型(图3，①阀杆扁榫，②阀杆扁榫与球体接触部位高出0.8mm)。

(a)球体铣方槽(b)球体滑槽，接触边缘倒圆角(c)球体滑槽，接触边缘不倒圆角

图2 球体模型

(a)阀杆扁榫(b)阀杆扁榫与球体接触部位高出0.8mm

图3 阀杆模型

　　在Ansys工作环境中对模型的材料特性、杨氏模量、单元类型及实用常数等进行设定，通过求解得计算模型的网格划分图(图4)。

图4 计算模型的网格划分

3.2、求解

　　在进行有限元计算求解之前，首先进行环境设定，即给出约束条件。图5给出了球阀球体与阀杆力学模型，通过计算得阀座密封面与球体的摩擦转矩为10kN·m扭矩，作用在阀杆两键槽处的力为191kN，设定填料函处具有无摩擦固定支承，球体与阀座接触面设定为瞬间固定支承。

图5 球体与阀杆力学模型-受力分析

　　(1)方案1

　　在球体与阀杆接触部铣方槽，阀杆扁榫不更改。通过Ansys分析软件的求解计算，得到球体与阀杆接触部变形图及应力图(图6)。在应力图中，球体与阀杆接触处最大应力值比较集中在球孔边缘处很小的两块区域，这两块区域极易产生破损失效，此结构球体阀杆槽最大应力σy=227MPa，超出了材料最大许用应力值，故不合格。

(a)球体与阀杆接触部变形图(b)球体与阀杆接触部应力图

图6 方案1

　　(2)方案2

　　在球体与阀杆接触部铣方槽，阀杆扁榫更改。通过Ansys分析软件的求解计算，得到球体与阀杆接触部变形图及应力图(图7)。在应力图中，球体与阀杆接触处最大应力区域由两侧改为中间，其最大应力值得到了降低σy=193.355MPa，但最大应力值还是超过了材料的许用应力[σy]，故需通过进一步的改进设计优化结构。

(a)球体与阀杆接触部变形图(b)球体与阀杆接触部应力图

图7 方案2

　　(3)方案3

　　在球体与阀杆接触部铣圆弧槽，阀杆扁榫不更改。通过Ansys分析软件的求解计算，得到球体与阀杆接触部变形图及应力图(图8)。在应力图中，最大应力σy=215.589MPa，最大应力值超出材料许用应力[σy]，故不合格。

(a)球体与阀杆接触部变形图(b)球体与阀杆接触部应力图

图8 方案3

　　(4)方案4

　　在球体与阀杆接触部铣圆弧槽，阀杆扁榫更改。通过Ansys分析软件的求解计算，得到球体与阀杆接触部变形图及应力图(图9)。在应力图中，最大应力σy=181.446MPa，虽然该结构的计算模型求解后最大应力值小于材料的许用应力值，但其值接近材料许用应力[σy]，为此需要进一步的优化设计。

(a)球体与阀杆接触部变形图(b)球体与阀杆接触部应力图

图9 方案4

(a)球体与阀杆接触部变形图(b)球体与阀杆接触部应力剖视图

图10 方案5

　　(5)方案5

　　球体与阀杆接触部铣圆弧槽，阀杆扁榫做更改，同时为了更好地防止应力集中，面接触处锐部倒圆角。通过分析软件的求解计算，得到球体和阀杆接触部变形图及应力剖视图(图10)。在应力图中，最大变形量0.018mm，最大应力σy=154.539MPa，最大应力值小于材料许用挤压应力值[σy]，满足设计要求。同时由于接触部所受最大应力处远离金属密封球阀球体涂层易剥落区故此设计改进较为合理。