全啟式彈簧安全閥彈簧的設(shè)計(jì)與分析

王寶旭 焦子婕

摘要：論述了全啟式彈簧安全閥的彈簧的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用ANSYS對(duì)彈簧進(jìn)行了強(qiáng)度和壽命分析。

關(guān)鍵詞：全啟式彈簧安全閥；彈簧；有限元一、概述

安全閥作為一種自力式閥門(mén)，是鍋爐、壓力容器等承壓設(shè)備中不可替代的安全附件[1]，當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，起到保護(hù)承壓設(shè)備的作用，因此在石油化工、天然氣、電站等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。其中全啟式彈簧安全閥作為常用安全閥的一種，其是依靠彈簧載荷直接作用在閥芯上，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的啟閉，因此彈簧的性能直接影響到閥門(mén)的可靠性能。

二、全啟式彈簧安全閥彈簧設(shè)計(jì)

全啟式彈簧安全閥常使用的彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧；彈簧作為安全閥的關(guān)鍵性構(gòu)件，其主要功能是通過(guò)彈簧的壓縮變形提供初始預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的密封以及閥開(kāi)啟后的附加預(yù)緊力[2]，因此彈簧的性能很重要，本文中采用ANSYS有限元軟件對(duì)彈簧進(jìn)行仿真分析，分析彈簧的強(qiáng)度和壽命情況，以作指導(dǎo)。

在本文中的安全閥型號(hào)為A48Y-100DN50，工作壓力為4.21MPa，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)， 計(jì)算確定了圓柱螺旋壓縮彈簧相關(guān)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 彈簧參數(shù)

圖1彈簧結(jié)構(gòu)圖

可通過(guò)理論計(jì)算得到彈簧的最大應(yīng)力值，計(jì)算公式如下：

τ■=■

式中K-曲度指數(shù)，K=■+■； D-圓柱彈簧中徑，

mm；C -纏繞比，C=D/d；d-彈簧直徑，mm；F-彈簧載荷，N。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式，經(jīng)計(jì)算得到

τ■=■=■=424MPa

三、彈簧的有限元分析

（一）模型的確定。在本文中采用solidworks建立彈簧的三維模型圖并進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將實(shí)際結(jié)構(gòu)中彈簧兩端的支撐簡(jiǎn)化為圓盤(pán)，以縮短分析時(shí)間，如圖2所示。將模型導(dǎo)入ANSYS中，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)整體模型劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為117260，單元數(shù)為62858。在彈簧上圓盤(pán)上約束所有線位移，在下圓盤(pán)頂面上沿縱向施加強(qiáng)迫載荷，對(duì)進(jìn)氣門(mén)彈簧的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

圖2彈簧三維模型圖

（二）有限元分結(jié)果。（1）強(qiáng)度分析。經(jīng)有限元分析得到了彈簧的等效應(yīng)力云圖，如圖3所示；從圖中可得出彈簧的最大等效應(yīng)力為452MPa，與理論計(jì)算值誤差只有28MPa，誤差較小，說(shuō)明這個(gè)結(jié)果是正確的。從圖中很明顯得到，彈簧內(nèi)側(cè)的切應(yīng)力比外側(cè)的切應(yīng)力大，完全符合理論對(duì)圓柱彈簧的分析。查詢相關(guān)手冊(cè)，得到材料50CrVA的許用應(yīng)力[τ]=590MPa，計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

圖3彈簧等效應(yīng)力圖

（2）疲勞分析。在安全閥啟閉的過(guò)程中，彈簧處于反復(fù)壓縮—復(fù)位狀態(tài)，容易產(chǎn)生疲勞破壞，但由于在靜力分析，只能得到簡(jiǎn)單的應(yīng)力分析情況，尚不能準(zhǔn)確的反應(yīng)在整個(gè)壽命里程中彈簧的疲勞損傷情況，因此須對(duì)螺旋彈簧進(jìn)行疲勞壽命分析，了解彈簧的壽命情況。因此采用了ANSYS中Fatigue Tool模塊對(duì)彈簧進(jìn)行疲勞分析。

（1）選擇Fatigue Tool中的Life ，得到彈簧壽命分布，其最小壽命為145840次循環(huán)，如圖4所示，發(fā)生在彈簧內(nèi)側(cè)面上。

圖4彈簧壽命分布圖

（2）選擇Fatigue Tool中的 Safety Factor，，得到彈簧的最小安全系數(shù)為1.11，滿足要求，如圖5所示。

圖5彈簧疲勞安全系數(shù)圖

四、結(jié)語(yǔ)

在安全閥彈簧設(shè)計(jì)階段運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)彈簧進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞檢測(cè)分析，可直接分析得到彈簧強(qiáng)度分布和疲勞壽命，大大提高了效率，減少了試驗(yàn)次數(shù)，降低了成本，有利于新產(chǎn)品的研制。

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