球閥閥桿廠家球體與閥桿接觸部份的優(yōu)化設(shè)計
球閥閥桿廠家在進行有限元計算求解之前,首先進行環(huán)境設(shè)定,即給出約束條件。圖5給出了球閥球體與閥桿力學(xué)模型,通過計算得閥座密封面與球體的摩擦轉(zhuǎn)矩為10kN·m扭矩,作用在閥桿兩鍵槽處的力為191kN,設(shè)定填料函處具有無摩擦固定支承,球體與閥座接觸面設(shè)定為瞬間固定支承。
球閥閥桿廠家在球體與閥桿接觸部銑方槽,閥桿扁榫不更改。通過Ansys分析軟件的求解計算,得到球體與閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力圖(圖6)。在應(yīng)力圖中,球體與閥桿接觸處最大應(yīng)力值比較集中在球孔邊緣處很小的兩塊區(qū)域,這兩塊區(qū)域極易產(chǎn)生破損失效,此結(jié)構(gòu)球體閥桿槽最大應(yīng)力σy=227MPa,超出了材料最大許用應(yīng)力值,故不合格。
球閥閥桿廠家在球體與閥桿接觸部銑方槽,閥桿扁榫更改。通過Ansys分析軟件的求解計算,得到球體與閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力圖(圖7)。在應(yīng)力圖中,球體與閥桿接觸處最大應(yīng)力區(qū)域由兩側(cè)改為中間,其最大應(yīng)力值得到了降低σy=193.355MPa,但最大應(yīng)力值還是超過了材料的許用應(yīng)力[σy],故需通過進一步的改進設(shè)計優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
在球體與閥桿接觸部銑圓弧槽,閥桿扁榫不更改。通過Ansys分析軟件的求解計算,得到球體與閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力圖(圖8)。在應(yīng)力圖中,最大應(yīng)力σy=215.589MPa,最大應(yīng)力值超出材料許用應(yīng)力[σy],故不合格。
在球體與閥桿接觸部銑圓弧槽,閥桿扁榫更改。通過Ansys分析軟件的求解計算,得到球體與閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力圖(圖9)。在應(yīng)力圖中,最大應(yīng)力σy=181.446MPa,雖然該結(jié)構(gòu)的計算模型求解后最大應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力值,但其值接近材料許用應(yīng)力[σy],為此需要進一步的優(yōu)化設(shè)計。
球體與閥桿接觸部銑圓弧槽,閥桿扁榫做更改,同時為了更好地防止應(yīng)力集中,面接觸處銳部倒圓角。通過分析軟件的求解計算,得到球體和閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力剖視圖(圖10)。在應(yīng)力圖中,最大變形量0.018mm,最大應(yīng)力σy=154.539MPa,最大應(yīng)力值小于材料許用擠壓應(yīng)力值[σy],滿足設(shè)計要求。同時由于接觸部所受最大應(yīng)力處遠(yuǎn)離金屬密封球閥球體涂層易剝落區(qū)故此設(shè)計改進較為合理。
后處理
通過分析5種方案(表2),其采用方案5的設(shè)計方法時,金屬密封球閥的閥桿與球體接觸處的擠壓應(yīng)力小于材料許用擠壓應(yīng)力值,球體與閥桿接觸部位設(shè)計合理,有效。
表2 5種不同方案的計算結(jié)果
計算結(jié)果表明,球體圓口倒角和閥桿扁榫特殊的高平臺凸起設(shè)計,能在不增大球閥結(jié)構(gòu)和不降低球體強度的基礎(chǔ)上,有效的降低局部的接觸應(yīng)力。在閥門設(shè)計過程中,當(dāng)傳統(tǒng)的設(shè)計方法不能滿足設(shè)計要求時,采用基于Ansys的分析與設(shè)計方法可以有效地優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計,使其滿足性能要求,從而提高閥門設(shè)計的質(zhì)量和效率。
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