1、概述

　　COSMOSWORKS是完全整合在SOLIDWORKS中的設(shè)計分析系統(tǒng), 它提供壓力、頻率、約束、熱量和優(yōu)化分析等, 為設(shè)計人員在SOLIDWORKS的環(huán)境下, 提供了比較完整的分析手段。本文以固定球閥的閥座為重點研究對象, 因為在閥座的工程設(shè)計過程中, 閥座密封面上總作用力及密封比壓的計算在實際設(shè)計中使用的是經(jīng)驗或修正公式, 利用現(xiàn)有手段, 這兩種參數(shù)不易準(zhǔn)確測出。通過應(yīng)用COSMOSWORKS有限元分析軟件計算模擬工況下固定球閥的密封比壓, 并與理論的計算公式進行對比, 為閥門的設(shè)計提供了相對準(zhǔn)確的參考。

2、實體建模

　　以DN239mm, PN25MPa的固定球閥設(shè)計為例。在SOLIDWORKS中首先對固定球閥的各個零部件進行實體建模, 并對各零部件進行組裝(圖1) 。對裝配體進行干涉檢查, 得到各零件之間無干涉的裝配體。

圖1　球閥實體建模

3、有限元分析

3.1、密封機理

　　固定球閥采用進口密封(圖2),此時球閥壓差(P-P1) >0(P、P1為閥前和中腔的流體壓力)。當(dāng)壓差大到一定程度,即在密封副表面造成一定的壓緊比壓時, 此比壓將引起閥座彈塑性變形, 填塞密封面上的微觀不平度以阻止流體從密封副間通過。當(dāng)壓差較小或閥座采用金屬材料制作時,依靠壓差不能達(dá)到完全密封, 此時必須另加一個密封外力, 以加大壓緊比壓。根據(jù)工作壓力計算密封所需的必需比壓qb 的經(jīng)驗公式為qb = 1.2PN= 30MPa。為保證球閥密封可靠, 在球體和閥座的接觸表面上應(yīng)有足夠的比壓, 但不得超過密封副材料的許用比壓[q]。理論密封比壓q1為

圖2　球閥密封原理

q1 =Q/S

　　式中Q———球閥密封力, N

　　　　P———公稱壓力, MPa
　　　　S ———閥座密封面的面積(S = 7634) , mm2
　　　　d2 ———閥座支撐圈外徑( d2 = 290) , mm
　　　　D2 ———閥座的外徑(D2 = 270) , mm
　　　　D1 ———閥座的內(nèi)徑(D1 = 256) , mm
　　代入各值, 得出q1 的值為40.17MPa。

3.2、有限元計算

　　由于密封比壓的計算過程僅與球體、閥座和閥座支承圈等零部件有關(guān), 所以對其有限元分析模型做了簡化(圖3) , 這樣不僅節(jié)約了計算機資源,而且提高了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過模擬現(xiàn)實工況, 需計算得出閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力值Qs。

式中Q1 ———預(yù)緊力在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上的壓力, MPa
　　Q2 ———公稱壓力在閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力, MPa
　　S1 ———閥座支撐圈與左右閥體接觸面的面積( S1 = 21189.26, 可在SOLIDWORKS中直接測得) , mm²
　　d1 ———閥座支撐圈的內(nèi)徑( d1 = 239) , mm

　　代入各值, 得Qs 的值為23.01MPa。

　　根據(jù)現(xiàn)實工況, 在COSMOSWORKS中建立一個靜力學(xué)分析算例, 并確定約束載荷條件(①固定球體與上閥桿和底蓋相接觸面。②限定閥座和閥座支撐圈只能在軸向上運動。③將Qs 施加在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上, 進行網(wǎng)格化。④確定球體和閥座支撐圈的材料為35號鋼, 閥座的材料為奧氏體不銹鋼, 密封面間無滑動(奧氏體不銹鋼的許用比壓[q] 值為150MPa) , 點擊運行, 計算結(jié)果如圖3c所示。

(a) 分析模型　(b) 模型網(wǎng)格化　(c) 模型計算結(jié)果

圖3　有限元分析

3.3、提取結(jié)果

　　在閥座密封面上等距獲取25個點(圖4) , 然后沿X方向依次探測這25個點的壓力值, 再將探測數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中進行分析(圖5) , 得到密封比壓在閥座密封面上呈拋物線分布, 其最大值處于閥座的內(nèi)徑處, 為62.1MPa, 最小值處于閥座中部,其值為40.16MPa。結(jié)合閥門密封設(shè)計參數(shù)必須比壓qb(30MPa) 和閥座材料的許用比壓[q](150MPa) 。密封比壓的值處于qb 和[q]之間,滿足了設(shè)計準(zhǔn)則。

圖4　在閥座上取點　　圖5　密封比壓在閥座密封面上沿X方向的壓力分布

4、結(jié)語

　　由于在密封過程中, 閥座與球體密封面相對固定, 不能運動, 故在受到預(yù)緊力和流體壓力后, 密封環(huán)的內(nèi)徑軸向相對于中部變形裕量小, 受到的擠壓力較大。密封環(huán)的徑向相對于中部變形裕量大,受到的擠壓力也相對較小。另外, 雖然球體與閥座接觸, 但由于毛細(xì)現(xiàn)象而有流體介質(zhì)存在, 當(dāng)球體沿流向有相對運動時, 球體與閥座更加緊密接觸,從密封面邊緣到中部的流體介質(zhì)越來越少, 所以密封面邊緣處在介質(zhì)與球體的雙重作用下, 受力略大于密封面中部。因此, 在密封面上密封比壓呈拋物線分布。在邊緣環(huán)面, 由于受預(yù)緊力、介質(zhì)施加力和金屬球體綜合作用, 故產(chǎn)生有波動的變化曲線,尤其在密封面外徑處影響更大。由于毛細(xì)現(xiàn)象的影響, 取密封面中部的密封比壓作為整個固定球閥的密封比壓是合理的。根據(jù)圖5取得密封面中部的壓力值為40.16M Pa, 而理論計算的密封比壓值為40.17M Pa。兩者之間的差值為0.01M Pa, 誤差<3%。可見用有限元計算得出的固定球閥的密封比壓的值是可信的。而且可以完全反映出密封比壓在整個閥座上的分布情況, 從而對整個閥門的設(shè)計提供了可靠的設(shè)計依據(jù)。