球閥密封特性分析

球閥密封特性分析采用有限元法計(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)果說明，在球閥的密封構(gòu)造設(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的失效形式之一。由于密封構(gòu)造中包含復(fù)雜材料特性的密封元件，有限元求解過程中包含復(fù)雜的非線性接觸分析。密封構(gòu)造在工作狀態(tài)中存在不穩(wěn)定工況(如溫度、壓力和密封介質(zhì)特性)等，使采用有限元法開展密封接觸分析涉及到幾何非線性和材料非線性等問題。幾何非線性主要表達(dá)在接觸過程中接觸部位的準(zhǔn)確確定從而正確地設(shè)置接觸對，真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)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，對常溫下球閥的密封件開展有限元接觸分析，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)生對應(yīng)的平衡，使整體處于平衡狀態(tài)。根據(jù)對實(shí)際工況下球閥密封狀態(tài)時(shí)力傳遞過程(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=6.25MPa。

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1PTFE材料的常溫(22℃)力學(xué)性能

表2304不銹鋼常溫(22℃)下的力學(xué)性能

PTFE相對于橡膠而言其塑性特征更明顯，通常呈現(xiàn)為雙線性隨動強(qiáng)化特征，而且材料特性對溫度比較敏感。因此，對于研究所用的純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強(qiáng)化材料模型模擬，在ANSYS中采用彈塑性實(shí)體模型Viscosolid8nodeplas107單元開展求解。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7930kg/m3，泊松比為0.294。3、結(jié)語

仿真分析是閥門設(shè)計(jì)的一種重要方式，可對產(chǎn)品的性能給出初步的評價(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:///)認(rèn)為對于復(fù)雜幾何構(gòu)造和多載荷作用下的計(jì)算是無能為力的，即使對簡單邊界條件的構(gòu)造，也會因?yàn)闃?gòu)造較復(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)值模擬解決相對復(fù)雜