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多回转阀门手动装置的强度有限元分析

发布于:2021-01-29 21:36
有限元分析

       我国阀门产品在80年代初期进入国际市场,同时也从国外引进或仿制与阀门配套的驱动装置,手动装置就是其中之一。我国有关手动装置的生产标准也在逐步完善,1990年颁布实施GB12222-89《多回转阀门驱动装置的连接》,规定了多回转阀门驱动装置的连接尺寸和驱动件尺寸、转矩和轴向推力基准值。1998年机械工业部颁发实施JB/T8531-1997《阀门手动装置技术条件》,规定了手动装置的技术要求、试验和验收等内容。多回转阀门手动装置的阀杆螺母与阀杆作螺旋副连接时,同时传递转矩和承受轴向推力,有时在泵验或工作中出现破损,本文就有限元分析问题作些讨论。
       各厂生产的多回转阀门手动装置具体结构有差别,但基本上采用一对圆锥齿轮减速,或圆锥齿轮与行星齿轮减速,产品有BA系列和相类似的SZ系列等。对应GB12222中法兰号为F16、F25、F30、F35和F40有相应的手动装置(为了叙述方便,以法兰号作为与之相配的手动装置名称)。F16、F25和F30的结构形式如图,F35、F40则在小锥齿轮轴端与行星齿轮减速装置的系杆连接,增大传动比。
       在阀门工作和启闭操作过程中,驱动装置壳体受管道工作压力、关闭阀门的密封压力、圆锥齿轮的啮合作用力、转动手轮的圆周力、重力及连接螺钉的约束力等,其中工作压力和密封压力数值较大,而密封压力随施加于螺母上的力矩增大而增加。它们的合力作用在阀杆螺母上,经过锁紧螺圈、空心轴、推力轴承传到壳体的推力轴承支承面上,与连接螺钉给予的约束力相平衡,使壳体同时受到轴向推力和弯曲力矩,是造成壳体破坏的主要因素。其余的力相对较小,对壳体强度影响不大。在手动装置受到推力作用时,连接法兰受力是与壳体及阀门连接的2组螺栓的约束力相平衡,其受力大小和情况与壳体相似,由于零件结构不同,比壳体应力小。在最大工作压强条件下关闭阀门时,施加于阀杆螺母上的力矩通过螺旋副产生的轴向推力,不仅要克服因压强作用在阀杆上的轴向力,而且还要有一定的密封压力。手动装置的许用最大轴向推力若不考虑弯曲应力,至少要大于以上两力之和,如果考虑弯曲应力,则应该进一步提高承受轴向推力的能力,才能保证安全。
       以许用最大轴向推力为依据,对F16、F25和F30壳体的简化模型进行有限元分析后,发现最大应力出现在锥体上下端转角处的内外表面、推力轴承支承面和螺纹孔周围。不同型号的壳体因外形差别,最大应力的部位不同,但基本上在上述部位之一。即使不是最大,其应力也比较大。
       最大转矩和最大推力与仅传递转矩的驱动件无关,一般情况下轴向力不大,因此不讨论。
       对于同时传递转矩和推力的螺旋传动,工作压力和密封压力通过阀杆和阀杆螺母等零件传递到壳体上,力矩通过转动手轮,经齿轮传动传递到阀杆螺母上,根据螺旋传动轴向力和矩之间的关系式,可以计算出阀杆螺母所受轴向力大小。



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