球閥閥桿的疲勞設(shè)計(jì)

2014-09-12 王玉成上海開維喜閥門集團(tuán)有限公司

　　介紹了苛刻工況下頻繁啟閉的球閥閥桿疲勞分析設(shè)計(jì)方法。

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，金屬中位置最不利或最弱的晶體，沿最大剪應(yīng)力方向形成滑移帶�；茙ч_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)展過程。即使該過程是緩慢的，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)力不超過某一極限值，承受的循環(huán)次數(shù)可以無限增加，即構(gòu)件可以經(jīng)歷無限次循環(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、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)，軸肩過渡部位采用盡量大的圓角過渡，加工過渡處設(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。