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1、概述

COSMOSWORKS是整合在SOLIDWORKS中的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng), 它提供壓力、頻率、約束、熱量和優(yōu)化分析等, 為設(shè)計(jì)人員在SOLIDWORKS的環(huán)境下, 提供了比較完整的分析手段。本文以固定球閥的閥座為重點(diǎn)研究對(duì)象, 因?yàn)樵陂y座的工程設(shè)計(jì)過程中, 閥座密封面上總作用力及密封比壓的計(jì)算在實(shí)際設(shè)計(jì)中使用的是經(jīng)驗(yàn)或修正公式, 利用現(xiàn)有手段, 這兩種參數(shù)不易準(zhǔn)確測(cè)出。通過應(yīng)用COSMOSWORKS有限元分析軟件計(jì)算模擬工況下固定球閥的密封比壓, 并與理論的計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比, 為閥門的設(shè)計(jì)提供了相對(duì)準(zhǔn)確的參考。

2、實(shí)體建模

以DN239mm, PN25MPa的固定球閥設(shè)計(jì)為例。在SOLIDWORKS中首先對(duì)固定球閥的各個(gè)零部件進(jìn)行實(shí)體建模, 并對(duì)各零部件進(jìn)行組裝(圖1) 。對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查, 得到各零件之間無干涉的裝配體。

3、有限元分析

3.1、密封機(jī)理

固定球閥采用進(jìn)口密封此時(shí)球閥壓差(P-P1) >0(P、P1為閥前和中腔的流體壓力)。當(dāng)壓差大到一定程度,即在密封副表面造成一定的壓緊比壓時(shí), 此比壓將引起閥座彈塑性變形, 填塞密封面上的微觀不平度以阻止流體從密封副間通過。當(dāng)壓差較小或閥座采用金屬材料制作時(shí),依靠壓差不能達(dá)到密封, 此時(shí)必須另加一個(gè)密封外力, 以加大壓緊比壓。根據(jù)工作壓力計(jì)算密封所需的必需比壓qb 的經(jīng)驗(yàn)公式為qb = 1.2PN= 30MPa。為保證球閥密封可靠, 在球體和閥座的接觸表面上應(yīng)有足夠的比壓, 但不得超過密封副材料的許用比壓[q]。理論密封比壓q1為

式中Q———球閥密封力, N

P———公稱壓力, MPa

S ———閥座密封面的面積(S = 7634) , mm2

d2 ———閥座支撐圈外徑( d2 = 290) , mm

D2 ———閥座的外徑(D2 = 270) , mm

D1 ———閥座的內(nèi)徑(D1 = 256) , mm

代入各值, 得出q1 的值為40.17MPa。

3.2、有限元計(jì)算

由于密封比壓的計(jì)算過程僅與球體、閥座和閥座支承圈等零部件有關(guān), 所以對(duì)其有限元分析模型做了簡(jiǎn)化(圖3) , 這樣不僅節(jié)約了計(jì)算機(jī)資源,而且提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過模擬現(xiàn)實(shí)工況, 需計(jì)算得出閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力值Qs。

式中Q1 ———預(yù)緊力在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上的壓力, MPa

Q2 ———公稱壓力在閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力, MPa

S1 ———閥座支撐圈與左右閥體接觸面的面積( S1 = 21189.26, 可在SOLIDWORKS中直接測(cè)得)，mm2

d1 ———閥座支撐圈的內(nèi)徑( d1 = 239) , mm

代入各值, 得Qs 的值為23.01MPa。

根據(jù)現(xiàn)實(shí)工況, 在COSMOSWORKS中建立一個(gè)靜力學(xué)分析算例, 并確定約束載荷條件(①固定球體與上閥桿和底蓋相接觸面。②限定閥座和閥座支撐圈只能在軸向上運(yùn)動(dòng)。③將Qs 施加在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上, 進(jìn)行網(wǎng)格化。④確定球體和閥座支撐圈的材料為35號(hào)鋼, 閥座的材料為奧氏體不銹鋼, 密封面間無滑動(dòng)(奧氏體不銹鋼的許用比壓[q] 值為150MPa)