基于ANSYS的液压截止球阀设计与分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 O 5期 基于 A N S Y S的液压截止球阀设计与分析 王二强 ， 孟 瑞 ， 周华波 ， 方 兵 1 ． 湖北三江航天红峰控制有限公司 ， 湖北 孝感4 3 2 0 0 0 ； 2 ． 中国三江航天集团公 司 档案管理 中心 ， 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 摘要 液压截止球 阀是飞行器压力调节系统 中常用 的部 件 ， 目前 大都 是从 工业设计和使用用途 的角度研究液压截 止球 阀 ， 缺少液压 截止球阀在不 同环 境工况下工作 过程的应力 和变 形情况分析 ，以及零部件 的可靠性 和安 全性 技术指标 。设 计运用有 限元 分析软件 A N S Y S ， 对某产品的手动液压截止球阀进行强度和刚度分析 ， 得到手动液压截止球阀的应力和变形情况。 以分析结果为基础， 给出了手 动液压截止球 阀零部件 的可靠性和安全性技术指标 。在产品设计初期 。 运用 A N S Y S分析软件对 产品及零部件进行不同工况下 的受力 分析 ， 可 以得到产 品的设计参数 ， 优化设计产品 ， 使 得产 品综 合特性达 到最好 。 关键词 液压截止球 阀； 应力 ； 变形 ； 优化设计 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 5 0 0 0 4 0 3 D e s i g n a nd Ana l y s i s o f Hy d r a u h c S h ut o ff Ba l l Valve Ba s e d o n AN S YS WANG Er - q i a n g a ， ME NG Ru i 2 Z HOU nll ,a - b o ， F ANG B i n g 1 ． H u b e i S a i a n g A e r o s p a c e H o n g f e n g L i mi t e d C o m p a n y ， X i a o g a n 4 3 2 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． A r c h i v e s A d m i n i s t r a t i o n C e n t e r o f C h i n a S p a c e S a n i a n g G r o u p C o r p o r a t i o n ， Wu h a n 4 3 0 0 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e Hy d r a u l i c S t o p B a l l Va l v e i s o n e o f i mp o r t a n t c o mp o n e n t s o f t h e a i r c r a f t p r e s s u r e r e g u l a t i o n s y s t e m． I t mo s t l y s t u d i e d f r o m t h e p o i n t o f v i e w of i n d u s t ri a l d e s i g n a n d i n t e n d e d u s e a n d i s l a c k o f the a n aly s i s o f the s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n u n d e r t h e d i ff e r e n t e n v i r o n me n t c o n d i t i o n s wo r k s a n d t e c h n i c al i n d i c a t o r s o f r e l i a b l e a n d s e c u ri t y o f i t s p a r t s ． T h e a u t h o r a n aly z e d s t r e n g t h a n d s t i ff n e s s o f t h e c e rt a i n t y p e of Hy d r a u l i c S t o p Ball Valv e u s i n g fin i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e ANS YS a n d g o t i t s s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n ． B a s e d o n t h e r e s u l t s o f t h e a n aly s i s ， i t i s g i v e n t e c h n i c al i n d i c a t o r s of r e l i a b l e a n d s e c u ri t y of i t s p a r t s I n the i n i t i a l s t a g e o f p r o d u c t d e s i g n ， t h e d e s i g n e r a n aly z e p r o d u c t s a n d i t s p a r t s u n d e r d iffe r e n t e n v i r o n me n t c o n d i t i o n s wo r k s u s i n g ANS YS s o f tw a r e a n d c a n g e t t h e d e s i g n p ara me t e rs o f t h e p r o d u c t s a n d i t s p a rt s ， w h i c h o p t i mi z e d the d e s i g n o f p r o d u c t a n d ma d e t h e p rod u c t t o a c h i e v e t h e b e s t p rop e r t i e s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s h u t o ff b a l l v alv e； s t r e s s ； d e f o r mi o n； o p t i ma l d e s i g n O 引言 随着社会的不断发展 ．阀门已经广泛应用于各行 各业 。 逐步 向着规格类型 系列化 、 使用寿命 延长化 、 产 品参数扩大化等多方面综合发展 。成为各种机械设备 不可缺少 的部件。液压截止球阀是飞行器压力调节系 统中常用的部件， 控制工作介质的通和断【 l1 。 在打开和关 闭液压截止球阀时 ，存在着球体转动 与密封副之间产生的巨大摩擦力 。因为启闭力矩过大 ， 会影响到液压截止球阀的开关速度 ， 转动力矩过大 ， 阀 杆与球体 连接处容易损坏 。较大的摩擦力可以导致密 封副磨损加快 ，缩短液压截止球阀的使用寿命 。在高 温 、高压和特殊工况下还会影响到液压截止球 阀使用 的可靠性 、 耐久性和安全性[2 - 3 1 ， 缺少液压截止球 阀产品 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 1 8 作者简介 王二强 1 9 8 3 一 ， 男 ， 陕西西安人 ， 工程师 ， 硕士研究生 ， 主要 研 究方 向为 阀门设计和伺服机构的设计研究 。 4 及零部件的可靠性和安全性技术指标『4 1 。因此 ， 根据不 同的使用工况 ，给出液压截止球 阀在工况下的使用情 况模拟 ，得到液压截止球 阀在工况条件下使用 的薄弱 环节 。 给出液压截止球阀的最佳设计参数组合 ， 满足不 同工况条件下对液压截止球阀的设计要求是阀门生产 企业 面 临 的主要 问题 之一 。 本文根据液压截止球 阀的使用工况 ，运用有 限元 分析软件 A N S Y S对产品及其零部件进行受力分析 ， 得 到了产 品和各零部件的应力分布和变形情况 ，以及产 品的设计参数 ，并且将液压截止球 阀在不 同环境温度 和预紧力矩条件下 的工作情况进行 了计算和 比较。综 合分析结果 ， 找出液压截止球 阀的薄弱环节 ， 优化改善 产品设计 ， 给出产品设计的最佳参数组合 ， 使产品在满 足工况使用条件下综合性能达到最佳。 1 液压截止球阀机械结构设计 液压截止球阀的工作原理是球阀借助手柄驱动装 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 5期 2 ． 4手动液压截止球 阀在不同工况下的仿真分析 根据手动液压截止球 阀的工作原理 以及使用工况 要求 ， 碟形弹簧和密封帽为产品设计 的关键零件。碟形 弹簧是主要承受预紧力矩作用 的主要部位 ．密封帽是 影响手动液压截止球阀控制作用 的部位 。为了得到液 压截止球 阀在不同工况下 的使 用情况 ，本文对液压截 止球阀计算了温度在 2 O ℃时 ， 预紧力矩分别为 1 0 N m、 1 5 N m、 2 0 N m、 2 5 N m、 3 0 N m； 预紧力矩为 2 5 N m时， 环境温度分别为一 1 5 ℃、 一 5 ℃、 1 0 ℃、 2 O ℃、 3 5 ℃、 4 5 ℃作用 下 的应力 和变形情况 。液压截止球 阀在预紧力 矩为 2 5 N m，不同温度作用下的应力计算结果如图 5所示 ， S 1 表示碟形弹簧的应力值 曲线 ， S 2表示密封帽的应力 值曲线。 变形计算结果如图 6所示 ， e 1 表示碟形弹簧的 变形量曲线 ， e 2表示上密封帽的变形量 曲线， e 3表示下 密封帽的变形量曲线。液压截止球 阀在温度为 2 0 ℃， 不 同预紧力矩作用下的应力计算结果如图 7所示 ．变形 计算结果如图 8 所示。 6 1 1 1 氇 2 01 0 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 O 温度 ／ ℃ 图 5液压截止球 阀在不同温度下的应 力云 图 图 6 液压截止球 阀在不同温度下的变形云图 图 7 液压截止球 阀在不 同预紧力矩 下的应力云图 g 删 图 8液 压截 止 球 阀在 不 同预 紧 力 矩 下 的 变 形 云 图 从图 5 ～ 图 8中的曲线可以看出，在预紧力矩一定 的工作条件下 ，环境温度 的变化对于碟形弹簧和密封 帽的应力和变形有着显著的影响。在 2 0 ℃工作 时， 碟形 弹簧和密封帽的应力值和变形量最小 ，材料 的性能最 好 。在环境温度一定的工作条件下 ， 预紧力矩的变化对 碟形弹簧和密封 帽的变形 以及碟形弹簧的应力有着显 著 的影响。预紧力矩越大碟形弹簧和密封帽的变形量 越大 ， 碟形弹簧的应力值越大 。预紧力矩过大 ， 加速球 体与密封帽之间的密封面磨损 ； 预紧力矩过小 ， 碟簧对 密封面的补偿量小。因此 。 要根据产品的综合使用性能 选取合适的预紧力矩数值 。 3 总结 通过运用有 限元分析软件对产品进行强度和刚度 分析 ， 可以得到产品的应力和变形情况。通过对计算结 果 的分析 ， 优化改善产品设计 ， 得出产品在不同工况下 的最优设计参数组合 ．并且给出了产品及其零部件在 使用需求下的可靠性和安全性技术指标参数 。在产品 设计初期 ， 应用有限元分析软件对产 品进行设计分析 ， 提高 了产 品的设计效率 。并且有效地缩短了产 品的设 计周期 ， 很好地提高了产品使用的可靠性和安全性 。 参 考 文 献 [ 1 】 叶 昌楠， 冯 志刚， 武宇， 杨 昌均． 液路截止球 阀安 全性仿真分析 [ R 】 ． 长 沙 湖南省宇航学会推进技术专业委员会 2 0 1 1年度联 合学术会议， 2 0 1 1 ． 【 2 】 朱福敏， 朱印吉． 新 型专利 嵌套 式锻钢球阀[ J J ． 中国设备工 程 ， 2 0 0 8 ， 1 1 ． [ 3 ] 唐勇， 权崇 仁． 船 用高压空气 截止球 阀的现状 与技 术探讨[ J ] ． 船舶工程 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ． f 4 】 王敏， 刘金梁． 超临界截止球阀阀体强度应力分析【 J 】 ． 阀门， 2 0 0 6 ， 3 ． 【 5 】 上海航天局科技 情报研究所． 机电产品设计 标准手册【 M】 ． 北 京 航天工业部第七 0八研究所 ． 1 9 8 4 ． 【 6 】 D a r y l L ． L o g a n ． 有限元方法基 础教程 第 三版 [ M] ． 北京 电子 工业出版社 ． 2 0 0 3 ．