以金屬密封球閥中易產(chǎn)生破損的球體與閥桿接觸部位為例，采用有限元分析軟件An-sys，對提出的5種設(shè)計方案進行了分析和比較，得到了最優(yōu)化的設(shè)計方案，表明有限元分析方法在金屬密封球閥優(yōu)化設(shè)計中的有效性。

  1全焊接球閥閥桿廠家概述

  金屬密封球閥廣泛應(yīng)用于石油、煤化工、電力和冶金等行業(yè)。隨著閥門產(chǎn)品的大量使用，對其產(chǎn)品質(zhì)量和結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。CAE（ComputerAidedEngineering）技術(shù)為解決這個問題提供了一種有效的方法。采用CAE分析，可以減少設(shè)計、試驗和修改過程中反復(fù)的次數(shù)，減少設(shè)計時間，降低設(shè)計工耗和成本。有限元分析是CAE技術(shù)中應(yīng)用的一種方法。本文采用有限元分析的方法優(yōu)化金屬密封球閥的設(shè)計。

  2 問題提出

  浮動球金屬密封球閥的閥桿與球體接觸部位應(yīng)力過大時常引起硬化層剝落。當(dāng)硬化層局部剝落擴展至整個球面時，輕則導(dǎo)致閥門無法密封，重則使得球體卡塞，無法正常啟閉，致使整個系統(tǒng)失效。針對這種情況，采用Ansys軟件優(yōu)化球體與閥桿接觸部位設(shè)計。

  首先，采用常規(guī)計算方法設(shè)計球體與閥桿接觸部位。球體與閥桿的材料為ASTMA564/A564M17-4PH，熱處理按H1150M，其抗拉強度為795MPa，按［σy］=σb/6～σb/4=132.5～198.75，�。�σy］=193MPa。

在設(shè)計閥桿與球體連接結(jié)構(gòu)時，除應(yīng)滿足所傳遞的最大扭矩外，還要保證不因為局部接觸應(yīng)力過大而造成對該部位整體結(jié)構(gòu)的損傷。由于閥桿與球體連接部分是間隙配合，因此在接觸面上的比壓分布是不均勻的（圖1）。常規(guī)的計算方法是近似地采用擠壓長度Ly=0.3a，作用力矩的臂長K=0.8a，則擠壓應(yīng)力σy為

  閥桿頭部的比壓分布

  式中 Mm———閥座密封面與球體間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·mm

  a———閥桿正方形邊長，矩形截面的長邊邊長，mm

  h———閥桿頭部插入球體槽的深度，mm

  根據(jù)計算得出Mm=10kN·m，取閥桿與球體接觸矩形邊長a=50mm，閥桿伸入球體槽的深度h=1.8a，則σy=370.4MPa＞［σy］。經(jīng)分析，計算所得的擠壓應(yīng)力遠遠超出材料的許用擠壓應(yīng)力值。為滿足材料要求，只能加大閥桿與球體接觸部位的尺寸。僅調(diào)整矩形邊長a=62.5mm，則σy=189.6MPa＞［σy］，其滿足了材料要求。但是由于閥桿與球體接觸部位的尺寸加大將減弱球體的強度，加大閥門的結(jié)構(gòu)。于是，考慮通過有限元計算，在結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，采取結(jié)構(gòu)調(diào)整降低閥桿與球體接觸處的擠壓應(yīng)力。

  優(yōu)化設(shè)計

  在Ansys有限元計算中應(yīng)力應(yīng)變分析步驟主要包括前處理、求解及后處理3個步驟。

  前處理

  有限元分析的前處理工作包括計算模型的建立及模型網(wǎng)格的劃分，可以用UG，PROE或者SOLIDWORKS等三維設(shè)計軟件建立計算模型。針對球體與閥桿的使用工況，對造成球體與閥桿接觸部位破壞的結(jié)構(gòu)進行分析，確定對球體與閥桿接觸部位進行優(yōu)化，能有效減少磨損。為此，形成球體與閥桿的5種不同設(shè)計方案

  在建立有限元模型時，采用了三維立體幾何模型，根據(jù)設(shè)計方案建立了3種球體模型（圖2，①球體銑方槽。②球體滑槽，接觸邊緣倒圓角。③球體滑槽，接觸邊緣不倒圓角）和2種閥桿模型（圖3，①閥桿扁榫，②閥桿扁榫與球體接觸部位高出0.8mm）。

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