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(shuō)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(mén)常見(jiàn)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(guò)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(kāi)展密封接觸分析涉及到幾何非線性和材料非線性等問(wèn)題。幾何非線性主要表達(dá)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:///)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開(kāi)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(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(mén)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(mén)密封狀態(tài)

圖2閥門(mén)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(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Viscosolid8nodeplas107單元開(kāi)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(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7930kg/m3，泊松比為0.294。3、結(jié)語(yǔ)

仿真分析是閥門(mén)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:///)認(rèn)為對(duì)于復(fù)雜幾何構(gòu)造和多載荷作用下的計(jì)算是無(wú)能為力的，即使對(duì)簡(jiǎn)單邊界條件的構(gòu)造，也會(huì)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(duì)復(fù)雜