球阀密封面分析研究

球阀的密封性能是指密封面上的密封比压。在工程计算中通常取密封面的平均直径来近似地计算密封比压，因而这种近似不能真实地反映密封面密封比压的分布情况。计算机数值分析技术的发展，对密封面密封比压的精确求解成为可能，本文以浮动球阀为研究对象，利用有限元分析软件ANSYSWORKBENCH来分析模拟工况下球阀的密封比压分布情况，并计算得出了接触状况下球阀密封面上的比压。一、球阀密封模型的建立1、密封模型分解和简化浮动球阀的密封简图如图1所示。球阀密封结构一般由钢制球体和阀座构成，其密封机理为依靠球体和阀座的紧密接触，使密封座表面产生弹塑性变形，形成一定的密封比压，从而达到密封效果。如果密封比压太小，则密封座表面的塑性变形不足而达不到密封要求。因此，可以将所研究的密封结构分解为密封圈和密封座，将密封座简化为刚性件，由于球体的刚性较大，T形槽对分析影响不大，故将球体模型简化为球形，同时由于浮动球阀是出口侧密封，故只分析球体一侧的密封性能。图1浮动球阀受力简图2、密封模型的建模步骤（1）建立实体模型启动ANSYSWORKBENCH程序，选择GEOMETRY，进入建模界面，生成实体模型用有限元分析软件ANSYSWORKBENCH建立球阀的密封模型如图2所示。图2球阀密封模型的简化图（2）设置环境变量根据球阀的密封结构，可设置阀座外侧面沿X轴方向的位移为0，沿Y轴、Z轴方向的位移不受限制；设置阀座外端面沿Y轴、Z轴方向的位移为0，沿X轴方向的位移不受限制。在球体上与阀座对称的单位面上施加压力，对于相同约束条件下的平面接触，曲面接触，曲面连接施加压力。设置好的环境变量如图3所示。图3球阀密封模型环境变量的设置（3）网格划分系统对模型进行自动网格划分。选择的网格精度越高，得出节点的压应力值越多，结果也越精确，因此接触面的网格密度比其他处要大得多，这样保证得到精确的接触分析结果又不至于浪费计算时间，如图4所示，阀座内侧的网格精度较大。图4网格划分二、计算及结果分析求解接触密封问题的方法主要有有限元法、边界元法、数学规划法以及形状优化法等，在工程计算中用边界元法，数学分析和形状分析方法分析密封面上的密封比压，计算繁琐而不易得出结果，但是有限元分析法可以计算模拟工况下球阀的密封比压，操作简单易行。在有限元分析软件ANSYSWORKBENCH下，按照以上简化模型和环境参数，利用接触分析工具对球阀密封面的密封比压进行求解。以浮动球阀为例，金属密封圆环直径D30MM，温度为22，密封面材料选聚四氟乙烯且密封面间无滑（Q20MPA），球体直径为010M，球体不圆度公差公称按GB118480取6级精度，公称压力PN16MPA，DMW65MM，DMN45MM，以水为介质。求解结果如图5，由图可知密封比压沿周向分布均匀。图5密封比压结果从ANSYSWORKBENCH中提取各节点密封比压值，经分析可得到图6，可知密封比压的分布沿径向呈现两端值大、中间值小的规律。图6密封比压沿径向分布图根据所有节点上的压力值计算整个密封面上的平均比压，结果Q209MPA，必须密封比压QMF192MPA，聚四氟乙烯密封面间无滑动Q20MPA，用密封比压的理论公式计算理论值Q22MPA，两者相差较小，满足密封要求。三、结论1、密封面理论比压值比有限元分析值大，因为理论比压是由密封面平均直径得出，故其值略大。2、压力容器的密封性能与调节阀各组件构成的系统刚度分布和变形态有关，还与密封基座的尺寸、工艺处理，球体圆度参数，密封面的粗糙度等因素有关。3