旋塞取樣閥密封面接觸力學性能及疲勞壽命研究

楊步超， 吳 晨， 安 琦

（1. 華東理工大學機械與動力工程學院， 上海 200237；2. 安策閥門（太倉）有限公司， 江蘇太倉 215400）

旋塞取樣閥用于采集管道流體樣本，廣泛應用于工業(yè)領域，尤其應用于有毒有害液體樣本的采集。旋塞取樣閥的密封主要靠旋塞與閥座之間的壓緊接觸實現(xiàn)，取樣過程中接觸面之間的接觸應力分布變化復雜，對其進行力學分析，實現(xiàn)接觸應力的精確計算，并在此基礎上研究旋塞的疲勞壽命具有十分重要的意義。

Ji 等[1]利用軟件AMESim 對取樣閥的動靜態(tài)特性進行數(shù)值模擬，并在45 MPa 模擬高壓罐上對取樣閥進行了模擬實驗。陸俊杰等[2]基于旋塞閥緊定螺釘和旋塞閥閥芯的變形協(xié)調關系和微凸體接觸理論構建旋塞閥密封面接觸的力學模型。杜國飛等[3]利用軟件ABAQUS 實現(xiàn)旋塞閥閥芯旋轉運動的三維非線性接觸動力學仿真。Cao 等[4]基于彈性材料的非線性力學響應，利用ANSYS 計算了止回閥芯在不同摩擦因數(shù)和預壓下的應力和變形。Liu 等[5]研究了海水直動式溢流閥在深海環(huán)境中的變形對其動態(tài)性能的影響，并進行了相應的動態(tài)特性仿真。Jiang 等[6]基于赫茲接觸理論建立了錐閥閥芯-閥座接觸副半空間接觸模型。Boffy 等[7]提出了三維彈性非均勻材料接觸問題的多重網(wǎng)格解法。Hanaor 等[8]基于樣條輔助離散化方法研究了模擬的非黏性彈性表面輪廓在法向載荷作用下的力學行為。Sauer 等[9]提出了一種微納尺度計算接觸力學模型來研究可變形體之間的黏附接觸。Liu 等[10]基于Gauss 分布函數(shù)和指數(shù)自相關函數(shù)關系建立密封面的粗糙表面的微觀形貌，對接觸式機械密封進行了研究。Wei 等[11]基于分形理論建立了考慮粗糙度變形和摩擦影響的滑動摩擦表面接觸力學模型。李云濤等[12]基于Winkler 彈性基礎模型和幾何約束條件建立了軸孔協(xié)調接觸解析模型。宿月文等[13]通過Winkler 彈性基礎模型構建了鉸接副共形接觸的壓力分布模型并用于磨損計算，且其具有可靠的精度和更高的計算效率。王杭州等[14]根據(jù)PEEK 材料的應力-疲勞壽命曲線求得PEEK 閥芯在工作過程中的應力-疲勞壽命曲線，并結合疲勞損傷累積理論估算出閥芯的疲勞壽命。

綜上所述，目前對閥門密封面接觸力學性能研究更多的是采用軟件計算閥座和閥芯的接觸應力和變形，難以實現(xiàn)較為精確的計算。旋塞取樣閥作為一種特殊的機械元件，鮮有對其密封面接觸力學性能和疲勞壽命的研究且研究尚不夠深入。為此，本文以旋塞取樣閥為研究對象，構建能夠對其工作過程密封面接觸應力進行精確計算的力學模型，且結合算例深入研究其接觸面力學性能以及旋塞表面的接觸疲勞壽命。

1 旋塞取樣閥密封面接觸力學模型構建

1.1 旋塞取樣閥基本結構

圖1(a)所示為旋塞取樣閥的基本結構，主要由閥座、PTFE 襯套、旋塞、壓力環(huán)、調節(jié)螺釘、閥蓋、取樣瓶等部分組成。在取樣過程中，旋塞相對襯套轉角度 α 由0°旋轉到180°，管道內液體進入旋塞中，再反向旋轉180°，旋塞內腔中液體即可流入取樣瓶（如圖1(b)所示），完成一定量的樣品取樣。

圖1 旋塞取樣閥密封結構和工作原理Fig. 1 Sealing structure and principle of plug sampling valve

1.2 旋塞取樣閥力學分析

旋塞和閥座襯套之間始終存在接觸應力，在取樣過程中，旋塞需要旋轉半周，其表面接觸應力在旋轉過程不斷變化。旋塞表面在這種變化的接觸應力的長期作用下產(chǎn)生微觀疲勞損傷，導致接觸密封性能下降。為此，需要對旋塞與襯套之間的接觸應力進行力學建模，研究其內在的變化規(guī)律。首先建立以下基本假設：

(1) 不考慮旋塞在工作過程中的彈性變形；

(2) 不考慮旋塞和襯套的幾何尺寸誤差，襯套變形在線彈性范圍；

(3) 對旋塞的壓緊力始終作用于旋塞軸線上，不考慮旋塞軸向傾斜；

(4) 旋塞和襯套之間的摩擦力很小，忽略不計；

(5) 取樣時，旋塞旋轉，取樣口打開時認為管道液體瞬間充滿旋塞內腔，不考慮旋塞開度變化過程的影響。

圖2 所示為旋塞取樣閥安裝過程中旋塞受力示意圖。圖2(a)中虛線表示旋塞與襯套剛接觸的初始位置，此時旋塞與襯套之間沒有接觸應力，通過擰緊螺釘，旋塞產(chǎn)生軸向位移 Δl，襯套產(chǎn)生的過盈量為 δ0，旋塞與襯套接觸面形成初始密封，襯套承受初始接觸應力為 σ0。如圖2(b)所示，當工作管道內充滿工作液體時，旋塞承受管道內的液體壓力pi，使得上方的旋塞接觸面變形減小，下方的接觸面變形增加。

如圖2(a)所示，在安裝過程中旋塞與襯套單邊過盈量為：

圖2 旋塞取樣閥安裝過程受力示意圖Fig. 2 Stress diagram of plug sampling valve during in stallation

式中： θ 為襯套半錐角。

襯套在任意截面軸向坐標z處的內圓半徑表示為：

式中：D分別為襯套產(chǎn)生初始變形前大端內徑。

根據(jù)Winkler 彈性基礎模型進行接觸建模[15]，襯套法向接觸應力 σ0可以表示為：

在取樣過程中，需要旋轉旋塞180°，從受力變化上可以分為3 個階段，圖3(a)示出了第1 階段，旋塞由位置A 旋至位置B，轉過角度 θ1，這個階段無液體進入內腔；圖3(b)示出了第2 階段，旋塞由位置B 旋至位置C 再回旋至位置B，轉過的角度為 θ2+θ2，旋塞內腔與管道連通；圖3(c)示出了第3 階段，旋塞由位置B 旋至位置D，旋塞內腔液體被襯套封閉，轉過的角度為 θ3。卸下取樣液體后，回到位置A。每個階段取3 個截面（如圖2(b)所示），不考慮旋塞傾斜，截面Ⅰ和截面Ⅲ上接觸應力分布一致，因此僅需分析旋塞截面Ⅰ和截面Ⅱ。在襯套上建立柱坐標系r?φ?z，旋塞上固連柱坐標系r′?ψ?z′（如圖4 所示）。

圖3 取樣過程中旋塞3 個階段的受力Fig. 3 Plug force of three stages in sampling process

圖4 第1 階段取樣過程旋塞受力Fig. 4 Plug force of the first stage in sampling process

整個襯套在徑向上對旋塞作用力可以表示為：

旋塞在圖4(b)所示的截面Ⅱ處接觸應力分布可以表示為：

旋塞在圖5(b)中截面Ⅱ處接觸應力分布可以表示為：

圖5 第2 階段取樣過程旋塞受力Fig. 5 Plug force of the second stage in sampling process

圖6 第3 階段取樣過程旋塞受力Fig. 6 Plug force of the third stage in sampling process

襯套的變形在軸向上旋塞作用力表示為：

旋塞平衡方程可以表示為：

當旋塞由 α =θo+θv逆時針轉至 α =0 時，閥芯內腔液體流出，旋塞受到管道液體壓力作用，接觸應力分布計算方法與第1 階段相同。

1.3 接觸力學模型求解方法

針對上述建立的計算模型，本文制定了數(shù)值計算步驟：

1.4 取樣閥旋塞疲勞壽命計算方法

旋塞取樣閥工作過程中，旋塞表面的接觸應力不斷變化，每取樣一次，旋塞表面就會產(chǎn)生疲勞作用，在交變接觸應力長期作用下就會產(chǎn)生疲勞失效，本文應用線性疲勞累積損傷理論研究其疲勞壽命。

根據(jù)Miner 線性累計損傷理論，旋塞的累積疲勞損傷的關系式如下：

旋塞往復轉動半周，圖2(b)中截面Ⅰ和截面Ⅲ上的接觸應力變化規(guī)律具有一致性，根據(jù)式(23)計算其疲勞壽命。

2 數(shù)值研究

本文以安策閥門有限公司生產(chǎn)的取樣旋塞閥F-2-ISO-STD-CONTIFLOW-2″-CL150 為研究對象，其結構參數(shù)及力學性能參數(shù)如表1 所示。

表1 旋塞取樣閥F-2-ISO-STD-CONTIFLOW-2″-CL150 結構及性能參數(shù)Table 1 Structure and parameters of plug sampling valve F-2-ISO-STD-CONTIFLOW-2″- CL150

圖7 所示為旋塞軸向壓入距離對 Δl其壓緊接觸力（FN）的影響。從圖中曲線可以看出：旋塞在安裝過程中受到的軸向壓緊力與壓入距離即螺釘擰入深度近似成線性關系逐漸增大。

圖7 旋塞軸向壓緊距離對其壓緊接觸力的影響Fig. 7 Influence of axial pressing distance of plug on its pressing contact force

圖8 所示為當pi=1 MPa ， Δl=0.5 mm 時，旋塞由0 轉至π（如圖8(a)）和由π 回轉至0（如圖8(b)）時旋塞截面Ⅰ周向位置接觸應力分布變化規(guī)律。從圖中可以看出，未取樣時（ α =0 ），旋塞上 ψ =0 處接觸應力最大；取樣時，隨著 α 增大，旋塞上 ψ =0 處接觸應力逐漸減小，直到旋塞內腔與管道液體連通（ α =1.97 ）時，旋塞上 ψ =π 處接觸應力瞬間增大；旋塞回轉時，隨著 α 減小至1.97 時，旋塞上 ψ =3.63 處接觸應力瞬間增至最大，隨后緩慢減小，直到旋塞內腔液體流出（ α =1.23 ）時，該處接觸應力瞬間減小。

圖8 取樣過程中旋塞截面Ⅰ周向接觸應力分布變化Fig. 8 Variation of circumferential contact stress distribution on section I of plug in sampling process

圖9 所 示 為 當pi=1 MPa 、 Δl=0.5 mm 時，旋塞由0 轉至π（如圖9(a)）和由π 回轉至0（如圖9(b)）時旋塞截面Ⅱ周向位置接觸應力分布變化規(guī)律。從圖中可以看出，旋塞截面Ⅱ上無接觸處和管道液體壓力作用處產(chǎn)生較大的突變，且突變作用位置隨旋塞轉動而不斷變化。

圖9 取樣過程中旋塞截面Ⅱ周向接觸應力分布變化Fig. 9 Variation of circumferential contact stress distribution on sectionⅡ of plug in sampling process

圖10 所示為旋塞截面Ⅰ上 ψ =3.63 處接觸應力在一次取樣過程中的變化規(guī)律。結合旋塞截面Ⅰ上各個位置接觸應力變化規(guī)律，考慮危險點處在無接觸和管道液體壓力作用情形，得到旋塞截面Ⅱ上ψ=3.63 處接觸應力在一個取樣循環(huán)內的變化（圖11）。

圖10 轉動角度對旋塞截面Ⅰ上危險點處接觸應力的影響Fig. 10 Influence of rotation angle on contact stress at dangerous point on sectionⅠ of plug

為了驗證本文對旋塞接觸面上接觸應力計算方法的正確性，本文用軟件ANSYS 對取樣閥旋塞旋轉180°時旋塞接觸面應力分布進行了計算，如圖12(a)示出的對旋塞和閥座施加的載荷和約束。旋塞接觸面應力分析結果如圖12(b)所示，接觸面上應力在3.2039～4.0049 MPa 之間，與圖8 和圖9 中示出的當 α =π 時旋塞上接觸應力的理論計算結果具有良好的一致性。

圖12 利用ANSYS 分析旋塞取樣閥接觸面應力分布Fig. 12 Stress distribution on the contact surface of plug sampling valve by ANSYS

圖13 所示為偏心距e在不同管道液體壓力下隨旋塞轉動角度變化規(guī)律。偏心距e變化規(guī)律與取樣過程中旋塞表面接觸壓力變化幅值具有一致性?？梢钥闯?，液體壓力越大，旋塞偏心距e突變越大。

圖13 偏心距隨旋塞轉動角度變化的規(guī)律Fig. 13 Variation of eccentricity with the rotation angle of plug

根據(jù)圖11 中旋塞截面Ⅱ上 ψ =3.63 處接觸應力在一個取樣循環(huán)內的變化規(guī)律，結合式(23)計算旋塞疲勞壽命，根據(jù)文獻[2]，取304#不銹鋼疲勞壽命實驗常數(shù)為8.85，疲勞極限為188 MPa。圖14 所示為當pi=1 MPa 時， Δl對旋塞疲勞壽命的影響，可以看出，隨著 Δl增加，旋塞疲勞壽命明顯降低。

圖11 轉動角度對旋塞截面Ⅱ上危險點處接觸應力的影響Fig. 11 Influence of rotation angle on contact stress at dangerous point on sectionⅡ of plug

圖14 旋塞壓入距離對旋塞疲勞壽命的影響Fig. 14 Influence of pressing distance on fatigue life of plug

圖15 所示為當壓入距離 Δl=1 mm 時，管道液體壓力pi對旋塞疲勞壽命的影響。

圖15 管道液體壓力 pi 對旋塞疲勞壽命的影響Fig. 15 Influence of pipeline liquid pressure pi on fatigue life of plug

從圖15 可以看出，隨著管道液體壓力pi增加，旋塞疲勞壽命逐漸降低，但是其變化幅度很小。

3 結 論

（1）本文以旋塞取樣閥為研究對象，研究其密封面接觸力學性能和疲勞壽命。應用有關力學理論對旋塞取樣閥安裝和取樣過程進行力學分析，構建了安裝過程接觸面應力計算的理論模型、旋塞取樣閥工作過程中旋塞徑向接觸力的計算模型、旋塞表面3 個具有代表性的橫截面的接觸應力分布計算模型。實現(xiàn)了對旋塞閥在取樣過程中旋塞表面任意一點接觸應力的精確計算。

（2）根據(jù)所建立的計算模型，以安策閥門有限公司生產(chǎn)的取樣旋塞閥F-2-ISO-STD-CONTIFLOW-2″-CL150 為研究對象進行了算例研究，計算了取樣過程旋塞表面接觸應力變化的規(guī)律，找出了最大應力的位置，并通過有限元軟件ANSYS 進行了計算驗證。在此基礎上研究了安裝壓入距離、管道液體壓力等參數(shù)對3 個典型橫截面表面上的接觸應力影響的變化規(guī)律，研究了管道液體壓力對旋塞偏心距的影響規(guī)律，在此基礎上，研究了管道液體壓力和安裝壓入量對旋塞表面接觸疲勞壽命的影響規(guī)律。研究表明：在取樣過程中，取樣閥旋塞表面接觸應力不斷變化，在不同受力階段轉換處會產(chǎn)生突變，旋塞中心軸線偏心量在轉動過程中一直在變化，并隨管道流體壓力的增大而增大，旋塞表面的疲勞壽命隨旋塞壓入距離 Δl的增加而下降，管道液體壓力pi增加，其表面的疲勞壽命也會下降。