阀门支架截面力学特性探讨及CAD应用.pdf

文章编号 1002258552010 0220029202 作者简介荚春龙1977 - ,男,江苏盐城人,工程师,从事阀门的设计及开发工作。 阀门支架截面力学特性探讨及CAD应用 荚春龙,张菊华,王 书 江苏火电电力设备制造有限公司,江苏 盐城224005 摘要 探讨了相关文献中阀门支架的几处截面力学特性公式的准确性,介绍了CAD软件的 相关应用及其优点。 关键词 阀门;支架;惯性矩;形心; CAD 中图分类号TH134 文献标识码A D iscussion over mechan ical properties of some yoke critical sections and application of CAD JIA Chun2long, ZHANG Ju2hua,WANG Shu Jiangsu Electric Power Equipm entM anufacturing Co. , L td. , Yancheng224005, China AbstractThrough analysis and calculation, challenging propositions are given upon severalm echanical property ulae about som e critical sections. The application and advantage of CAD soft w are is also discussed. Key wordsvalve; yoke; m om ent of inertia; center; CAD 1 概述 阀门强度计算是验证设计安全性的理论依据, 针对不同类型的阀门,其强度计算主要有壳体阀 体、 阀盖计算、 阀杆计算、 中法兰计算、 螺栓计算、 密封比压力验算和支架危险截面计算等。但阀门结 构复杂,品种繁多,功能各异,致使各部件的受力情 况不同,给相关的推导计算带来困难。另外我国没 有专用的关于阀门计算方面的标准,因此只能参照 一些阀门设计手册进行计算。本文针对文献〔1〕 中 给出的几处值得商榷的阀门支架计算公式进行了推 导,以分析其正确与否。并介绍CAD软件在阀门部 件设计计算中的应用。 2 分析计算 在参考文献〔1〕 中,第396页的表4 - 29 下称 原表列出6种截面特性,其中第3、4、5种的截面系 数W x 和W y 的表述出现混淆,应改为W x I x /y1,W y I y /x1 〔2〕 。 截面对于不同点和轴的惯性矩各不相同,一般 只有通过特定点、 特定轴的惯性矩才具有工程计算 价值。这样的点一般为形心,轴一般是主惯性轴,而 通过形心的主惯性轴即形心主惯性轴截面对于 坐标轴的惯性积为0,并且在所有平行轴中的惯性 矩最小。 原表x轴都是对称轴,坐标轴相互垂直且通过 形心,可见所给I x 和I y 应该都是形心主惯性矩。但 经过计算,原表截面 5 图 1 对过圆心O的y轴惯 性矩I y 为 I y ∫ R r∫ α -α ρcosθ 2ρ dρdθ R 4 - r 4 4 α sinαcosα1 式1与原表I y 相同,可见原表I y 不是形心主 惯性矩,而是过圆心O对y轴的惯性矩式中角度采 用弧度制,下同。 圆心O和形心C都在x轴上,图1对x轴的惯性 矩与原表I x 相同, I x 为 I x ∫ R r∫ α -α ρsinθ 2ρ dρdθ R 4 - r 4 4 α- sinαcosα2 922010年第2期 阀 门 为了得到y轴的形心主惯性矩,先计算圆心到 形心距离a。 图1 原表中截面5 a A1x1c- A2x2c A1- A2 R 2α 2Rsinα/3α- r 2α 2rsinα/3α R 2α - r 2α 2 R 3 - r 3 sin α 3 R 2 - r 2 α 3 根据平行移轴公式, I yc 为 I yc I y - a 2A R 4 - r 4 4 α sinαcosα - 4 R 3 - r 3 2 sin 2α 9 R 2 - r 2 α 4 类似地,原表中截面4图2对于过圆心O的y 轴的惯性矩I y 为 I y ∫ α -α∫ R Rcosα cosθ ρcosθ 2ρ dρdθ 1 4 R 4 [α- 1 4 sin4α]5 可见原表I y也是过圆心 O的y轴的惯性矩而非形 心主惯性矩。 此式与原表对应公式完全等效,而且形式 更加简单。 比如任取R 1,α0131117182 , 两 式都等于01018。 同样,形心至圆心距离a为 a ∫ α -α∫ R Rcosα cosθρ cosθ ρdρdθ A 4Rsin 3α 32α- sin2α 6 根据平行移轴公式, y轴的形心主惯性矩I yc 为 I yc Io- a 2A 1 4 R 4 [ α- 1 4 sin4α - 8sin 6α 92α- sin2α ]7 图2对于x轴的惯性矩也与原表相同,但形式 可以简化为 I x ∫ α -α∫ R Rcosα cosθ ρsinθ 2ρ dρdθ 1 4 R 4 [α- sinαcosα- 2 3 sin 3αcos α]8 图2 原表中截面4 3 AU TOCAD软件中面域的运用 式1～ 式8均是用于计算规则截面,而在生 产实际中零件锐边尖角都改成圆角过渡,为了简化 计算一般都忽略这些次要因素。对于不规则的截 面,计算起来将耗时耗力,在此介绍运用CAD软件 解决繁琐计算问题的方法。其主要操作步骤有4 项。① 绘制截面。②用region或boundary命令设 其为面域。③ 查询质量特性,把得到的质心设为用 户坐标原点。④ 再次查询质量特性,如果显示质心 坐标均为0时,且截面存在对称轴,得到的惯性矩即 是形心主惯性矩。 以图1为例,令R 150mm, r 120mm,απ/ 4,代入式2、3和4 , 得到I yc 1 293 677, I x 21 325 664126, a 1221042 9。将I yc、 I x 和a代入 CAD中,按步骤操作可以得到很多信息图3。如 面积6 3611725 1、 周长4841115 0、 边界框 X - 371190 1、- 271957 1, Y- 1061066 0、- 1061066 0、 质心 X 01000 0, Y01000 0、 惯性矩 X 21 325 6641264 5, Y1 293 6771345 3、 惯性积 XY 01000 0、 旋转半径 X 571898 0, Y141260 2 和主力矩与质心的X-Y方向 I 1 293 6771345 3沿 [01000 0 11000 0], J21 325 6641264 5沿[- 11000 0 下转第45页 03 阀 门 2010年第2期 缸及球体的连接部分配合间隙过大,定位轴的设计 也不合理,造成球体不能开关到位。 213 阀座弹簧失灵 气动球阀采用球体固定结构,因此,球体受压后 不产生移动。阀座采用弹簧浮动结构,由阀座背面 的弹簧加载,关闭或开启时阀座产生移动,以保证良 好的进出口双向密封性能。但是该阀解体时发现, 阀座弹簧腔内积满了灰尘,使弹簧失去了弹性作用, 开启时阀座与球体不能迅速脱离,而使浮动阀座变 成了固定阀座,又增加了阀门的操作力矩。 3 结构改进 针对引起气动球阀故障的原因,对阀门结构做 了改进图 1 。 311 阀座 针对球体圆度误差大而造成的球体不对中情 况,在无法对球体处理的情况下,对球体误差大的一 侧阀座背面进行了改进,消除了因为球体的圆度误 差而造成的操作扭矩的增加。 312 传动轴 对气缸力矩传递轴端部进行堆焊加工处理,使 传递轴与气缸、 球体都能配合良好,同时对传递轴又 进行了偏心处理,定位轴上增加了铜合金套,替代传 统的不锈钢套或四氟套。这样既保证了球体能够开 关到位,又保证了传递轴、 球体和定位轴同心,在一 定程度上消除了球体圆度误差造成的影响。 313 防尘 阀座在受压时移动,应保证弹簧的弹性。为达 到这个目的,弹簧腔内不应进入和存有灰尘杂质。 经过多次试验,在阀座的导向部分和背面增加了防 尘装置,使阀座移动时弹簧腔不能进灰尘,保护了弹 簧性能,减小了阀门动作时的操作力矩,使控制阀正 常工作。 4 结语 通过对控制阀门15XV - 0015进行的结构改 进,取得了良好的效果,延长了阀门的使用寿命,为 煤化工装置长周期安全运行提供了保证。 参考文献 〔1〕 吴国熙.调节阀使用与维修 〔M〕.北京化学工业出版社, 1999. 〔2〕 杨源泉.阀门设计手册〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔3〕 王训钜.阀门使用维修手册〔M〕.北京中国石化出版社, 1999. 收稿日期 20091111 23 上接第30页 01000 0 ]等。确定形心位置后,进一步测得形心到 圆心距离a1221042 9mm,可见理论计算和AUTO2 CAD所得结果相等。 图3 用CAD辅助计算 CAD不直接给出抗弯截面系数W,它等于惯性 矩除以截面外边缘上最远点到形心轴的距离,利用 图3边界框信息很容易得出W。需要弄清最大应力 点是受拉还是受压,对于不对称截面尽量使距形心 轴较远的边受压而不受拉。 4 结语 CAD软件一般不受图形或数值复杂程度的限 制,只要正确建模和操作无误都能很快给出计算结 果。所以灵活运用CAD软件相关功能,即可完成大 量复杂的计算任务。随着科学技术的不断发展,新 材料不断诞生,高精度加工设备和先进技术不断涌 现,完备的检测测验手段不断采用和法规及标准的 不断更新,阀门工业也将取得更大的进步。 参考文献 〔1〕 杨源泉.阀门设计手册〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔2〕 中国动力工程学会.火力发电设备技术手册〔M〕.北京机械 工业出版社, 1998. 〔3〕 GB /T 12234 - 2007,石油、 天然气工业用螺栓连接阀盖的钢制 闸阀[ S]. 〔4〕 刘鸿文.材料力学〔M〕.北京高等教育出版社, 1998. 收稿日期 20091091 23 542010年第2期 阀 门