浮動球球閥疲勞壽命分析(共12頁)

1、浮動(fdng)球球閥疲勞壽命分析來源(liyun)：原創(chuàng)作者：無錫科萊恩流體控制設(shè)備(shbi)有限公司1 概述 當(dāng)流體介質(zhì)為低沸點液體時，液體易氣化形成飽和蒸汽壓。如果閥體內(nèi)腔留存了低沸點液體，在環(huán)境溫度大于沸點時，閥體內(nèi)腔會因受到大于閥體材料屈服應(yīng)力而膨脹過度，乃至失效。如用于某流體供應(yīng)系統(tǒng)的 HYPERLINK /qdqf/ t _blank 球閥在管道兩端無介質(zhì)情況下發(fā)生了大量介質(zhì)泄漏。檢查發(fā)現(xiàn) HYPERLINK / t _blank 閥門密封圈因崩裂已失效， HYPERLINK /Product-famen.html t _blank 閥門球體部分破裂且整體變形嚴(yán)重，左右閥體連接

2、螺栓的螺紋咬合卡塞無法調(diào)整，閥體連接處的密封調(diào)整墊片完全撕裂，閥座密封件撕裂，閥桿有明顯變形，閥門內(nèi)部介質(zhì)殘留較多。根據(jù)統(tǒng)計，流體系統(tǒng)曾多次發(fā)生過同類型 HYPERLINK /Product-qiufa.html t _blank 球閥球體卡住和閥桿斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)可靠性。因此，研究閥門故障產(chǎn)生機理對延長閥門的使用壽命和流體系統(tǒng)可靠性具有重要意義。基于計算機輔助工程（CAE） HYPERLINK / t _blank 技術(shù)，對閥門進行靜態(tài)分析與疲勞壽命分析。2 結(jié)構(gòu)及性能球閥由閥體、閥座、閥桿和驅(qū)動裝置等組成，球體為浮動結(jié)構(gòu)。利用(lyng)球體繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉

3、（圖1）。 HYPERLINK /qdqf/ 球閥的截止作用是由金屬球體在介質(zhì)的作用下，與彈性閥座之間相互壓緊來完成。閥座密封圈在一定的接觸壓力作用下，局部發(fā)生彈塑變形(bin xng)。這一變形可以補償球體的制造精度和表面粗糙度，保證 HYPERLINK /qdqf/ 球閥的密封(mfng)性能。1.閥座2.左閥體3.閥桿4.驅(qū)動裝置5.球體6.右閥體圖1 閥門結(jié)構(gòu) HYPERLINK /qdqf/ 球閥公稱通徑為400mm，操縱氣壓力為5MPa，工作壓力為1.6MPa，閥體材料為鑄鋼，球體材料為1Cr18Ni9T，密封材料為PTFE或PPL，材料許用應(yīng)力500MPa，彈性模量E=17220

4、6GPa，泊松比=0.250.3，使用壽命5000次。3 失效機理閥門安裝在管路通徑為400mm、流體介質(zhì)為N2O4，環(huán)境溫度約20（夏季）的流體供應(yīng)系統(tǒng)中。使用過程中，閥門內(nèi)腔為1MPa壓力的滿流狀態(tài)，閥門操縱氣壓力為5MPa。 HYPERLINK / 閥門在關(guān)閉過程中，閥體內(nèi)及其與球體之間的腔道中會積存大量N2O4。在未進行閥門高點排氣和低點放液的情況下，N2O4不能及時排出，閥門內(nèi)部封閉空間充滿N2O4、NO2的飽和蒸汽氣體和液體混合物。當(dāng)N2O4、NO2之間的可逆反應(yīng)達到化學(xué)平衡時，其閥門內(nèi)部壓力超過了閥門設(shè)計壓力，閥門球體和閥體產(chǎn)生不同程度的變形，閥門密封件發(fā)生撕裂破碎，閥門在動作過

5、程中球體被卡住。經(jīng)計算，球閥在關(guān)閉后未進行高點排氣和低點放液的情況下，其內(nèi)部形成的N2O4與NO2混合物在400的球腔里達到化學(xué)平衡時的壓力可達4.41MPa，超出了 HYPERLINK /qdqf/ 球閥的設(shè)計壓力。4 靜力分析(fnx)4.1 預(yù)處理（1）建立(jinl)模型。根據(jù)閥門實際尺寸，利用ANSYSWorkbench*對閥門整體及其內(nèi)部球體分別(fnbi)建立仿真模型，并根據(jù)球體的實際受力情況，將閥體內(nèi)部左、右密封墊一同建模（圖2）。計算模型建立以后，將材料屬性（如材料的彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)）輸入計算程序中。（a）球閥（b）球體(qit)（c）左閥體圖2 三維模型(mxng)（

6、2）網(wǎng)格(wn )劃分。對球體和左閥體指定網(wǎng)格尺寸進行網(wǎng)格劃分（圖3）。（a）球閥（b）左閥體圖3 有限元模型（3）受力分析及加載約束。根據(jù)閥門的組成結(jié)構(gòu)和工作條件建立閥門受力分析和約束模型（圖4）。閥門關(guān)閉后， HYPERLINK /qdqf/ 閥門球體通腔以及球體與閥體密封圈之間受到液體N2O4及氣體NO2的壓力作用。左密封圈、閥體內(nèi)壁面、球體內(nèi)、外壁面與右密封圈構(gòu)成受力空間（圖中A和B代表閥門左閥體兩密封圈之間的空間受力情況，C和D代表球體兩密封圈之間的內(nèi)、外表面的空間受力情況）。球體受閥體內(nèi)密封材料約束，除密封材料外其他部分不與閥體接觸，球體與密封材料接觸位置的變形量與球體非接觸部位的

7、變形量相比可忽略不計，所以可以將與密封材料接觸的球體部位視為剛體。受力空間成為NO2可膨脹的空間。（a）球閥（b）球體(qit)（c）左閥體圖4 閥門受力分析和載荷(zi h)約束模型由于受力過程中主要受力面集中在球體和閥體間，為了簡化分析，分別對球體及左閥體進行疲勞壽命分析。為便于分析比較，分別對球體和左閥體施加1MPa的工作壓力和4.41MPa的超設(shè)計壓力載荷。由于閥門關(guān)閉后，管路中的介質(zhì)會被排出，球體兩側(cè)密封圈外將不受力的作用，只有兩密封圈以內(nèi)部分仍然受到殘留N2O4的壓力。根據(jù)實際情況，在球體左右(zuyu)密封圈之間的內(nèi)、外表面加載靜態(tài)力1MPa。約束為密封圈以及閥桿孔所在的4個面。

8、左閥體加載區(qū)域為左閥體兩密封圈之間的區(qū)域，將左閥體兩側(cè)邊緣視為固定支撐。4.2 結(jié)果分析（1）從球體在1MPa和4.41MPa下變形與實際對比云圖（圖5）中可看出，球體向密封圈軸線方向發(fā)生膨脹，變成橢圓型，產(chǎn)生的原因應(yīng)是球體兩密封圈之間的內(nèi)、外表面由于受到殘留N2O4與NO2的壓力，而受約束大于反向的膨脹力而無法膨脹，使球體產(chǎn)生變形。經(jīng)計算，1MPa壓力下最大變形量為0.02mm，4.41MPa壓力下最大變形量0.09mm，計算結(jié)果與實際變形位置相吻合。變形集中位置在球體內(nèi)腔閥桿連接處正下方，與實際變形位置相符，只是變形量與實際相比較保守。（a）施加壓力1MPa（b）實際(shj)狀況（c）施

9、加壓力4.41MPa圖5 球體變形與實際(shj)對比云圖（2）左閥體在1MPa和4.41MPa載荷下最大變形量分別為0.028mm和0.126mm（圖6）。閥體變形集中位置(wi zhi)在閥體連接閥桿徑向。（a）施加壓力1MPa （b）施加壓力4.41MPa圖6 左閥體變形(bin xng)云圖5疲勞壽命(shumng)分析5.1 流程(lichng)采用有限元法分析 HYPERLINK / 閥門疲勞壽命的流程如圖7所示。圖7 疲勞壽命分析流程5.2 方法進行疲勞壽命分析主要方法有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和應(yīng)力應(yīng)變場強度法等。名義應(yīng)力法是以材料或零件的SN曲線（應(yīng)力壽命曲線（N曲線）和應(yīng)

10、變壽命曲線（曲線）的總稱）為基礎(chǔ)，對照結(jié)構(gòu)疲勞危險部位的應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力，結(jié)合疲勞損傷累積理論，校核疲勞強度或計算疲勞壽命。由于Workbench中提供了相關(guān)材料的SN曲線，并且通過靜力學(xué)計算已經(jīng)獲得應(yīng)力及危險部位，故采用名義應(yīng)力法進行閥門疲勞壽命分析。根據(jù)疲勞累積(lij)損傷理論中的Miner法則， HYPERLINK / 閥門(f mn)的疲勞破壞是由于閥腔飽和汽壓升高后不斷施加(shji)的循環(huán)載荷作用而產(chǎn)生損傷并不斷積累造成的。閥門疲勞損傷累積達到破壞時吸收的凈功W與疲勞載荷的歷史無關(guān)，并且閥門的疲勞損傷程度與其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比。假設(shè)閥門在某級應(yīng)力下達到破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為

11、N1，經(jīng)ni次應(yīng)力循環(huán)，其疲勞損傷吸收的凈功為W1，由Miner理論有盡管疲勞與循環(huán)或重復(fù)載荷有關(guān)，但使用的結(jié)果卻基于線性靜力分析，而不是諧分析。且在模型中也可能存在非線性，但本文只考慮線性行為方面。5.3 分析（1）球體疲勞壽命分析結(jié)果分為1MPa壓力和4.41MPa壓力兩種情況（圖8）。在1MPa壓力下，球體最低使用次數(shù)為7057.4次，大于設(shè)計值5000次，說明閥門球體部分設(shè)計是合理的，流體系統(tǒng)在1MPa壓力作用下是安全的。在4.41MPa壓力下，球體最低使用次數(shù)為3405.1次，低于設(shè)計值5000次，說明球體在4.41MPa壓力下球體壽命會顯著降低。從不同負(fù)載下的2次計算結(jié)果可以看出，

12、球體底部（將球體聯(lián)桿孔規(guī)定為頂部）的內(nèi)表面部分使用次數(shù)最低，容易發(fā)生疲勞破壞。從球體實際使用的照片分析，球體底部內(nèi)表面處已經(jīng)發(fā)生疲勞破壞，說明計算結(jié)果與實際狀態(tài)一致。（a）施加壓力1MPa（b）實際(shj)狀況（c）施加壓力4.41MPa圖8 球體(qit)壽命分析云圖在給定閥門設(shè)計使用(shyng)壽命為5000次的基礎(chǔ)上，分別計算1MPa與4.41MPa下的安全系數(shù)及損傷系數(shù)（圖9，圖10）。圖9中，在1MPa時，球體的安全系數(shù)為1.9917，大于1，損傷系數(shù)最大為0.70848，小于1。說明閥門在流體為1MPa壓力使用條件下，安全系數(shù)和損傷系數(shù)均在合理范圍之內(nèi)，球體是安全的。圖10中，

13、在4.41MPa時， HYPERLINK / 閥門球體的安全系數(shù)最小為0.4516，小于1，損傷系數(shù)最大為1.4684，大于1。說明閥門球體在4.41MPa的超壓下工作是不安全的。（a）安全系數(shù) （b）損傷(snshng)系數(shù)圖9 1MPa壓力下球體的安全系數(shù)(xsh)與損傷系數(shù)云圖（a）安全系數(shù) （b）損傷(snshng)系數(shù)圖104.41MPa壓力下球體的安全系數(shù)與損傷系數(shù)云圖（2）在1MPa壓力下，左閥體最低壽命為6095次，大于設(shè)計壽命5000次。說明閥體設(shè)計合理，流體系統(tǒng)在1MPa壓力作用下是安全的。在4.41MPa壓力下，左閥體最低壽命為3127.3次，小于設(shè)計壽命5000次。說明

14、閥門在4.41MPa壓力作用下是不安全的（圖11）。（a）施加壓力1MPa （b）施加壓力4.41MPa圖11 左閥體壽命對比(dub)云圖在給定(i dn) HYPERLINK / 閥門(f mn)設(shè)計使用壽命為5000次的基礎(chǔ)上，分別計算1MPa與4.41MPa下左閥體的安全系數(shù)及損傷系數(shù)（圖12，圖13）。圖12中，1MPa壓力左閥體安全系數(shù)最小為1.6119，大于1。損傷系數(shù)最大為0.8203，小于1。說明閥門在壽命期限內(nèi)時，流體系統(tǒng)在1MPa壓力使用條件下，安全系數(shù)和損傷系數(shù)均在合理范圍之內(nèi)，閥門左閥體是安全的。圖13中，4.41MPa壓力左閥體安全系數(shù)最小為0.3655，小于1。損

15、傷系數(shù)最大為1.5988，大于1。說明閥門在4.41MPa的工作壓力下是不安全的。（a）安全系數(shù) （b）損傷系數(shù)圖12 1MPa壓力下左閥體的安全系數(shù)與損傷系數(shù)云圖（a）安全系數(shù)(nqun xsh) （b）損傷系數(shù)圖13 4.41MPa壓力下左閥體的安全系數(shù)(xsh)與損傷系數(shù)云圖6 結(jié)語(jiy)通過對閥門球體與左閥體在1MPa壓力和4.41MPa壓力兩種情況仿真計算，說明了 HYPERLINK /qdqf/ 球閥在1MPa的壓力下使用是安全的，在4.41MPa壓力下使用是不安全的。為防止 HYPERLINK /qdqf/ 球閥出現(xiàn)超壓力使用現(xiàn)象，延長其使用壽命，在閥門與管道設(shè)計時，應(yīng)充分考慮閥門關(guān)閉后閥門球體內(nèi)殘存介質(zhì)對球體與閥體的壓力影響，尤其是沸點較低流體供應(yīng)系統(tǒng)中的 HYPER