DOI:10.13436/j.mkjx.2010.09.088 第 31 2010 卷第 年 09 09 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.31 No.09 Sep. 2010 在球阀疲劳磨损分析中的应用 马边际 1， 江苏 徐州 秦飞龙 1,2 中国矿业大学化工学院 江苏 徐州 王 伟 1,2， 221116; 2. 221116） ， ， 简要介绍了球阀疲劳磨损产生的原因和机理 以 分析了球阀压力载荷的变化对阀体疲劳寿命所产生的影响 ， ANSYS Workbench 有限元分析软件 并提出 ， ANSYS Workbench 中国矿业大学应用技术学院 （1. 摘 要 ： 为基础建立了球阀密封模型 了相应的改进措施和延长球阀使用寿命的方法 ， 。 失效 关键词 中图分类号 ： 循环应力 ； ； 疲劳磨损 ： TG931.72； TP39 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1003 － 0794（2010）09 － 0231 － 03 Analysis of Fatigue Wear in Ball Valve Fatigue Wear Based on ANSYS Workbench MA Bian-ji1， WANG Wei1,2， QIN Fei-long1,2 (1． School of Applied Science and Technology， China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. School of Chemical Engineering Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China) Abstract: The causes and the mechanism to the ball valve of fatigue wearing are introduced. Using the finite element ANSYS Workbench analysis the ball valve fatigue life and descript the impact of changes in pressures load. And make some measures to improvement the ball valve fatigue wear and to extend the fatigue life. 1 、 。 ， 。 ， ， 、 ， 阀杆和驱动装置组成 调节介质流量和压力等作用 Key words: fatigue failure; cyclic stress; fatigue wear 球阀结构与工作环境 球阀是以球 体作为关闭 件 的 阀 门 阀座 主 要 由 阀 在管道中起切断和 体 球阀 接通流体通道 其中浮动球 按结构分为浮动球球阀和固定球球阀 它的球体自由支承在密封座上 球阀应用最广泛 ， 靠流 体介质压力 使球体在流 动方向产生 一 定 位 移 并与密封座密封面紧密接触 形成一定的密封比压 经分析流体介质的状态和组成对球阀 而实现密封 一般情况下球阀流体 密封性能和磨损有很大影响 但当 介质为液 流体介质为气 固混合物而 且固体 - 密封座密封面的过度磨损较严重 粒子硬度较高时 而最终导致失效 选择合适的球阀材料和密 因此 封面表面 处理状态对 球阀的可靠 性和耐久 性 有 直 接影响 液混合物时球阀磨损较小 固混合物或液 液或气 - - - ， 。 ， 。 。 ， ， 。 2 2.1 球阀疲劳磨损机理与密封模型的简化 球阀疲劳磨损机理 对磨损问题按磨损机理不同 。 、 、 ， 磨 粒 磨 损 黏 着 磨 损 腐 蚀 磨 损 、 球阀由于启闭频繁 磨 损 型 摩擦转矩较大 ， 触循环应力作用 应力集中 程中均发生变化而出现凹坑或裂纹 将磨损分为疲劳 种 基 本 类 球体与密封座密封面间的 使密封座密封面受到一定大小的接 在密封座表层有缺陷的部位产生 尺寸或重 量等参数在 磨损过 经分析在球阀 导致形 状 4 ， ， 、 ， 。 密封座表层 同时存在着 脉动循环的 剪应 力 和 脉 动 个力对凹坑或裂纹的出现和扩 循环的正应力 这 2 ， 展起决定性作用 因此 接触循环应力引起的疲劳 磨损在球阀磨损失效问题中是最主要的 。 ， 。 2.2 密封模型的简化 由于球体的刚性较大 ， 密封圈和密封座 型槽对磨损分析影响不大 形 一侧的密封性能 示 。 。 ， ， 。 将球阀密封结构分解为 将密封座简化为刚性件 因为 ， T 故将球体模型简化为球 所以只分析球体 所 ， 1 浮动球球阀的密封简图如图 由于浮动球阀是出口侧密封 P W M D N N N M D P M D 图 1 浮动球阀受力简图 磨损失效分析计算 3 3.1 建立密封模型 以浮动球球阀为例 元分析软件中建立如图 择球体材料为结构钢 在 比 Engineering Data 疲劳曲线等参数 ， ， 在 ANSYS Workbench 所示的球阀密封模型 有限 选 2 密封座材料为聚四氟乙烯 ， 泊松 在球体上与阀座对称的 。 、 中输入材料的弹性模量 。 、S-N 231 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

ANSYS Workbench 在球阀疲劳磨损分析中的应用 马边际 等 ， 第 卷第 期 09 31 Vol.31No.09 单位面上施加 构 轴 ， 的压力 根据球阀的密封结 1.6 MPa ， 沿 设置密封座外侧面沿 轴方向的位移为 ； ， X 0， 0， 、Z 轴方向的位移不受限制 轴方向的位移不受限制 沿 设置好的环境变量如图 Y 设置密封座外端面沿 轴方向的位移 X 为 对密封模型进 行网格划分 时在密封座 内侧设置比 其他处 大 的 网 格精度 使 结果 更加精确而又节省时间 系统对球阀密封模型进行 自动网格划分 这 样可以得 出更多的节 点应力值 划分好的网格精度如图 轴 、Z 所示 所示 Y 3 ， ， 。 。 4 。 ， ——— 选择 Insert/ Fatigue /Fatigue Tool 0.8； 再由工作压力变化到 。 出现的位置 设置疲劳强度削弱系数为 力由 循环过程 来模拟 变化到工作压力 ， 启动 选择 0 , “Zero-Based”、R=0 停止 时的疲劳 ； 选项来评定高周疲劳 - ” “ Stress Life 项中 此选择适合于多数工程合金的 Soderberg 0 选项 考虑到阀体内侧压 的 的脉动循环载荷 在分析类型中选择 在主应力理论选 因 在 应力 ， ； Soderberg 。 关系对疲劳寿命的估计比较保守 中 选择 , 设置阀体 的疲劳寿 命 Insert/ life、Damage、Safety Fac- 疲劳累积 损伤系数 设 定设计寿命 ， (Design Life) 均为 2 000 Fatigue Tool 选项 , tor 和安全系数 次循环 。 3.3 求解分析 在 、 。 ANSYS Workbench 以上简化模型和参数的设置 ， 的疲劳磨损失效分析进行求解 有限元分析软件中 按照 对球阀密封座密封面 ， 在 在 在 （1） Stress Intensity 由应力云图可看出 出口的交界 面最顶端 合 ， ， 因此该处的疲劳分析是正确的 中查看阀体的应力云图 。 最大应力值出现在阀体中腔与 与 工程实际经 验 结 论 相 符 （2） 得出最小寿命为 Fatigue Tool/Life 100 000 中查看阀体最小寿命分 次循环 。 。 。 布 ， （3） Fatigue Tool/Damage 疲 劳 累 积 损 伤 系 数 选项中查 看阀 体 的 最 大 疲 劳 累 积 损 伤 系 数 为 0.020<1， ， 说明设计合格 在 。 个球阀模型云图均为红色 说明此球阀偏安全 ， 。 （4） Fatigue Tool/Safety Factor 中可以看 出 整 疲劳安全系数为 15 >1， 4 减小球阀疲劳磨损失效的措施 从球阀疲劳磨损的机理可知 凡是能够阻止凹 坑 或裂纹的形 成及扩展 方法都可以 减小球 阀 疲 劳 磨损 减小球阀疲劳磨损失效的措施一般有以下几 点 ， 。 ： （1） 在密封座中开卸压槽或在球体上钻卸压孔 ， 同时可以减小球体的弯曲变形 可以平衡一定的压力 和球阀启闭过程中的压力差 ， 。 （2） 合理选择密封副的间隙 由于球阀阀体和 密封座 的材料不同 故合理 选择 球阀的冷态 间隙和热态 间隙可以 保证 球 阀 高 温工况下有效密封和顺利启闭 其线膨胀 系数也不同 ， ， 。 。 （3） 一般情况下 残余应力的影响 当球阀密封 座表层在一 定深度范围 内存在有利 的残 余 压 应 力 时 在球阀 制造过程中淬火 表面渗碳可以使表面产生有利的 残余压应力 可以提高接触疲劳抗性减少疲劳磨损 ， ， 。 、 。 。 图 2 球阀密封模型的简化图 图 3 球阀密封模型约束与载荷的设置 图 网格划分 4 3.2 设置求解参数 在 Static Structural sert/Stress Intensity 的 强度准则 (Tresca ) SINT 下 选 项 , 选择 设置求解参数 In- 插 入 最 大 剪 应 力 理 论 , 应力来寻找阀体峰值应力 。 232 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 31 2010 卷第 年 09 09 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.31 No.09 Sep. 2010 基于骨架模型的系列产品变型设计方法 * 贾海利 李充宁 ， 天津工程师范学院 天津市高速切削与精密加工重点实验室 （ ： 摘 要 为快速响应客户的个性化产品定制需求 Top-Down 在结构分析规划的基础上建立系列产品的装配体模型模板 天津 研究了基于骨架的 ， 300222） ， 设计方法 产 通过变更模 实现由系列产品的模型模板快速映射为产品 ， 型减速器系列产品的设计为例验证了上述方法 、 。 ， 品级的参数化设计方法 板的骨架零件的设计参数驱动整个产品的自动更新 的设计实例 的有效性 达到快速变型设计的目的 2K-V 以 。 ， 。 关键词 中图分类号 ： 系列产品 骨架模型 产品级参数化 变型设计 ； ； ； ： TP391 文献标志码 文章编号 ： A ： 1003 － 0794（2010）09 － 0233 － 03 Rapid Transmutation Design Method of Series Products Based on Skeleton Model JIA Hai-li, LI Chong-ning （Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Accurate Process Technology， Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222， China） Abstract： The top -down design method based on the skeleton mode and the parametric design method of the product are studied for responding rapidly to the client customization. The assembly model template of the series product is created on the basis of analyzing the structure. Through changing the parameters of the skeleton belonged to template, the product assembly can be update automatically so as to realize the rapid transmutation design that is the model template transforming to the product instance. The above method validity has been proved by the design of 2K -V series reducer. Key words： series products； skeleton model； parametric design of product； transmutation design 引言 目前的变型设计方法有 系列产品由于功能 性能 、 0 ， 、 ： 和参数化 术将 工程概念与 几何形状有 机结合 变量 化设计 其 优缺点如下 基于特征的造型设计 特征技 ：（1） 大 大 提 高 了 但是特征往往用来 却 不能有效 变 通过对约束的求解快速获得产品的 CAD 表达零件局部 特性 支持零件级乃至产品级的设计过程 量化设计技术 系统表达设计对象的能力 如倒 角 退刀槽 参数化 。 （2） ）， （ ， ， 、 、 ， * 天津市科技攻关项目 目 （08FDZDGX01900） （043104411）； 天津市科技创新专业资金项 降低表面粗糙度可以有 一般情况下接触应力越 （4） 降低表面粗糙度 。 效提高抗疲劳磨损的能力 大 要求表面粗糙度越低 结语 利用 。 ， 5 ， ANSYS Workbench 阀密封座疲劳磨损失效问题进行分析 本 供了新思路 提高效率 节省时间 、 ， 、 有限元 分析软件对 球 可以降低成 给新产品的设计与开发提 ， 。 参考文献 ： 章华友等 ［1］ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 。 采 设计方案 ， 用参数化技术实现变型设计可充分体现其优越性 ， 但约束关 系的表达方 式对系列 产品的参 数 化 求 解 至关重要 结构类似 、 。 自顶向下 “ 达系列产品的约束关系 体到详细的设计过程 ”（Top-Down） 的设计 能够很好地表 并支持产品自上而下由总 ， 基于骨架模型的设计是支持 ， Top-Down 设计的强有力工具 因此本文采用 设计思想 开展自 上而下的零 部件详细设 计 Top- 基于骨架模型构建系列产品的约束 研究产品 。 ， Down 关系 ， ； ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ 成克强 . 杨 源 泉 刘英杰 , 王 孝 天 原子能出版社 王加新 印峰平 ， ， ， ， ，1987. 磨损失效分析 贺 友 宗 机械工业出版社 不 锈 钢 阀 门 的 设 计 与 制 造 ［M］. ，1991. ［M］. 北 京 徐明华 球阀密封结构的分析及研究 阀 门 ［J］. . : . 结构疲劳寿命分析 . 2000（6）：29-32. 姚卫星 李兵 出版社 , 2008. . ANSYS Workbench 作者简介 马边际 ： （1985- ）， 采矿工程专业的学习与研究工作 系 电子信箱 ：550332566@qq.com. ， ， ［M］. 设 计 、 北京 仿 真 与 优 化 国防工业出版社 北 京 : ［M］. : ,2003. 清 华 大 学 山东枣庄 人 从 事 有 关 中国矿业大学应用技术学院采矿 本 科 在 读 ， ， ， . 球阀设计与选用 ［M］. 北京 ： 科学技术出版社 ，1994. . 责任编辑 ： 于淑清 收稿日期 ：2010－01－21 233 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net