球閥密封特性研究
采用有限元法計(jì)算了常溫下球閥的密封接觸應(yīng)力分布和變形情況。分析結(jié)果表明，在球閥的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選用聚四氟乙烯作為閥座材料是可行的。
1、概述
密封失效是閥門常見(jiàn)的失效形式之一。由于密封結(jié)構(gòu)中包含復(fù)雜材料特性的密封元件，有限元求解過(guò)程中包含復(fù)雜的非線性接觸分析。密封結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)中存在不穩(wěn)定工況( 如溫度、壓力和密封介質(zhì)特性) 等，使采用有限元法進(jìn)行密封接觸分析涉及到幾何非線性和材料非線性等問(wèn)題。幾何非線性主要體現(xiàn)在接觸過(guò)程中接觸部位的準(zhǔn)確確定從而正確地設(shè)置接觸對(duì)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為材料非線性主要是指由于大多數(shù)密封件中通常會(huì)采用一些具備超彈性和粘彈性的非線性材料，如各種類型的橡膠和工程塑料等。本文以球閥為例，對(duì)常溫下球閥的密封件進(jìn)行有限元接觸分析，獲得其接觸應(yīng)力和接觸變形情況，檢驗(yàn)校核聚四氟乙烯閥座是否符合強(qiáng)度要求和密封變形限制。
2、有限元建模及加載
2.1、載荷計(jì)算
在實(shí)際工況下，球閥的球體在介質(zhì)壓強(qiáng)的作用下產(chǎn)生微小偏移量擠壓介質(zhì)出口端的閥座密封件，使得兩者密封面接觸(圖1) 。密封件受到閥體限制產(chǎn)生塑性變形，通過(guò)閥座端面將力傳遞到閥體，由于閥體與外接法蘭管件連接，受到固定作用，連接的端面產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的平衡，使整體處于平衡狀態(tài)。根據(jù)對(duì)實(shí)際工況下球閥密封狀態(tài)時(shí)力傳遞過(guò)程(圖2) 的分析可知，在閥門的密封狀態(tài)，載荷即外界作用力主要包括介質(zhì)壓力、接觸壓力和端面壓力。由此可知，閥座的載荷理論值q 主要包括介質(zhì)壓力、接觸壓力和端面壓力。
圖1 閥門密封狀態(tài)
圖2 閥門密封狀態(tài)的力傳遞流程
根據(jù)DN50 球閥的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，d = 54mm，D= 66mm，p = 2.5MPa。將各數(shù)值代入式(1) ，計(jì)算獲得載荷的理論值q = 6.25 MPa。
2.2、材料模型
在接觸分析中主要部件為球體和閥座。目前常用的閥座材料為PTFE，其材料力學(xué)性能較為穩(wěn)定(表1) 。球體常用材料為304不銹鋼(表2) 。
表1 PTFE 材料的常溫(22℃) 力學(xué)性能
表2 304 不銹鋼常溫(22℃) 下的力學(xué)性能
PTFE相對(duì)于橡膠而言其塑性特征更明顯，通常呈現(xiàn)為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化特征，而且材料特性對(duì)溫度比較敏感。因此，對(duì)于研究所用的純PTFE 閥座，主要考慮其彈塑性特征，在有限元分析中采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料模型模擬，在ANSYS 中采用彈塑性實(shí)體模型Visco solid 8 node plas 107 單元進(jìn)行求解。定義PTFE材料密度為2100kg/m3，彈性模量為0.4GPa，屈服強(qiáng)度為18MPa，切向模量為120MPa，泊松比為0.35，取動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15。由于閥體和球體均為304 不銹鋼，在常溫下其材料性能可用線彈性模型表示。在ANSYS 中定義其材料彈性模量為195GPa，屈服強(qiáng)度為205MPa，密度為7 930 kg /m3，泊松比為0.294。
3、結(jié)語(yǔ)
仿真分析是閥門設(shè)計(jì)的一種重要方式，可對(duì)產(chǎn)品的性能給出初步的評(píng)價(jià)。而基于經(jīng)典力學(xué)理論的常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法由于其固有的局限性，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為對(duì)于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和多載荷作用下的計(jì)算是無(wú)能為力的，即使對(duì)簡(jiǎn)單邊界條件的結(jié)構(gòu)，也會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜使得計(jì)算不準(zhǔn)確，甚至與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。因此，基于有限元法的數(shù)值模擬解決相對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)常溫下球閥的密封件進(jìn)行有限元接觸分析，獲得了其接觸應(yīng)力和接觸變形情況。分析結(jié)果表明，聚四氟乙烯閥座符合強(qiáng)度要求和密封變形限制。
