1、概述

　　金屬密封球閥廣泛應(yīng)用于石油、煤化工、電力和冶金等行業(yè)。隨著閥門產(chǎn)品的大量使用，對其產(chǎn)品質(zhì)量和結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。CAE(ComputerAidedEngineering)技術(shù)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(shè)計、試驗和修改過程中反復(fù)的次數(shù)，減少設(shè)計時間，降低設(shè)計工耗和成本。有限元分析是CAE技術(shù)中應(yīng)用的一種方法。本文采用有限元分析的方法優(yōu)化金屬密封球閥的設(shè)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(yīng)力過大時常引起硬化層剝落。當(dāng)硬化層局部剝落擴展至整個球面時，輕則導(dǎo)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(tǒng)失效。針對這種情況，采用Ansys軟件優(yōu)化球體與閥桿接觸部位設(shè)計。

　　首先，采用常規(guī)計算方法設(shè)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(shè)計閥桿與球體連接結(jié)構(gòu)時，除應(yīng)滿足所傳遞的最大扭矩外，還要保證不因為局部接觸應(yīng)力過大而造成對該部位整體結(jié)構(gòu)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(guī)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(yīng)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(zhuǎn)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(jù)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(jīng)分析，計算所得的擠壓應(yīng)力遠遠超出材料的許用擠壓應(yīng)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(diào)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(jié)構(gòu)。于是，考慮通過有限元計算，在結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，采取結(jié)構(gòu)調(diào)整降低閥桿與球體接觸處的擠壓應(yīng)力。

3、優(yōu)化設(shè)計

　　在Ansys有限元計算中應(yīng)力應(yīng)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(wǎng)格的劃分，可以用UG，PROE或者SOLIDWORKS等三維設(shè)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(jié)構(gòu)進行分析，確定對球體與閥桿接觸部位進行優(yōu)化，能有效減少磨損。為此，形成球體與閥桿的5種不同設(shè)計方案(表1)。

表1 設(shè)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(jù)設(shè)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(huán)境中對模型的材料特性、楊氏模量、單元類型及實用常數(shù)等進行設(shè)定，通過求解得計算模型的網(wǎng)格劃分圖(圖4)。

圖4 計算模型的網(wǎng)格劃分

3.2、求解

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

圖5 球體與閥桿力學(xué)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(yīng)力圖(圖6)。在應(yīng)力圖中，球體與閥桿接觸處最大應(yīng)力值比較集中在球孔邊緣處很小的兩塊區(qū)域，這兩塊區(qū)域極易產(chǎn)生破損失效，此結(jié)構(gòu)球體閥桿槽最大應(yīng)力σy=227MPa，超出了材料最大許用應(yīng)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(yīng)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(yīng)力圖(圖7)。在應(yīng)力圖中，球體與閥桿接觸處最大應(yīng)力區(qū)域由兩側(cè)改為中間，其最大應(yīng)力值得到了降低σy=193.355MPa，但最大應(yīng)力值還是超過了材料的許用應(yīng)力[σy]，故需通過進一步的改進設(shè)計優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

(a)球體與閥桿接觸部變形圖(b)球體與閥桿接觸部應(yīng)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(yīng)力圖(圖8)。在應(yīng)力圖中，最大應(yīng)力σy=215.589MPa，最大應(yīng)力值超出材料許用應(yīng)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(yīng)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(yīng)力圖(圖9)。在應(yīng)力圖中，最大應(yīng)力σy=181.446MPa，雖然該結(jié)構(gòu)的計算模型求解后最大應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力值，但其值接近材料許用應(yīng)力[σy]，為此需要進一步的優(yōu)化設(shè)計。

(a)球體與閥桿接觸部變形圖(b)球體與閥桿接觸部應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力剖視圖(圖10)。在應(yīng)力圖中，最大變形量0.018mm，最大應(yīng)力σy=154.539MPa，最大應(yīng)力值小于材料許用擠壓應(yīng)力值[σy]，滿足設(shè)計要求。同時由于接觸部所受最大應(yīng)力處遠離金屬密封球閥球體涂層易剝落區(qū)故此設(shè)計改進較為合理。

3.3、后處理

　　通過分析5種方案(表2)，其采用方案5的設(shè)計方法時，金屬密封球閥的閥桿與球體接觸處的擠壓應(yīng)力小于材料許用擠壓應(yīng)力值，球體與閥桿接觸部位設(shè)計合理，有效。

表2 5種不同方案的計算結(jié)果

4、結(jié)語

　　計算結(jié)果表明，球體圓口倒角和閥桿扁榫特殊的高平臺凸起設(shè)計，能在不增大球閥結(jié)構(gòu)和不降低球體強度的基礎(chǔ)上，有效的降低局部的接觸應(yīng)力。在閥門設(shè)計過程中，當(dāng)傳統(tǒng)的設(shè)計方法不能滿足設(shè)計要求時，采用基于Ansys的分析與設(shè)計方法可以有效地優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，使其滿足性能要求，從而提高閥門設(shè)計的質(zhì)量和效率。