球阀阀杆的疲劳设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海开维喜阀门集团有限公司 作者:王玉成

  介绍了苛刻工况下频繁启闭的球阀阀杆疲劳分析设计方法。

1、概述

  在煤化工和多晶硅等生产系统的管线中,压力高,且交互变化,阀门开启次数频繁,需要长时间多次循环启闭运行。阀门全行程快速开关时间迅速,容易造成阀门的失效,对阀门的各项性能提出了严峻的考验。常规静载下测定的屈服强度设计原则不能作为唯一的强度指标,有必要考虑相关的疲劳设计原则。本文以球阀阀杆为例探讨疲劳分析设计方法。

2、分析

  在交变压力作用下,即使零部件应力低于屈服强度,但长期反复作用后,也会发生突然断裂,即使是塑性较好的材料,在断裂前也没有明显的塑性变形,该现象即为疲劳失效。

  金属结构不会因为应力交变而发生变化。从微观组织结构分析,在足够大的交变应力下,金属中位置最不利或最弱的晶体,沿最大剪应力方向形成滑移带。滑移带开裂形成微观裂纹,在构件外形突变( 圆角、切口、沟槽) 或表面切痕或者材料内部不均匀性及其缺陷部位,也会由于较大的应力集中引起微观裂纹。分散的微观裂纹经过集聚,形成宏观裂纹。已经形成的宏观裂纹在交变应力作用逐渐扩展,随应力水平的高低时而持续时而停滞,此即为裂纹的扩展过程。即使该过程是缓慢的,并且是不连续的,但随着裂纹的扩展,构件表面逐渐削弱,削弱到一定极限,部件便突然断裂。很多零部件损坏是由于疲劳失效引起的。当构件应力不超过某一极限值,承受的循环次数可以无限增加,即构件可以经历无限次循环而不出现疲劳,该交变应力的极限值即为疲劳极限或持久极限。

3、结构改进

  为了有效提高阀杆的疲劳强度,改进了阀杆结构。

  (1) 完全避免常规键槽机构、孔、缺口和轴肩,阀杆端部连接改用光滑的矩形结构,轴肩过渡部位采用尽量大的圆角过渡,加工过渡处设置减荷槽和退刀槽,有效降低应力集中,提高阀杆疲劳强度。

  (2) 提高阀杆表面质量,阀杆的最大应力发生于表层,疲劳裂纹也经常在表层发生,加工过程中杜绝表面加工的刀痕和擦伤等,防止应力集中降低疲劳极限。采用高强度沉淀硬化不锈钢,表面喷涂高硬度硬质合金后再磨削加工,硬度达60HRC,再进一步利用专用设备,机械滚压形成高质量的表面加工,表面粗糙度达Ra0. 4μm,还使表层形成预压应力,减弱容易引起裂纹的工作拉应力,保证充分发挥高强度的性能,显著提高构件的疲劳极限。

  (3) 在阀杆两端设置两处支撑轴承,减小阀杆径向摆动,减轻非平衡载荷,有效提高阀杆运行稳定性,保证阀杆长周期运行。

  (4) 阶梯形阀杆,大头端置于阀体内腔,小头端伸出阀体外部,一旦阀杆发生破坏,危险截面位于阀体外,为系统提供安全保障。

4、结语

  随着科技的进步和发展,频繁开关阀门必将得到更加广泛的应用,采用疲劳强度设计方法应当引起足够的重视。

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