主闸阀强度与刚度分析

作者简介: 孙殿玉 ( 1960- ) , 男, 辽宁铁岭人, 高工, 从事阀门 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、配套和销售工作。 文章编号: 1002-5855 ( 2000) 06-0014-03 主 � 闸 � 阀 � 强 � 度 � 与 � 刚 � 度 � 分 � 析 孙殿玉, 刘志新 (铁岭阀门股份有限公司, 辽宁 � 铁岭 � 112002) � � 摘要 � 根据主闸阀结构特点, 分别用有限元法和椭圆柱板壳理论公式计算了阀体的 强度与刚度, 并进行了分析对比, 同时对闸板的刚度进行了校核。 关键词 � 主闸阀; 有限元; 椭圆柱板壳理论; 闸板刚度 中图分类号: TH134 � � � � 文献标识码: A The analytic for strength and rigidity of parallel single disk gate valve SUN Dian-yu, LIU Zh-i x in ( T ieling Valve Joint-Stock Co. , Lt d. , T ieling 112002, China) Abstract: According to the structural feature of parallel single disk gate v alve, the st reng th and rigidity of body w ill be calculated w ith finite element method, and w ith cy lindroid shell theory. They are compared each other, then the st rength of shell is checked. Key words: parallel single disk gate valve; finite element; cylindroid shell theory; the st rength of gate disk 1 � 概述 主闸阀是低压大口径闸阀中的一种, 该阀 中法兰为椭圆形, 公称通径为 DN 2000mm, 公称压力 PN 0�6MPa, 因其使用在国家重点 工程上海合流污水泵出口处, 所以是该工程的 关键设备。为了保证阀门性能, 经与清华大学 工程力学系合作, 用有限元法和椭圆柱板壳理 论校核了阀体强度与刚度, 得出了较准确的结 果。 2 � 有限元法分析阀体强度和刚度 由于结构与载荷的对称性, 取主闸阀阀体 的 1/ 4, 通过有限元法计算确定阀体中最大应 力及其发生位置的密封面处的变形规律及最大 变形量。将计算模型分为 52个 8 节点等参壳 体单元和 12个 3节点等参梁元, 共有 327个 节点 981个自由度 (图 1)。阀体壁厚上设有 加强筋, 根据抗弯刚度相等的原则, 把加筋壁 面简化为均匀等厚壁面。由于闸板上游 (管内 受压) 和下游 (管内无压) 2 种载荷工况的受 压结果相差甚微, 因此以闸板下游工况的计算 结果为例进行分析。 � � 阀体和密封面的变形见图 2。阀体各部位 的应力值见表 1。密封面处的最大变形量为 0�26mm, 发生在密封面的最高点 C 处, 最低 点 D 处的变形量为 0�009mm。变形后的密封 面不再保持平面。 �14� � � � � � � � � � � � � � � � � � 阀 � � � 门 � � � � � � � � � � � � 2000 年第 6 期 图 1� 有限元分析的单元剖分图 ( a) 阀体变形 � ( b) 密封面变形 图 2 � 阀体及密封面变形 表 1 � 阀体各部位的应力最大值 � MPa 应力最大值 薄膜力 弯曲力 峰值 A 点/ �A 14�02 39�46 75�50 B 点/ �B 12�91 24�03 3 � 椭圆柱板壳理论计算阀体强度 3�1 � 计算公式 假设椭圆柱壳很长, 横截面形状沿柱壳长 度方向处处相等 (图 3)。椭圆长半轴为 a , 短半轴为 b, 则大圆半径为 R= ( a 2+ b2) + ( a- b) a2+ b2 2 b (1) 小圆半径为 r= ( a 2 + b 2 ) - ( a- b ) a 2 + b 2 2 a (2) 大圆和小圆的中心角分别为 �1= arc sin b a 2 + b 2 (3) �2= arc sin a a 2+ b2 (4) A 点和B 点处的薄膜力为 N A = p a (5) N B= p b (6) 相应薄膜应力为 �A = p a h (7) �B = p b h (8) 式中 � h � � � 无筋时的壁厚, cm p � � � 内压, M Pa 坐标 ( x , y ) 点处的弯矩 M 计算公式为 M = p 2 ( x 2+ y 2- Ix + I y S ) (9) 图 3� 椭圆柱壳截面 其中弧长 S 和线惯性矩之和 ( Ix+ Iy) 为 S = R�1+ r�2 ( 10) Ix+ Iy= R �R2+ ( R- b)2� �1+ r �r2+ � ( a- r ) 2� �2- 2 a ( a- r ) a 2 + b 2 ( R 2- r 2) (11) �15�2000 年第 6 期 � � � � � � � � � � � � � � 阀 � � � 门 � � � � � � � � � � � � � � � � � � 将 x = a , y = 0和 x = 0, y= b 分别代入 式 ( 9) , 可得到 A 点和B 点处的弯矩 MA 和 MB , 相应弯曲应力为 �A = 6 ( 1- �2) he 2 M A (12) �B= 6 (1- �2) he 2 MB (13) A 点处的薄膜应力和弯曲应力都大于B 点, 下面仅计算 A 点处的应力值。 3�2 � 数值计算 已知阀体的数据为 � a = 116cm , b = 35cm, h = 5cm, he ( A 点处) = 16�3cm, p = 0�6MPa, 由此算得 R = 349�93cm, r = 20�977cm, �1= 0�2930 (弧度) , �2= 1�2778 ( 弧 度 ) , S = 129�34cm, Ix + Iy = 778663�0cm, MA = 223065N � cm, �m = 13�92MPa, �b= 45�84MPa。 最大应力发生在 A 点的内表面, 其值为 �max= �m + �b= 59�76MPa 4 � 闸板的刚度计算 4�1 � 计算公式 把闸板简化为周边简支圆板 (图 4) , 其 中心挠度计算公式为 W 0= 5+ � 1+ ��p�a 4 64D ( 14) 其中 � D= E�h3 12 (1- �2) ( 15) 闸板两侧均有加强筋, 按抗弯刚度等效的 原则简化为均匀板。其等效厚度为 he= 11�5cm 4�2 � 数值计算 已知 p = 0�6MPa, a = 106�25cm2, he = 11�5cm, E= 2 � 105MPa, �= 0�3。 � � 由此求得 � D = 278�55 � 107N�cm W 0= 0�175cm 图 4� 简支圆板 5 � 结语 用有限元程序和椭圆柱板壳理论公式, 对 主闸阀阀体的强度分析确定, 最大应力发生在 椭圆柱形阀体小圆弧 A 点处 (表 2)。 表 2� 阀体 A 点应力值 MPa 有限元分析 板壳理论 薄膜应力/ �m 14�02 13�92 弯曲应力/ �b 39�46 45�84 峰值应力/ �max 75�50 球墨铸铁的许用应力为 ��� = 90MPa, 因而主闸阀的强度在设计压力 0�6MPa下是安 全的。但应当控制水压试验的压力。 密封 面 顶 部 变 形 量 最 大, 其 值 为 0�26mm, 这样的变形是允许的, 因而密封可 靠, 不会造成过量泄漏。结构较复杂的各类阀 门应用有限元计算将更为准确, 并可等强度设 计。 参 考 文 献 �1� � 上海合流污水治理工程主闸阀分析报告 �R�. 北京: 清华大学工程力学系力学软件研究室, 1991. �2� � R. G. 巴德纳斯. 高等材料力学及实用应力分析 �M�. 北京: 科学技术出版社, 1983. �3� � J. L. 莱昂斯. 阀门技术手册 �M�. 北京: 机械工 业出版社, 1991. 让我们一起来办 �阀门�, 让 �阀门� 成为你的朋友! �16� � � � � � � � � � � � � � � � � � 阀 � � � 门 � � � � � � � � � � � � 2000 年第 6 期