1、概述

    COSMOSWORKS是*整合在SOLIDWORKS中的設計分析系統(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)不易準確測出。通過應用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,為閥門的設計提供了相對準確的參考。

    2、實體建模

    以DN239mm,PN25MPa的固定球閥設計為例。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。當壓差較小或閥座采用金屬材料制作時,依靠壓差不能達到*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,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,而且提高了計算結果的準確性。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,計算結果如圖3c所示。

（a）分析模型（b）模型網(wǎng)格化（c）模型計算結

圖3有限元分析

   3.3、提取結果

    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zui大值處于閥座的內(nèi)徑處,為62.1MPa,zui小值處于閥座中部,其值為40.16MPa。結合閥門密封設計參數(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,滿足了設計準則。

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,但由于毛細現(xiàn)象而有流體介質(zhì)存在,當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40.16MPa,而理論計算的密封比壓值為40.17MPa。兩者之間的差值為0.01MPa,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*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計提供了可靠的設計依據(jù)。

來源：真空技術網(wǎng)

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