平面型非金属阀瓣截止阀的密封性能

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京化工大学机电工程学院 作者:刘欢欢

  应用有限元分析软件建立平面型非金属阀瓣截止阀密封副的简化模型,对变操作工况下密封副的接触应力分布和变形情况进行分析。对比相同工况下不同结构阀瓣的接触应力分布和位移变化的差异,比较其性能,并采用试验进行验证。结果表明: 密封接触面上应力分布关于密封面中径呈对称分布,在接触面内外径处应力最大,并从两端向密封面中径方向减小。阀瓣结构中,密封垫径向有约束的阀瓣较密封垫径向无约束的阀瓣密封性能好。

  截止阀作为最重要的截断类阀门之一,广泛应用于工业生产中。阀门在管路中起着调节介质流量和压力、改变介质流向及切断介质通路等重要作用,因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为阀门密封性能非常关键。截止阀的密封是通过对阀杆施加扭矩,阀杆在轴向方向上向阀瓣施加压力,使阀瓣密封面与阀座密封面紧密贴合,阻止介质沿密封面之间的缝隙泄漏。

  影响阀门密封性能的因素主要包括工况条件、操作条件、密封副结构等几方面。陈国顺分析了影响阀门密封副密封性能的相关因素及影响规律,并针对这些影响因素提出了实现密封的解决办法。宋强和王秋侠等提出了一种阀瓣带有双导向环,阀瓣能够相对于阀杆转动的改进结构。赵忠奎提出了一种截止阀阀杆、阀瓣的改进结构,在阀瓣小端内孔底面上保留锥孔,这种结构使密封副密封载荷分布更为合理。赵俊芳对密封垫的嵌入形式进行了反复的改进,当介质流量较大流速较高时,密封垫不会出现脱落,在反复启闭时不会失效。袁菊霞和张海亮分析了超高压截止阀的密封机制,发现密封面宽度随轴向力的变化是非线性关系,并对超高压截止阀密封副材料的选用提出了建议。

  本文采用有限元分析方法对两种不同截止阀密封副形式的模型进行了分析,比较其密封性能,并设计了实验,进行实验验证。

1、有限元分析模型建立及参数设定

  在研究截止阀密封泄漏特性时,拟采用密封副基本形式相同而阀瓣结构不同的两种密封副结构,按照结构形式的不同,将阀瓣分为A、B 两种结构类型,如图1 所示,其中A 型为密封垫径向无约束的阀瓣,B 型为密封垫径向有约束的阀瓣。2 种阀瓣的金属和非金属部分材料均相同,分别为S30408 和Fs-46。采用有限元分析时对密封副做了一定的简化,简化后的密封副结构如图1 所示。截止阀密封副结构基本尺寸如表1 所示。

截止阀密封副简化模型

图1 截止阀密封副简化模型

表1 密封副尺寸

密封副尺寸

  由于两种形式阀瓣密封副的几何形状和边界条件均具有轴对称性,故采用轴对称模型,取阀瓣密封面截面的1 /2 建立模型,阀瓣和阀座网格大小分别为0. 1 和0. 2,网格单元类型采用CAX8,在阀座与阀瓣之间设置接触模型,在阀瓣非金属密封面法向上依次施加1、4、7、10 MPa 的介质压力均布载荷,而在阀瓣金属部分法向上施加相应闭合力载荷,闭合力载荷如表2 所示。

表2 闭合力载荷

闭合力载荷

  以A 型阀瓣为例,密封副有限元模型如图2 所示。

密封副有限元模型

图2 密封副有限元模型

2、结论

  密封非金属密封垫在密封接触面以内和以外区域应力分布较为均匀,密封面上应力分布关于密封面中径呈对称分布,在接触面内外径处应力最大,并从两端向密封面中径方向减小。

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