閘閥閥座外壓分析
1 引言
閘閥是一種常用的截?cái)嚅y，用來接通或截?cái)喙苈分械慕橘|(zhì)，但不適于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量。它的啟閉件（閥瓣）在垂直于閥內(nèi)通道中心線的平面作升降運(yùn)動(dòng)，像閘門一樣截?cái)嘟橘|(zhì)，故稱作閘閥。閘閥按其閥瓣結(jié)構(gòu)形式可以分為楔式彈性閘板、楔式剛性單閘板、楔式剛性雙閘板、平行剛性單閘板、平行雙閘板等。
下面以楔式剛性雙閘板為例，具體的介紹一下閘閥閥座受力情況。
2 閘閥閥座受力分析
雙側(cè)密封式閘閥是通過增強(qiáng)閥瓣對(duì)閥座的推力而實(shí)現(xiàn)的，接觸壓力應(yīng)大于進(jìn)口流體的壓力。這種閘閥的缺點(diǎn)是，如果在冷態(tài)下閉合，后來進(jìn)入熱態(tài)，閥瓣就會(huì)出現(xiàn)膨脹，于是形成閉合位置卡緊，當(dāng)再次開啟閥門時(shí)就會(huì)遇到困難，這種情況就是俗稱的“下炕”。良好狀態(tài)的閘閥都是實(shí)現(xiàn)單側(cè)密封。平行式閘閥也只能與出口位置的閥座實(shí)現(xiàn)單側(cè)密封。標(biāo)準(zhǔn)的楔式閥瓣閘閥情況也一樣，壓力使進(jìn)口側(cè)閥瓣變形，流體流過進(jìn)口側(cè)閥瓣直至閥腔達(dá)到壓力平衡。由此引出出口處閥座受介質(zhì)外壓作用而產(chǎn)生的強(qiáng)度問題。
實(shí)現(xiàn)單側(cè)密封的闡閥
如圖 1 所示，介質(zhì)進(jìn)入閥體中腔后，作用于出口側(cè)（左側(cè)）的閥瓣，在左側(cè)閥座與閥瓣密封面處形成一個(gè)密封比壓，阻止介質(zhì)的流通。同時(shí)介質(zhì)作用于閥體與左側(cè)閥座之間的間隙，使左側(cè)閥座外側(cè)受到介質(zhì)壓力的作用。在對(duì)左側(cè)閥座進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，就是應(yīng)對(duì)閥座受外壓的狀態(tài)進(jìn)行分析，而使用規(guī)則設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能解決如此復(fù)雜的問題。在本文中采用分析設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行楔式雙閘板閥座的強(qiáng)度校核。
通過對(duì)閥座的受力分析可知，閥座與閥體焊接處為固定約束，閥座外腔受到介質(zhì)壓力的作用，閥座密封面處受到閥瓣的密封比壓的作用，詳細(xì)的受力情況如圖 2 所示。
閥座受力分析
把實(shí)體模型轉(zhuǎn)入 ANSYS 中進(jìn)行分析，選擇磚型六面體單元 Solid45，輸入材料的彈性模量和柏松比（如《表 1》所示），采用自由網(wǎng)格劃分模型，默認(rèn)求解器求解，得出閥座的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。
《表 1》 材料為 12Cr1MoV
| 彈性模量（MPa） | 2.140e+006 |
|---|---|
| 柏松比 | 0.286 |
| 質(zhì)量密度（Kg/mm2） | 7.86e-012 |
| 屈服拉伸強(qiáng)度（MPa） | 255 |
| 極限拉伸強(qiáng)度（MPa） | 470 |
由應(yīng)力分析云圖可知，閥座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥座內(nèi)腔與閥座和閥體焊接連接處，閥座形狀在該位置變化較為劇烈且存在尖角，應(yīng)屬于峰值應(yīng)力，在該處選取應(yīng)力評(píng)定線，按 JB4732-95 的應(yīng)力分類原則（如《表 2》所示）對(duì)應(yīng)力評(píng)定線上的應(yīng)力進(jìn)行分類，得出評(píng)定線上的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，分別與限定值進(jìn)行比較，即可得出閥座的設(shè)計(jì)是否合理。
各類應(yīng)力強(qiáng)度的限制
| 類別 | 符號(hào) | 計(jì)算值 | 限制值 |
|---|---|---|---|
| 一次薄膜應(yīng)力 | MEMBRANE | Pm | Sm |
| 一次薄膜+彎曲應(yīng)力 | MEM+BEND | Pm+Pb | 1.5Sm |
3 結(jié)論
通過應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法可以對(duì)閘閥閥座進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，同時(shí)可以得出閥座設(shè)計(jì)是否合理。
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