軌道式球閥在動作中具有密封面無磨損的特點,且具有良好的密封性能,可實現硬密封零泄漏,主要應用于要求使用壽命長且需嚴格密封的場合。
目前,在國內煤化工項目中,液氮洗單元普遍選用軌道式球閥,每個液氮洗單元需要軌道式球閥10余臺。長期以來,國內市場上基本為進口產品,價格非常昂貴,售后不及時,出現故障得不到及時維修,用戶損失較大。為此,軌道式球閥的國產化受到國內用戶和閥門生產廠家的極大關注。
1 軌道式球閥的結構及工作原理
氣動金屬硬密封軌道式球閥由閥體、閥蓋、球體、閥桿、耳軸軸套、銷軸、閥桿軸套、導向銷釘及氣動執行器等零部件組成,如圖1所示。
工作原理:氣動執行器輸出軸在氣源壓力作用下上下移動,當氣動執行器輸出軸向上移動,帶動閥桿上升,此時導向銷與閥桿上的螺旋槽直行程段限制閥桿只作上升運動,閥桿下部斜面與銷軸配合,使球體先向左偏移角度,密封副脫離。閥桿繼續上升,導向銷與閥桿螺旋槽配合,使閥桿作90°轉動。這時閥桿下部扁面與銷軸配合,帶動球體作90°旋轉后,閥門開啟。反之,當氣動執行器輸出軸下移,帶動閥桿下降,此時導向銷與閥桿的螺旋槽配合,使閥桿作90°轉動,閥桿下部扁面與銷軸配合,帶動球體作90°轉動后,球體密封面對正閥座密封面。閥桿繼續下降,這時導向銷限制閥桿只作下降運動,閥桿的下部斜面與銷軸配合,產生楔緊力,帶動球體壓緊閥座,閥門關閉。閥桿仍可繼續下降,對密封面繼續施加強制密封力。
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1-閥體;2-閥座;3-球體;4-球體銷軸;5-閥蓋;
6-下閥桿軸套;7-上閥桿軸套;8-填料;
9-填料壓套;10-填料壓板;11-閥桿導銷;12-閥桿;
13-氣動執行器輸出軸;14-支架;15-氣動執行器
圖1 氣動金屬硬密封軌道式球閥結構
軌道式球閥的密封性能是評價閥門性能的重要指標。因軌道式球閥的密封由閥桿對球體局部的楔緊力來實現,導致密封面密封比壓分布不均勻,致使真實密封比壓難以描述和計算。本文基于SolidWorksSimulation有限元分析軟件,對軌道式球閥密封比壓進行了數值分析,實踐表明,該方法分析過程簡便,計算結果可較準確地反映實際受力情況。
2 密封比壓有限元分析
2.1 球體受力分析
如圖2所示,在常壓下,軌道式球閥球體分別承受銷軸施加的主動力、耳軸襯套反作用力及與閥座直接的接觸力。當閥門關閉時,閥桿提供的楔緊力通過銷軸作用在球體局部位置,給球體提供向右滾動的力;支撐軸作為球體在閥體內滾動時的支點,并保證球體滾動時球體中心高度不變;密封球面與閥座密封面壓緊后實現密封。
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1-閥座;2-球體;3-銷軸4-閥桿
圖2 軌道式球閥球體受力分析圖
將密封面劃分為n個受力單元面,則球體的簡化受力模型為:
(1)
單元面局部密封比壓:
(2)
式中:NA—銷軸對球體施加的主動力;
NB—耳軸套對球體的支撐反力;
qi—密封面第i個單元面局部密封比壓;
Si—密封面第i個單元面積;
NMi—密封面第i個單元正壓力;
NMi-x—密封面第i個單元正壓力在x方向的分力;
NMi-Y—密封面第i個單元正壓力在y方向的分力;
LA、LB—分別為NA、NB作用力臂;
α—閥桿楔緊角。
2.2 有限元模型建立與求解
利用SolidWorks軟件對球體、閥座、耳軸套取1/2部分進行三維建模,利用軟件自帶網格劃分工具劃分網格,并對主要受力面進行細化網格控制,共劃分為12357個單元,208881個節點。將接觸設置為全局無穿透,閥座、耳軸套設置為固定約束,對稱面剖切面設置為對稱約束,銷軸孔處沿實際受力方向施加1/2倍實際外部載荷,所建三維模型如圖3所示。
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圖3 有限元模型
2.3 計算結果與分析
2.3.1 有限元分析結果
解算器選用FFEPlus,通過求解運算,得出密封面表面應力云圖,如圖4所示。
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圖4 閥座應力云圖
2.3.2 結果分析
圖5為1/2閥座的結構主視圖和左視圖。
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1-密封面內圈;2-密封面外圈(a)主視圖 (b)左視圖
圖5 1/2閥座結構
如圖5所示,θ和β為兩個角度變量。圖5(b)中,θ=0°位置為閥座最下端,θ=90°位置為閥座水平面中點,θ=180°位置為閥座最上端。圖5(a)中,在任意截面,β=0為密封面外圈位置,β=1為密封面內圈位置。
通過圖4的分析計算結果,提取出各網格節點的密封比壓,得出密封比壓沿圓周展開方向的變化規律曲線,如圖6所示。
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圖6 密封比壓在周向隨變化曲線(0-180°范圍)
由圖6可以看出,在θ=0°處和θ=180°處的密封比壓較大,且θ=0°處的密封比壓略大于θ=180°處的密封比壓,θ=90°附近密封比壓最小。
為進一步探索在不同截面,密封比壓隨β變化分布情況,提取θ=0°、θ=90°、θ=180°三處截面密封面節點的密封比壓,繪制密封比壓分布曲線,如圖7所示。
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圖7 密封比壓隨β變化曲線
從圖7(a、b、c)曲線走勢可以得出結論,在任一截面,密封比壓基本沿縱向深入且逐漸增大,在靠近密封面內徑處達到最大。
2.3.3 密封性能判斷
從以上分析結果可知,軌道式球閥密封面密封比壓在圓周方向分布不均勻,在縱向方向分布也不均勻,所以,傳統的簡化為受力點的工程計算方法不合理也不準確,事實上,密封面任意點的局部密封比壓數值應處于圖6中兩條曲線之間的范圍內。
由于模型為對稱結構,θ=0°與θ=360°處數值相等,θ=90°與θ=270°處數值相等,因此,從圖6曲線可知,在θ=90°和θ=270°處密封比壓相等且為最小值。由文獻[6]可知,密封條件為密封比壓大于必須比壓,因此,應該以該截面密封比壓為依據,來驗算執行機構選取合理與否。
3 結語
(1)利用SolidWorksSimulation軟件,對軌道式球閥進行密封比壓數值分析,得到的結果顯示,密封比壓沿密封面圓周方向分布不均勻,在同一截面沿縱向分布也不均勻,且得到的曲線分布規律符合閥門密封面實際受力情況。通過試驗證明,采用該分析方法選取或設計執行機構,滿足閥門零泄漏的密封要求,因此,該分析方法合理、結果準確。該設計和分析方法同樣可以為其他機械產品設計和分析提供借鑒,具有一定的工程實用價值。
(2)通過對重點區域進行分析,繪制密封比壓應力分布曲線,使設計人員更加直觀地掌握密封面內部受力情況,從而全面地對產品進行評估,更加合理地選取或設計執行機構的規格。
本文采用的數值分析方法,改變了傳統設計理念,尤其適用在實際受力過程無法用理論精確計算的場合。基于SolidWorksSimulation的有限元分析方法,可以優化工作流程,大幅度縮短產品設計周期尤其是新產品的研發周期,降低設計成本,提高機械產品的綜合性能,對促進煤化工專用閥門的發展有重要意義。