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多回轉閥門手動裝置的強度有限元分析

發布于:2021-01-29 21:36
有限元分析

       我國閥門產品在80年代初期進入國際市場,同時也從國外引進或仿制與閥門配套的驅動裝置,手動裝置就是其中之一。我國有關手動裝置的生產標準也在逐步完善,1990年頒布實施GB12222-89《多回轉閥門驅動裝置的連接》,規定了多回轉閥門驅動裝置的連接尺寸和驅動件尺寸、轉矩和軸向推力基準值。1998年機械工業部頒發實施JB/T8531-1997《閥門手動裝置技術條件》,規定了手動裝置的技術要求、試驗和驗收等內容。多回轉閥門手動裝置的閥桿螺母與閥桿作螺旋副連接時,同時傳遞轉矩和承受軸向推力,有時在泵驗或工作中出現破損,本文就有限元分析問題作些討論。
       各廠生產的多回轉閥門手動裝置具體結構有差別,但基本上采用一對圓錐齒輪減速,或圓錐齒輪與行星齒輪減速,產品有BA系列和相類似的SZ系列等。對應GB12222中法蘭號為F16、F25、F30、F35和F40有相應的手動裝置(為了敘述方便,以法蘭號作為與之相配的手動裝置名稱)。F16、F25和F30的結構形式如圖,F35、F40則在小錐齒輪軸端與行星齒輪減速裝置的系桿連接,增大傳動比。
       在閥門工作和啟閉操作過程中,驅動裝置殼體受管道工作壓力、關閉閥門的密封壓力、圓錐齒輪的嚙合作用力、轉動手輪的圓周力、重力及連接螺釘的約束力等,其中工作壓力和密封壓力數值較大,而密封壓力隨施加于螺母上的力矩增大而增加。它們的合力作用在閥桿螺母上,經過鎖緊螺圈、空心軸、推力軸承傳到殼體的推力軸承支承面上,與連接螺釘給予的約束力相平衡,使殼體同時受到軸向推力和彎曲力矩,是造成殼體破壞的主要因素。其余的力相對較小,對殼體強度影響不大。在手動裝置受到推力作用時,連接法蘭受力是與殼體及閥門連接的2組螺栓的約束力相平衡,其受力大小和情況與殼體相似,由于零件結構不同,比殼體應力小。在最大工作壓強條件下關閉閥門時,施加于閥桿螺母上的力矩通過螺旋副產生的軸向推力,不僅要克服因壓強作用在閥桿上的軸向力,而且還要有一定的密封壓力。手動裝置的許用最大軸向推力若不考慮彎曲應力,至少要大于以上兩力之和,如果考慮彎曲應力,則應該進一步提高承受軸向推力的能力,才能保證安全。
       以許用最大軸向推力為依據,對F16、F25和F30殼體的簡化模型進行有限元分析后,發現最大應力出現在錐體上下端轉角處的內外表面、推力軸承支承面和螺紋孔周圍。不同型號的殼體因外形差別,最大應力的部位不同,但基本上在上述部位之一。即使不是最大,其應力也比較大。
       最大轉矩和最大推力與僅傳遞轉矩的驅動件無關,一般情況下軸向力不大,因此不討論。
       對于同時傳遞轉矩和推力的螺旋傳動,工作壓力和密封壓力通過閥桿和閥桿螺母等零件傳遞到殼體上,力矩通過轉動手輪,經齒輪傳動傳遞到閥桿螺母上,根據螺旋傳動軸向力和矩之間的關系式,可以計算出閥桿螺母所受軸向力大小。



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