球阀阀杆厂家球体与阀杆接触部份的优化设计
球阀阀杆厂家在进行有限元计算求解之前,首先进行环境设定,即给出约束条件。图5给出了球阀球体与阀杆力学模型,通过计算得阀座密封面与球体的摩擦转矩为10kN·m扭矩,作用在阀杆两键槽处的力为191kN,设定填料函处具有无摩擦固定支承,球体与阀座接触面设定为瞬间固定支承。
球阀阀杆厂家在球体与阀杆接触部铣方槽,阀杆扁榫不更改。通过Ansys分析软件的求解计算,得到球体与阀杆接触部变形图及应力图(图6)。在应力图中,球体与阀杆接触处最大应力值比较集中在球孔边缘处很小的两块区域,这两块区域极易产生破损失效,此结构球体阀杆槽最大应力σy=227MPa,超出了材料最大许用应力值,故不合格。
球阀阀杆厂家在球体与阀杆接触部铣方槽,阀杆扁榫更改。通过Ansys分析软件的求解计算,得到球体与阀杆接触部变形图及应力图(图7)。在应力图中,球体与阀杆接触处最大应力区域由两侧改为中间,其最大应力值得到了降低σy=193.355MPa,但最大应力值还是超过了材料的许用应力[σy],故需通过进一步的改进设计优化结构。
在球体与阀杆接触部铣圆弧槽,阀杆扁榫不更改。通过Ansys分析软件的求解计算,得到球体与阀杆接触部变形图及应力图(图8)。在应力图中,最大应力σy=215.589MPa,最大应力值超出材料许用应力[σy],故不合格。
在球体与阀杆接触部铣圆弧槽,阀杆扁榫更改。通过Ansys分析软件的求解计算,得到球体与阀杆接触部变形图及应力图(图9)。在应力图中,最大应力σy=181.446MPa,虽然该结构的计算模型求解后最大应力值小于材料的许用应力值,但其值接近材料许用应力[σy],为此需要进一步的优化设计。
球体与阀杆接触部铣圆弧槽,阀杆扁榫做更改,同时为了更好地防止应力集中,面接触处锐部倒圆角。通过分析软件的求解计算,得到球体和阀杆接触部变形图及应力剖视图(图10)。在应力图中,最大变形量0.018mm,最大应力σy=154.539MPa,最大应力值小于材料许用挤压应力值[σy],满足设计要求。同时由于接触部所受最大应力处远离金属密封球阀球体涂层易剥落区故此设计改进较为合理。
后处理
通过分析5种方案(表2),其采用方案5的设计方法时,金属密封球阀的阀杆与球体接触处的挤压应力小于材料许用挤压应力值,球体与阀杆接触部位设计合理,有效。
表2 5种不同方案的计算结果
计算结果表明,球体圆口倒角和阀杆扁榫特殊的高平台凸起设计,能在不增大球阀结构和不降低球体强度的基础上,有效的降低局部的接触应力。在阀门设计过程中,当传统的设计方法不能满足设计要求时,采用基于Ansys的分析与设计方法可以有效地优化产品设计,使其满足性能要求,从而提高阀门设计的质量和效率。
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