滿足苛刻工況的硬密封球閥的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

摘要：基于具有強(qiáng)耐腐蝕性，耐高溫，耐強(qiáng)氣蝕，介質(zhì)顆粒硬度高等特點(diǎn)的苛刻工況下的硬密封球閥，分析此類問題所遇到的技術(shù)難點(diǎn)及解決方案，闡述了硬密封球網(wǎng)密封面材料配對及特殊的機(jī)加工工藝。再采用Solidworks軟件建立閥體三維模型，導(dǎo)入ANSYSworkbench平臺(tái)，考慮各種載荷影響，進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)分析結(jié)果，校核應(yīng)力和應(yīng)變是否滿足材料的強(qiáng)度要求，為閥體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：硬密封球閥 閥體 Workbench 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）02（b）-0011-01

普通球閥一般采用軟密封閥座，如聚四氟乙烯（PTFE）、增強(qiáng)型聚四氟乙烯（RPTFE）或其他高分子合成材料，使用溫度一般都不高，且介質(zhì)中不允許帶顆?；蚶w維成分，要影響軟使用壽命。在苛刻工況中根本無法使用。

1.技術(shù)難點(diǎn)和解決方案

（1）密封面硬度高：閥門啟閉中介質(zhì)里高硬度顆粒會(huì)鑲嵌在球體表面和閥座密封面上，從而破壞密封面，影響整體密封性能。（2）密封比壓高：采用金屬材料為密封面，所需密封比壓比軟密封要高很多，在設(shè)計(jì)上保證適當(dāng)?shù)拿芊獗葔?，需要很高零件的形位公差和表面光潔度。?）噴焊層結(jié)合強(qiáng)度高：帶顆粒的介質(zhì)在管線中流動(dòng)速度很快，因此球體密封面必須有較高的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)還要求噴焊的密封材料和基體材料有較高的結(jié)合強(qiáng)度，防止噴焊層脫落。（4）自潔功能：某些介質(zhì)有較強(qiáng)吸附性，易粘在密封面上。啟閉過程中破壞密封副，影響密封性能，大大縮短閥門使用壽命。（5）加工難硬密封球閥密封表面均采用超硬材料或表面硬化處理，較難切削加工，精度不好保證。針對上述分析結(jié)果，在普通球閥的基礎(chǔ)上作出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝上的改進(jìn)（具體設(shè)計(jì)計(jì)算限于篇幅不述）

（1）密封副材料配對：球體表面噴焊鎳基WC與閥座密封面堆焊STL合金，這種配對保證球體表面噴焊層硬度和厚度，能滿足高溫、高壓以及頻繁開啟的應(yīng)用場合。由于采用了不同的材料配對，及鎳基合金本身具有高的耐磨性和較好的高溫性能，以及閥座密封面堆焊STL合金層較厚，抗咬性好。適用于輸送腐蝕性強(qiáng)、溫度高及帶顆粒的漿料、粉末等惡劣工況的介質(zhì)。同時(shí)還解決了由于頻繁開啟而造成密封面之間的磨損。（2）雙向密封：提高閥門密封性能，為在線搶修提供保證。也保證了介質(zhì)逆向流動(dòng)時(shí)的密封性能，防止介質(zhì)倒流。（3）閥座碟形彈簧補(bǔ)償結(jié)構(gòu)：密封面采用金屬材料所需密封比壓比軟密封要高得多，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證提供適當(dāng)密封比壓顯得尤為重要。所以采用“彈簧+閥座”的組合閥座結(jié)構(gòu)，通過高負(fù)載碟形彈簧提供初始預(yù)緊密封比壓。采用碟形彈簧串聯(lián)的組合設(shè)計(jì)方式解決金屬材料高溫時(shí)的線性膨脹影響，即滿足了碟形彈簧所提供的初始預(yù)緊力，同時(shí)又解決了由于熱膨脹所造成過大摩擦力矩的情形。既能滿足低壓情況下的密封性能，又具有較高的密封剪切力，使閥座與球體始終緊貼在一起，具有“自潔”功能。另外，在閥座的前、后都增加了“刮削刀刃”的設(shè)計(jì)，在啟閉過程中閥座刀刃對球面吸附物起到刮削作用，排除因介質(zhì)進(jìn)入密封副之間而破壞密封面。（4）加工工藝：零件的加工精度對密封的可靠性提高是非常關(guān)鍵的，所以球體噴涂WC前后都用專用的球面車床和球面磨床加工。閥座堆焊后，采用數(shù)控機(jī)床加工。當(dāng)球體和閥座達(dá)到一定精度要求時(shí)，兩者進(jìn)行配對研磨。

2.基于ANSYS的球閥閥體有限元分析驗(yàn)證

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，由于受計(jì)算方法限制，只能根據(jù)一些強(qiáng)度公式進(jìn)行估算，這不能全面反應(yīng)閥體所受的應(yīng)力狀態(tài)，也不能幫助設(shè)計(jì)人員找到應(yīng)力集中的部位。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，在設(shè)計(jì)中可以用有限元分析進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，根據(jù)仿真結(jié)果，查看最大應(yīng)力值校核是否滿足材料的強(qiáng)度要求，能很直觀的看到應(yīng)力集中的部位。（1）球閥的整體結(jié)構(gòu)：球閥的整體結(jié)構(gòu)是由球體，閥體，連接法蘭，啟閉傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)等部分組成。閥體作為球閥的一個(gè)主要的組成部分，其設(shè)計(jì)是否合理，將會(huì)直接影響到整個(gè)球閥性能的優(yōu)劣。

3.結(jié)語

通過建立閥體的三維模型，導(dǎo)入ANSYS的workbench中進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)的有限元分析，可以很好的反映出介質(zhì)流經(jīng)閥體時(shí)候的應(yīng)力和變形分布情況，能夠?qū)﹂y體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足強(qiáng)度要求提供校核手段。對于應(yīng)力集中的密封面處，在設(shè)計(jì)中需要著重考慮其結(jié)構(gòu)形狀，使其能很好地滿足應(yīng)力和應(yīng)變要求。在設(shè)計(jì)初期投入試制生產(chǎn)前，采用有限元分析方法進(jìn)行校核，檢查和發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。既可以縮短設(shè)計(jì)周期，又可以節(jié)約成本，因而對新產(chǎn)品的開發(fā)試制具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。