2014年05月21日

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。

  气动金属硬密封轨道式球阀由阀体、阀盖、、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阀杆只作上升运动,阀杆下部斜面与销轴配合,使先向左偏移角度,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,带动作90旋转后,阀门。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,带动作90转动后,密封面对正阀座密封面。阀杆继续下降,这时导向销阀杆只作下降运动,阀杆的下部斜面与销轴配合,产生楔紧力,带动压紧阀座,阀门关闭。阀杆仍可继续下降,对密封面继续强制密封力。

  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。

  如图2所示,在常压下,轨道式球阀分别承受销轴的主动力、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局部,给提供向右滚动的力;支撑轴作为在阀体内滚动时的支点,并滚动时中心高度不变;密封球面与阀座密封面压紧后实现密封。

  利用SolidWorks软件对、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1/2倍实际外部载荷,所建三维模型如图3所示。

  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。

  如图5所示,θ和β为两个角度变量。图5(b)中,θ=0为阀座最下端,θ=90为阀座水平面中点,θ=180为阀座最上端。图5(a)中,在任意截面,β=0为密封面外圈,β=1为密封面内圈。

  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 密封比压在周向随变化曲线范围)

  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 密封比压随β变化曲线(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。

  (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,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。