COSMOSWORKS是完全整合在SOLIDWORKS中的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(diǎn)研究對(duì)象，因?yàn)樵陂y座的工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，閥座密封面上總作用力及密封比壓的計(jì)算在實(shí)際設(shè)計(jì)中使用的是經(jīng)驗(yàn)或修正公式，利用現(xiàn)有手段，這兩種參數(shù)不易準(zhǔn)確測(cè)出。通過(guò)應(yīng)用COSMOSWORKS有限元分析軟件計(jì)算模擬工況下固定球閥的密封比壓，并與理論的計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比，為閥門(mén)的設(shè)計(jì)提供了相對(duì)準(zhǔn)確的參考。
實(shí)體建模
以DN239mm，PN25MPa的固定球閥設(shè)計(jì)為例。在SOLIDWORKS中首先對(duì)固定球閥的各個(gè)零部件進(jìn)行實(shí)體建模，并對(duì)各零部件進(jìn)行組裝。對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查，得到各零件之間無(wú)干涉的裝配體。
有限元分析
1、密封機(jī)理
固定球閥采用進(jìn)口密封，此時(shí)球閥壓差(P-P1)>0(P、P1為閥前和中腔的流體壓力)。當(dāng)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(shí)，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(guò)。當(dāng)壓差較小或閥座采用金屬材料制作時(shí)，依靠壓差不能達(dá)到完全密封，此時(shí)必須另加一個(gè)密封外力，以加大壓緊比壓。根據(jù)工作壓力計(jì)算密封所需的必需比壓qb的經(jīng)驗(yàn)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(yīng)有足夠的比壓，但不得超過(guò)密封副材料的許用比壓[q]。
2、有限元計(jì)算
由于密封比壓的計(jì)算過(guò)程僅與球體、閥座和閥座支承圈等零部件有關(guān)，所以對(duì)其有限元分析模型做了簡(jiǎn)化，這樣不僅節(jié)約了計(jì)算機(jī)資源，而且提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)工況，需計(jì)算得出閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力值Qs。
根據(jù)現(xiàn)實(shí)工況，在COSMOSWORKS中建立一個(gè)靜力學(xué)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(yùn)動(dòng)。③將Qs施加在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上，進(jìn)行網(wǎng)格化。④確定球體和閥座支撐圈的材料為35號(hào)鋼，閥座的材料為奧氏體不銹鋼，密封面間無(wú)滑動(dòng)(奧氏體不銹鋼的許用比壓[q]值為150MPa)，點(diǎn)擊運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果如圖3c所示。
3、提取結(jié)果
在閥座密封面上等距獲取25個(gè)點(diǎn)，然后沿X方向依次探測(cè)這25個(gè)點(diǎn)的壓力值，再將探測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中進(jìn)行分析，得到密封比壓在閥座密封面上呈拋物線分布，其最大值處于閥座的內(nèi)徑處，為62.1MPa，最小值處于閥座中部，其值為40.16MPa。結(jié)合閥門(mén)密封設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
由于在密封過(guò)程中，閥座與球體密封面相對(duì)固定，不能運(yùn)動(dòng)，故在受到預(yù)緊力和流體壓力后，密封環(huán)的內(nèi)徑軸向相對(duì)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(duì)于中部變形裕量大，受到的擠壓力也相對(duì)較小。另外，雖然球體與閥座接觸，但由于毛細(xì)現(xiàn)象而有流體介質(zhì)存在，當(dāng)球體沿流向有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(lái)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(yù)緊力、介質(zhì)施加力和金屬球體綜合作用，故產(chǎn)生有波動(dòng)的變化曲線，尤其在密封面外徑處影響更大。由于毛細(xì)現(xiàn)象的影響，取密封面中部的密封比壓作為整個(gè)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(jì)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(jiàn)用有限元計(jì)算得出的固定球閥的密封比壓的值是可信的。而且可以完全反映出密封比壓在整個(gè)閥座上的分布情況，從而對(duì)整個(gè)閥門(mén)的設(shè)計(jì)提供了可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。
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