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球閥閥桿的疲勞設(shè)計(jì)

上傳人:仙*** 文檔編號(hào):37656429 上傳時(shí)間:2021-11-04 格式:DOC 頁(yè)數(shù):3 大小:140.50KB
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1、球閥閥桿的疲勞設(shè)計(jì) 1 概述在煤化工和多晶硅等生產(chǎn)系統(tǒng)的管線中,壓力高,且交互變化,閥門開啟次數(shù)頻繁,需要長(zhǎng)時(shí)間多次循環(huán)啟閉運(yùn)行。閥門全行程快速開關(guān)時(shí)間迅速,容易造成閥門的失效,對(duì)閥門的各項(xiàng)性能提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。常規(guī)靜載下測(cè)定的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則不能作為唯一的強(qiáng)度指標(biāo),有必要考慮相關(guān)的疲勞設(shè)計(jì)原則。本文以球閥閥桿為例探討疲勞分析設(shè)計(jì)方法。 2 分析 在交變壓力作用下,即使零部件應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度,但長(zhǎng)期反復(fù)作用后,也會(huì)發(fā)生突然斷裂,即使是塑性較好的材料,在斷裂前也沒(méi)有明顯的塑性變形,該現(xiàn)象即為疲勞失效。 金屬結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)閼?yīng)力交變而發(fā)生變化。從微觀組織結(jié)構(gòu)分析,在足夠大的交變應(yīng)力下,金屬中位

2、置最不利或最弱的晶體,沿最大剪應(yīng)力方向形成滑移帶。滑移帶開裂形成微觀裂紋,在構(gòu)件外形突變(圓角、切口、溝槽)或表面切痕或者材料內(nèi)部不均勻性及其缺陷部位,也會(huì)由于較大的應(yīng)力集中引起微觀裂紋。分散的微觀裂紋經(jīng)過(guò)集聚,形成宏觀裂紋。已經(jīng)形成的宏觀裂紋在交變應(yīng)力作用逐漸擴(kuò)展,隨應(yīng)力水平的高低時(shí)而持續(xù)時(shí)而停滯,此即為裂紋的擴(kuò)展過(guò)程。即使該過(guò)程是緩慢的,并且是不連續(xù)的,但隨著裂紋的擴(kuò)展,構(gòu)件表面逐漸削弱,削弱到一定極限,部件便突然斷裂。很多零部件損壞是由于疲勞失效引起的。當(dāng)構(gòu)件應(yīng)力不超過(guò)某一極限值,承受的循環(huán)次數(shù)可以無(wú)限增加,即構(gòu)件可以經(jīng)歷無(wú)限次循環(huán)而不出現(xiàn)疲勞,該交變應(yīng)力的極限值即為疲勞極限或持久極限。

3、 3 疲勞極限計(jì)算 閥門開關(guān)循環(huán)過(guò)程中,通常遵循“順關(guān)逆開”的原則,防止閥門誤操作而發(fā)生事故。以口徑為12in.(300mm),壓力為600磅級(jí)的頻繁啟閉的球閥閥桿為例作相關(guān)介紹。閥門開關(guān)過(guò)程中方向發(fā)生變化,閥桿承受的扭矩方向也相應(yīng)發(fā)生變化。 (1)主要危險(xiǎn)橫截面 由彈性力學(xué)分析,閥桿扭轉(zhuǎn)時(shí),在橫截面的邊緣剪應(yīng)力最大(圖1),其數(shù)值為 (1)式中 T———閥桿所受扭矩(取T=27.660),kNm Wt———閥桿扭轉(zhuǎn)截面系數(shù),mm3 閥桿的Ⅰ-Ⅰ截面,WtⅠ-Ⅰ=c3/4.8=803/4.8=2.458m3,則τⅠ-Ⅰ=11.25MPa。閥桿的Ⅱ-Ⅱ截面,WtⅡ-Ⅱ=πd4/

4、32=3.14994/32=9.426m3,則τⅡ-Ⅱ=2.94MPa。 沿閥桿徑向在閥桿表層取單元體M(圖2),各面上的應(yīng)力為 圖1 閥桿尺寸 圖2 單元體受力分析 σx=σy=0,τxy=τ,此即為閥桿的純剪切應(yīng)力狀態(tài),即 (2) (3)剪應(yīng)力的兩個(gè)主應(yīng)力絕對(duì)值相等,方向相反,大小均等于τ,但一個(gè)為拉應(yīng)力,一個(gè)為壓應(yīng)力,閥桿扭轉(zhuǎn)時(shí),表面各點(diǎn)最大的σmax所在的主應(yīng)力平面連接傾角為45的螺旋面,該螺旋面因?yàn)槔於l(fā)生斷裂破壞。逆時(shí)針?lè)较颍ㄩ_)時(shí),σ1k’=σmaxk=τk,σ2k’=0,σ3k’=σmink=-τ。順時(shí)針?lè)较颍P(guān))時(shí),σ1g’=σmaxg=-τg,

5、σ2g’=0,σ3g’=σming=τ。 閥門開關(guān)循環(huán)過(guò)程中,閥桿承受的扭矩方向發(fā)生變化,循環(huán)中波動(dòng)應(yīng)力方向隨之發(fā)生了改變,則一個(gè)完整循環(huán)中,最大波動(dòng)應(yīng)力的波動(dòng)范圍σ1”=σmax=2τ,σ2”=0,σ3”=σmin=-2τ。相對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力σ1=2τ,σ2=0,σ3=-2τ(取順時(shí)針?lè)较驊?yīng)力為極值應(yīng)力)。 最大的主應(yīng)力波動(dòng)范圍S12=σ1-σ2=2τ,S23=σ2-σ3=2τ,S31=σ3-σ1=-4τ。主應(yīng)力方向改變,交變應(yīng)力幅Sa=│0.5S31│=│0.5(σ3-σ1)│=2τ。對(duì)于閥桿危險(xiǎn)截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ代入數(shù)據(jù),SaⅠ-Ⅰ=211.25=22.5MPa,SaⅡ-Ⅱ=22.94=

6、5.88MPa。 閥桿材料選用高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼ASTNA638660,按照ASMEⅧ卷第二冊(cè)中的設(shè)計(jì)疲勞曲線分析(圖3),閥桿Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面可以承受的循環(huán)次數(shù)均超過(guò)了1000000次,滿足設(shè)計(jì)和工況要求。 圖3 疲勞曲線 (2)有限元分析 使用solidworks軟件對(duì)閥桿進(jìn)行有限元疲勞分析(圖4),其與計(jì)算結(jié)果一致。 (a)閥桿壽命周期 (b)閥桿壽命周期損壞百分比 圖4 閥桿有限元疲勞分析 4 結(jié)構(gòu)改進(jìn) 為了有效提高閥桿的疲勞強(qiáng)度,改進(jìn)了閥桿結(jié)構(gòu)。 (1)完全避免常規(guī)鍵槽機(jī)構(gòu)、孔、缺口和軸肩,閥桿端部連接改用光滑的矩形結(jié)構(gòu),軸肩過(guò)渡部位采用盡量大的圓角過(guò)渡

7、,加工過(guò)渡處設(shè)置減荷槽和退刀槽,有效降低應(yīng)力集中,提高閥桿疲勞強(qiáng)度。 (2)提高閥桿表面質(zhì)量,閥桿的最大應(yīng)力發(fā)生于表層,疲勞裂紋也經(jīng)常在表層發(fā)生,加工過(guò)程中杜絕表面加工的刀痕和擦傷等,防止應(yīng)力集中降低疲勞極限。采用高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼,表面噴涂高硬度硬質(zhì)合金后再磨削加工,硬度達(dá)60HRC,再進(jìn)一步利用專用設(shè)備,機(jī)械滾壓形成高質(zhì)量的表面加工,表面粗糙度達(dá)Ra0.4μm,還使表層形成預(yù)壓應(yīng)力,減弱容易引起裂紋的工作拉應(yīng)力,保證充分發(fā)揮高強(qiáng)度的性能,顯著提高構(gòu)件的疲勞極限。 (3)在閥桿兩端設(shè)置兩處支撐軸承,減小閥桿徑向擺動(dòng),減輕非平衡載荷,有效提高閥桿運(yùn)行穩(wěn)定性,保證閥桿長(zhǎng)周期運(yùn)行。 (4)階梯形閥桿,大頭端置于閥體內(nèi)腔,小頭端伸出閥體外部,一旦閥桿發(fā)生破壞,危險(xiǎn)截面位于閥體外,為系統(tǒng)提供安全保障。 5 結(jié)語(yǔ) 隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展,頻繁開關(guān)閥門必將得到更加廣泛的應(yīng)用,采用疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

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