El análisis de la fuerza de sellado de válvulas de bola de metal de aleación de titanio

Nov 07, 2022
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Después de calcular la fuerza de sellado de las válvulas de bola de metal de aleación de titanio con un tamaño de 10 pulgadas y una presión de 300LB, se lleva a cabo el análisis de elementos finitos para la estructura de sellado de los asientos para verificar la racionalidad de la estructura y la precisión del cálculo, que es principalmente para la relación de presión de sellado entre el asiento de la válvula y la bola. La esfera y el asiento de la válvula están hechos de forjadas ASME B381 F5, y las propiedades físicas del material se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2 Propiedades físicas de las forjas F5

Actuación
Materiales	Aleaciones de titanio
Resistencia a la tracción	895
Yield fuerza	828
Módulo elástico E / MPa	1.10 X105
Densidad	4510
coeficiente de Poisson	0.32

1. Construyendo un modelo de análisis
El titanio alloy Válvula de bola trunnion de metal con un tamaño de 10 pulgadas y una presión de 300LB se simplifica antes de analizar la presión específica de sellado. Para reflejar con precisión la situación real, trate de reflejar los detalles cuando se establece el modelado de elementos finitos. Sin embargo, a menudo es difícil de lograr en un análisis real. Es necesario simplificar el modelo. El principio de simplificación es mantener la parte principal e ignorar los detalles. Por ejemplo, los biselados, redondeos y subcortes que tienen poca influencia se pueden ignorar, la superficie roscada se dibuja directamente como una superficie cilíndrica. Reemplace la conexión roscada con una conexión fija. Retire el sistema de accionamiento complicado y voluminoso, el cuerpo de la válvula, el vástago de la válvula y el soporte. Sólo se analizan la esfera y el asiento de la válvula. Teniendo en cuenta que la estructura del asiento de la válvula esférica es una estructura simétrica, la mitad del modelo se establece como el modelo de cálculo para ahorrar tiempo de cálculo y reducir la cantidad de cálculo. El modelo simplificado se muestra en la Figura 1.

Figura 1 El modelo de análisis de la presión específica del sello

2. Establecimiento de condiciones de frontera
Después de completar el establecimiento del modelo de análisis, el modelo es malla por el software de análisis de elementos finitos Workbench. La división de malla adopta el tipo de adaptación. El número de elementos de malla después de la división es 110472 y el número de nodos es 198462. El modelo de malla se muestra en la Figura 2.

Figura 2 El modelo de malla

Una vez que se completa la malla, se establecen las condiciones de contorno. Para simplificar el cálculo, mejorar la eficiencia del análisis y no afectar el efecto del análisis, las restricciones de conexión entre el asiento de la válvula y las esferas adoptan las restricciones de enlace predeterminadas. Cambiar las propiedades del material a las propiedades de forjadas F5, y las propiedades detalladas del material se muestran en la Tabla 2.

Al llevar a cabo el análisis de la presión específica de sellado, la investigación se lleva a cabo bajo dos condiciones de trabajo: (1) el análisis de la presión específica de sellado bajo la condición de precarga del resorte de disco (2) el análisis de la presión específica de sellado bajo la presión de trabajo nominal: Con el fin de mostrar la distribución de la tensión a lo largo de la dirección del ancho de la superficie de sellado de manera más intuitiva y clara, Seleccione el borde de la superficie de sellado y agregue una trayectoria de análisis lineal a lo largo de la dirección del ancho.

Figura 3 Distribución de la tensión a lo largo de la dirección del ancho bajo la acción de la precarga

Figura 4 Distribución de la tensión en la superficie de sellado bajo la acción de la precarga

Figura 5 Distribución de la tensión a lo largo de la dirección de ancho bajo presión nominal

Figura 6 La tensión de la superficie de sellado a presión nominal

Figura 7 La curva de variación de la presión específica a lo largo de la dirección del ancho de la superficie de sellado

Al analizar la presión específica de sellado bajo la acción de la precarga inicial del resorte de disco y la presión de trabajo nominal, se puede ver en las Figuras 5 a 9 que la tensión equivalente a lo largo de la dirección del ancho de la superficie de sellado se concentra principalmente entre 1,3 y 2,5 MPa. Está cerca del cálculo teórico de la presión específica mínima qmin de precarga. La tensión equivalente linealmente distribuida a lo largo de la dirección del ancho de la superficie de sellado bajo la presión de trabajo nominal se concentra principalmente entre 16,26 y 25,33 MPa, que está cerca del cálculo teórico de la presión específica de la superficie de sellado q. Se puede ver en el diagrama de nube de análisis que la distribución de la tensión circunferencial a lo largo de la superficie de sellado es uniforme, y no hay tensión o defectos insuficientes a lo largo de la dirección del ancho, lo que cumple con el requisito de sellado para válvulas de bola de metal de aleación de titanio.

3. Conclusión
(1)La presión específica de sellado de la válvula de bola de trunnion de metal de aleación de titanio bajo la presión de trabajo nominal es proporcionada principalmente por la presión media. Por lo tanto, para garantizar la integridad de la capa endurecida de la bola y el asiento de la válvula de bola de metal de aleación de titanio, trate tanto como sea posible de evitar la apertura y el cierre de las válvulas bajo presión en el proceso de depuración.

(2)Los resultados obtenidos por cálculo y análisis son cercanos, y la desviación es de alrededor del 14% al 25%. La razón principal está relacionada con la calidad de la malla y el modelo, pero tiene un buen significado de guía para la investigación sobre la presión específica de sellado de válvulas de bola de aleación de titanio. Los resultados del análisis pueden proporcionar una base para el diseño de la presión específica del sello. A través del análisis de elementos finitos de la presión específica de sellado de la válvula de bola de metal con 10 pulgadas y presión de 300LB, la tensión de la superficie de sellado puede reflejarse de manera más intuitiva y proporcionar una referencia para el diseño de optimización estructural y la mejora del rendimiento.

(3)La reducción de la fuerza de precarga del resorte de disco y la presión específica de precarga inicial puede evitar efectivamente el daño a la superficie causado por la apertura y cierre repetidos de la válvula de bola de aleación de titanio. Este método debe garantizar que el resorte de disco pueda proporcionar la fuerza de precarga inicial de no menos de 1 MPa, y la presión específica de sellado calculada bajo la presión nominal no debe ser menor que la presión específica.

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