摘 要:为补偿工况温度发生变化时超低温轨道式球阀密封面应力的变化,提出一种可用于超低温工况的轨道式球阀密封补偿结构。该密封补偿结构根据轨道式球阀自身的传动特点,将阀杆设计为两段式,并在上下阀杆组件之间设计有弹性件,在工作过程中利用弹性件的蓄能作用,实时补偿由于温差引起的密封变形问题。介绍该补偿结构的设计计算方法,并通过仿真计算证实该密封补偿结构在低温下可大大提高密封的可靠性。
关键字:轨道式球阀 密封补偿 密封比压
阀门作为现代工业控制过程中的关键设备,其应用领域越来越广泛,相应的技术要求也越来越严格。除了通常所涉及的密封性、流通性等,温度对阀门性能的影响也越来越受到重视。无论是对低温介质的生产制造、控制、运输,还是对环境温度的适应,都需要在设计阀门时,将温度作为一项重要指标进行考量。
轨道式球阀利用凸轮机构原理实现芯座的接触密封与分离,启闭过程无摩擦,密封形式简单可靠,避免了在制造、安装使用过程中因复杂密封结构而造成误差累积,特别是在低温状态下,因复杂密封结构各部件之间的变形不一致引起的误差放大。因此,在低温应用领域轨道式球阀正逐步取代球阀和截止阀。但即便是轨道式球阀,当工况温度发生变化时,其密封面应力变化也是不可避免的。为补偿其密封,通常通过转动手轮来实现,不过这种方法一方面不能满足现代工业智能化控制的需求,另一方面通过转动手轮也不能实时准确补偿温差带来的影响。
本文作者提出一种可用于超低温工况中的轨道式球阀密封补偿结构,并进行了设计计算,同时以ANSYSWorkbench14.0为平台进行仿真验证,从而证实该密封补偿结构设计的合理性。
1 密封补偿结构及工作原理
超低温轨道式球阀密封补偿结构如图1所示,根据轨道式球阀自身的传动特点,将阀杆设计为两段式,并在上下阀杆组件之间设计有弹性件,在工作过程中利用弹性件的蓄能作用,实时补偿由于温差引起的密封变形问题。
图1 超低温轨道式球阀密封补偿结构
其工作原理为:在关闭阀门时,阀杆在传动机构的作用下向下动作驱动球体滚动密封,这个过程同时也是对弹性件的蓄能过程,当阀门关闭到位时保证弹性件蓄有一定的弹性能量;在阀门关闭状态下,如果受到外界温度波动或变化引起的密封面压力变化,弹性件能够自发驱动下阀杆组件移动,以实现对密封的补偿,从而保证阀门在低温状态下使用时的密封可靠性。
2 密封补偿结构设计计算
2.1 轨道式球阀密封系统受力分析
介质顺流且阀门关闭状态时的受力状况如图2所示。
图2 轨道式球阀密封系统受力分析图
阀门关闭时,为了保证球体与阀座的密封面间有足够的密封比压,驱动力Fa通过阀杆斜面与销柱传递关闭力NA,在无介质压力时,密封力完全由驱动力提供,此时需要的驱动力Fa最大。
(1)对球体受力分析得:
(2)由密封面上力平衡关系得:
(3)对阀杆受力分析得:
Fa=NAsinα
综上得到:
(1)
式中:SR为球形密封面半径,mm;β为阀座密封面斜角;α为阀杆斜面倾角;L'A为计算力臂,L'A=LAcosα+Lrsinα;L'B为计算力臂,;fB为球体下支承的摩擦因数;Fm为阀门达到密封时密封面上的最小密封力,N,Fm=π(D+bm)bmqmf;qmf为密封所需的必须比压,MPa;bm为密封面在垂直于阀门通道轴线的平面上的投影宽度,mm;D为阀门通径,mm。
2.2 温度变化引起密封比压变化情况
当温度变化时,由于材料自身特性,产生收缩变形,必然引起密封面应力变化。
(1)阀门在T=t1温度时实现密封,且达到密封的必须比压为qmf,根据广义胡克定律有:
式中:E1、ε1为密封材料在T=t1时刻的弹性模量及此时的应变量。
(2)阀门工作温度由T=t1变化为T=t2时,密封面产生的变形ΔS为
ΔS=ΔL×ΔT×H=ΔL×(t1-t2)×H
式中:ΔL为密封件材料线膨胀系数,×10-6℃-1;H为密封件结构尺寸,mm。
则因材料收缩引起密封面应变量及此时密封比压分别为
qf=E2(ε1-ε2)
式中:E2为密封材料在T=t2时刻的弹性模量。
(3)当温度从T=t1变到T=t2时须补偿的密封力及驱动力为
此计算中当温度降低到t2后,密封的必须比压仍然以qmf进行计算,在实际应用中,若温度产生较大的变化,达到密封的最小压力也会产生一定的变化,此部分应根据实际情况做适当的考虑。
2.3 密封补偿机构设计
设补偿机构弹簧刚度为K,根据前面计算可知需补偿的应变量为ε2,弹簧的最小变形量Δx为
(4)
则弹簧刚度K为
(5)
3 密封应力有限元分析
下面以通径为DN25轨道式球阀在20~-196℃温度变化范围内工作时为例,分析在大温差下密封应力的变化情况以及采用密封补偿结构的必要性。
3.1 仿真计算过程简化
为了便于计算,对仿真计算过程做了如下简化:
(1)根据计算需要将模型简化如图3所示的模型,并且在计算过程中直接施加驱动力Fa或通过弹簧连接施加驱动力Fa',根据前面分析知道:
图3 有限元分析简化模型
(2)仿真计算中所涉及到的材料均以316L不锈钢为例进行计算。各部件材料均采用316L不锈钢,不仅简化计算,其计算结果也更具有一般性。表1给出了316L不锈钢的低温物性。
表1 316L不锈钢低温物性表
3.2 仿真结果分析
图4、5分别为超低温轨道式球阀在20℃及温度变化到-196℃时密封面的应力分布图。对比可知,在温度发生大的变化后,密封面的应力也出现了较大幅度的变化,密封应力从20℃时的90MPa左右下降到了-196℃时的60MPa左右。
图4 20℃时密封面应力分布图
图5 -196℃时密封面应力分布图
图6是采用密封补偿结构的超低温轨道式球阀在工作温度从20℃变化到-196℃时密封补偿后密封面的应力分布图。对比图4、6可知,此时密封面的应力分布并没有产生较大的变化,说明在超低温状态下采用具有密封补偿结构的轨道式球阀能有效保证密封的可靠性。
图6 -196℃时密封补偿后应力分布图
4 结论
设计一种具有密封补偿结构的超低温轨道式球阀,其在轨道式球阀无摩擦启闭优势的基础上,弥补了因温差对密封压力造成的影响,密封可靠性得到了较大的提高,也将大大拓展轨道式球阀在低温领域的应用
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