基于有限元的浮动球阀密封比压分析.pdf

文章编号 100225855 2006 0220025204 作者简介俞树荣1962 - ,男,甘肃兰州人,教授,主要研究方向为化工设备与阀门的设计开发。 基于有限元的浮动球阀密封比压分析 俞树荣,高 扬,张希恒 兰州理工大学 石油化工学院,甘肃 兰州 730050 摘要 以浮动球阀的密封机理为基础,以有限元工程分析软件作为工具,论述了浮动球阀密 封副密封比压在轴向、径向和周向上分布特性,分析了密封面上密封比压的分布规律,并通过实 例比较了理论值与有限元分析值之间的异同,得出浮动球阀密封比压的分布规律。 关键词 浮动球阀;密封比压;有限元分析;模拟 中图分类号 TH134 文献标识码 A Sealing pressure analysis of float ball2valve based on FEA YU Shu2rong , GAO Yang , ZHANG Xi2heng College of Petrochemical Engineering Technology , Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou 730050 , China Abstract This text take floating the ball valve to seal completely the mechanism as the foundation , with the finite element analytical software and procedure of VBsof an engineerings be the tool , discuss the floating ball valve to seal completely vice - seal completely the ratio to press at stalk to , path to and the week heading up to distribute the characteristic , analyzing seal completely to face up seal com2 pletely the ratio pressof distribute the regulation , and passed imitate experiment compare the different and similar between the theories value and an analytical value , get distribute the regulation of floating ball valve seal completely the ratio press. Key words float ball valve ; seals completely the ratio to press; finite element analysis; emulation 1 概述 密封性能是评价阀门的一项最重要的指标,即 是指密封面上的密封比压。浮动球阀的密封比压在 实际的工程中采用近似公式计算,由于公式是由密 封面平均直径得出的平均密封比压,不能反映密封 面的密封比压分布情况,而如果用数学分析方法分 析密封面上的密封比压,又太繁琐而不易得出结 果。 随着有限元分析技术的开发与拓展,对机械产 品的设计与分析也能够进一步的深入,本文用有限 元软件计算了模拟工况下浮动球阀的密封比压,应 用VB程序提取密封比压数据进行分析,并与理论 的计算公式进行了对比。 2 浮动球阀的密封机理 浮动球阀关闭时图1 ,球体支承在阀座上, 介质力作用在以密封面外径DMW为边界的球体面 上,使球体在流体流动方向产生位移,从而使它与 阀门的出口阀座密封面更紧密地接触,即在该密封 面上的比压增大,形成密封。实际分析时近似认为 有效介质力是作用在球体上的DMP阀座密封面 平均直径范围内。 由于介质的渗透和毛细管等物理现象,介质将 进入到密封面之间,但不会从密封面外缘泄漏,在 设计计算中取密封面的平均直径Dmp作为介质终止 的界限。从而推导出浮动球阀的密封比压q的近 似计算公式为[1] q N FMN D MW DMN 2 p 16 l 12- l22 D MW DMN 4 D MW- DMN 1 式中 q 密封比压, MPa N 球体对密封面的法向力, N FMN 密封环带面积, mm2 522006年第2期 阀 门 DMW 阀座密封面外径, mm DMN 阀座密封面内径, mm p 介质工作压力, MPa l1、l2 球体中心至密封面的距离, mm 由公式1可知,浮动球阀是依靠工作介质 压力来实现密封要求的,压力通过关闭件全部传给 了出口端的密封副。 a球体与阀座组合结构 b球体受力分析 图1 浮动球阀 3 浮动球阀的密封比压有限元分析 311 浮动球阀的三维建模与分析 用有限元软件ANSYS做出浮动球阀的三维模 型图,设置边界条件和受力模型,然后运算,得出 密封比压的有限元节点数值。其生成的密封面上密 封比压分布图 2 可以看出,在密封环的两侧边 缘,密封比压比较大,而中部相对较小,同时,沿 环向密封比压的分布变化很小,整体上密封环上的 密封比压分布十分有规律。由于流向为沿Z轴正 向流动,球体与进口阀座之间存在间隙,出口阀座 被球体压紧,球阀的密封基本上由出口阀座保证。 由此图的分布现象可以得出,密封比压的理论值应 该接近密封面中心直径所对应的密封比压值。 图2 密封比压分布 312 密封比压分析 图3 阀座位置及流向 设置阀座的各个坐标位置如图3所示,流向为 Z轴正向,故此为出口阀座的二维坐标图。流道Z 轴方向上,划分成4等分,断面坐标点分别是La 点、LaLb-La / 2 点、LaLb / 2 点、Lb - L b- La / 2 点和Lb点;密封面环向上,依 次坐标点为Dmw点、Dmw-Dmwn-Dmn / 2 点、 DmwDmn / 2 点、DmnDmw-Dmn / 2 点和 Dmn点。 把从ANSYS中生成的密封比压Excel数据表 导入比压提取程序中,提取节点密封比压值并进行 计算,提取密封比压的流程图如图4所示。 从程序中得出密封环面上的密封比压分布变化 如图 5 轴向变化图和图 6 径向变化图所示。 密封环面上沿轴向和径向密封比压的变化大体相 同,在两侧密封比压值很大,而在中部数值相对较 62 阀 门 2006年第2期 小,整体呈马鞍型分布。在轴向上,密封比压沿轴 向中心面呈中心对称分布,在中心面上密封比压最 小,而在两端密封比压最大。在径向上,密封比压 也在径向中心处最小,而在密封面内径处密封比压 最大。 在周向上,如图7所示,把圆周沿环向划分成 三部分,每部分取一个环面,分别是密封面外径、 内径与中心环面,在每环上取六个点,这里分别取 0 、60 、120 、180 、240 、300 的点,可以看出, 在密封面内外径处,周向的密封比压分布曲线变化 比较大,密封比压的数值总体上比较大。而在密封 面中心部分,密封比压的分布曲线变化很小,总体 恒定在一定的数值范围内,且数值比较小。 图4 密封比压提取流程 图5 软密封材料密封环上轴向密封比压变化 通过图5、图6和图7可以看到,在密封面的 轴向和径向上,密封比压分布规律是基本相同的, 两头较大而中间较小。在周向上,越靠近密封面中 部,密封比压分布越均匀,越靠近端部,密封比压 分布区先起伏越大,但整体数值在一定的范围内。 图6 软密封材料密封环上径向密封比压变化 1 Z≥LaLb / 2 ,R≤DmwDmn / 2 2 ZLb, RDmn 3 ZLa,RDmw 图7 软密封材料密封环上周向密封比压变化 由密封材料聚四氟乙烯的特性可知,在密封过 程中,由于阀体与密封环外径有很小间隙,而阀体 与密封环端面相对固定,不能运动,故经过压缩 后,密封环的内径轴向相对于中部变形裕量小,受 到的挤压力较大;密封环的径向相对于中部变形裕 量大,受到的挤压力也相对较小。另外,虽然球体 与阀座接触,但由于毛细现象而有流体介质存在, 当球体沿流向有相对运动时,球体与阀座更加紧密 接触,从密封面边缘到中部的流体介质越来越少, 所以,密封面边缘处在介质与球体的双重作用下, 受力略大于密封面中部。因此,在密封面轴向和径 向上,密封比压呈倒抛物线分布。周向上,每个环 面都受力相同,整体曲线变化不大。在边缘环面, 由于受预紧力、介质施加力和金属球体综合作用, 故产生有波动的变化曲线,尤其在密封面外径处影 响更大。所以密封面的密封比压应该在内径处最 722006年第2期 阀 门 大,外径处略大于中部。由于毛细现象的影响,取 密封面中部的密封比压作为整个浮动球阀的密封比 压是合理的,浮动球阀的密封比压理论计算公式按 密封面平均直径求解得出的值也是可信的。 4 实例分析 以DN40的 浮 动 球 阀 为 例,公 称 压 力 为 PN116 MPa ,球体设计半径为33 mm ,密封环内 外半径分别为Dmn 20 mm、Dmw 2316643 mm , 密封面Z轴中心距分别为La 23 mm、Lb 2612488 mm。密封面材料为聚四氟乙烯。密封比 压的判断标准为[2] qMF q [ q]2 式中 qMF 保证密封必需比压, MPa q 实际比压, MPa [q] 密封面材料的许用比压, MPa 在本例中,必需比压为qMF 112P 1192 MPa ,而[q] 15 MPa 聚四氟乙烯,密封面有 滑动。由密封比压理论公式1得出q 41766 MPa ,满足密封面材料为聚四氟乙烯时的密封比 压。 在轴向密封面断面上,La处、Lb处和La Lb / 2 处密封比压分别是101797 MPa、101659 MPa和51392 MPa ,满足标准。在径向密封面断 面上,Dmw处、Dmn处和DmwDmn / 2 处密封 比压分别是91517 MPa、91965 MPa和41506 MPa ,满足要求。在周向密封面环面上,密封面外 径处密封比压最大值是131905 MPa ,内径处密封 比压最大值101491 MPa ,密封中心面处密封比压 最大值为51465 MPa ,最小值为51235 MPa ,各个 极值点处都满足评价标准。 由于DmwDmn / 2 处密封比压是41506 MPa ,而理论计算的密封比压为417664 MPa ,故 两者间误差为5146 。理论比压值相对于有限元 分析值偏大。这是由于理论值取密封面平均直径计 算造成的。 5 结语 经有限元分析得出浮动球阀的密封比压在整个 密封环面呈对称分布,在两端值大,在中部值小, 这是因为软密封材料受挤压变形和毛细现象造成 的。浮动球阀的密封比压理论解相对于密封面上的 密封比压整体而言值偏小,这是因为密封面密封比 压在中部小,而在两端高。理论解是由密封面平均 直径得出,故其值偏小而略大于密封面中部最小 值。 用有限元分析法求解浮动球阀密封面密封比压 的过程虽然相对比较复杂,但若经过合理的建立模 型和设置边界条件,然后编制程序提取数据计算, 就能够得出比较真实的密封比压值,在工程上容易 实现。 参考文献 〔1〕 王孝天,杨源泉,贺友宗.不锈钢阀门的设计与制造 〔M〕. 北京原子能出版社, 1987. 〔2〕 杨源泉.阀门设计手册 〔K〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔3〕 王加新,印峰平,徐明华.球阀密封结构的分析及研究 〔J〕.阀门. 2000 6 29 - 32. 〔4〕 彭红,程路.V型调节球阀软密封阀座结构分析与设计 〔J〕.流体机械. 1998 , 28 8 27 - 30. 〔5〕 刘后桂.密封技术 〔M〕.长沙湖南科学技术出版社, 1983. 〔6〕 高泽普,张成旺,史红军.不锈钢球阀密封结构探讨 〔J〕. 机床与液压. 2004 10 195 - 197. 收稿日期 20061011 05 上接第16页这种情况在一台泵向多用户供水 时 , 主路及旁路都开启,避免用户间相互干扰。 在流量 30 直至0时,主路关闭,旁路全开,下 游高压水快速向泵入口排放。故从主路及旁路开、 关情况看,可以是两个都关,两个都开,或一开一 关及一关一开的状态。而开关情况都和泵的运行情 况密切相关,这是一般三通阀难以达到的。 6 结语 上海科力达自控阀门有限公司结合电力行业给 水系统需要,开发了多功能泵再循环自动调节阀。 经现场使用,该阀性能达到并超过了同类产品技术 要求。该产品无需任何外加能源,利用介质本身流 量变化自动控制给水量,自动供水或排水,实现系 统的安全可靠供水。 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〕 陆培文.实用阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002. 收稿日期 20061011 08 82 阀 门 2006年第2期