應用于液氨改性系統的集成閥設計

姜展飛，孟 婥，孫以澤

(東華大學 機械工程學院，上海 201620)

應用于液氨改性系統的集成閥設計

姜展飛，孟 婥，孫以澤

(東華大學 機械工程學院，上海 201620)

0 引言

隨著人們生活品質的提高，亞麻制成的高檔服裝日益受到消費者的青睞，由于亞麻的固有屬性，使得其需要經過液氨改性才能變得質地柔軟[1]。由于亞麻纖維紗線晶變改性系統中承載液氨的管道眾多，大量球閥的運用給日常維護和生產操作帶來不便，更重要的是降低了系統的安全可靠性和技術保密性。為克服上述缺點，在本文中，首先基于實際生產條件建立理論模型，經計算提出了集成閥設計方案；而后用SolidWorks繪制了詳細結構圖；最后經ABAQUS有限元分析，驗證了在實際工況下閥芯整體變形量在允許范圍內。該設計使液氨改性系統中閥門數大幅減少，便于日常維護和生產操作，提高了系統的安全可靠性和技術保密性。

1 液氨集成閥的應用要求及理論計算

1.1 集成閥的應用要求

液氨改性過程如圖1所示，在亞麻纖維改性生產過程中，注入液氨、浸氨和甩氨是很重要的工序[2]，目前采用電動球閥作為液氨處理罐和管道的連接控制開關，閥門數量多、安全可靠性低。

在液氨改性系統中，管道內部工況為：常溫、外接管道直徑為50毫米、管道內壓強為2.5MPa，在該壓強下液氨極易揮發，如密閉不好，泄露后會對人身造成很大危害。

圖1 液氨改性過程

液氨介質管道大多使用灰鑄鐵，灰鑄鐵價格便宜但其適用的公稱壓力小于1.0MPa，使用溫度不低于-10℃。而實際工況中液氨管道壓強為2.5MPa，灰鑄鐵不能滿足強度要求。所以改性系統中閥殼和閥套采用不銹鋼材質，代號為0Cr18Ni9N，其中N元素防止塑性降低，提高鋼的強度，改善耐點腐蝕、縫隙腐蝕和間隙腐蝕性能。

液氨具有腐蝕性，集成閥內部的閥芯作為容納液氨的主要周界，需要有很強的耐腐蝕性；同時閥芯經常與周圍閥體摩擦，還要求其具有很好的減磨性。哈氏合金具有很好的耐腐蝕性，其在農業化工、核設施、生物制藥、化學等苛刻工業環境中被應用。

綜上，閥芯選用哈氏合金，既滿足了強度要求，具有一定的減磨特性，同時又有一定的抗腐蝕性。

1.2 集成閥的理論計算

基于實際工況，設集成閥閥芯內部軸向和徑向應力分別為1σ和2σ，閥芯內部長度為L，內徑為d，閥芯厚度為t，內部壓強為P，忽略結構變形， 閥芯受力圖如圖2所示，有：

閥套和閥殼選取不銹鋼，閥芯選用哈氏合金，哈氏合金00Ni70Mo28抗拉強度bσ=730MPa，為簡化模型，材料強度都選取不銹鋼強度，0Cr18Ni9N抗拉強度bσ=500MPa，為塑性材料，通常安全系數n=1.5-2.5[3]，這里取n=2，則許用抗拉強度為：

圖2 閥芯受力示意圖

說明工作壓強在2.5MPa下，閥芯厚度為t=0.18的不銹鋼即可滿足安全系數為2的要求，因此確定不銹鋼厚度為2mm。

2 集成閥的結構設計

2.1 集成閥的密封軸承

由集成閥的實際工況可知需要良好的密封性以保證液氨不泄露，所以集成閥和管道選擇法蘭連接方式，集成閥內部選擇密封軸承，這樣可以為內部結構提供轉動支撐同時兼具密封作用，密封軸承示意圖如圖3所示。

2.2 集成閥的結構設計

集成閥剖面圖和三維圖由SoildWorks繪制[4]，如圖4所示，主要由閥芯、閥套、閥殼、密封軸承等組成，底部通過支架連接底座，一個主管道與四個相隔90°的外部副管道法蘭連接，閥殼、閥芯、閥套之間由密封軸承相連，起到良好的密封和轉動支撐作用。

圖3 密封軸承示意圖

圖4 集成閥剖面及三維圖

2.3 集成閥工作狀態分析

當集成閥處于工狀態時，閥套和閥芯之間配合可以使主管道和ABCD四個副管道相連通或關斷，其工作原理示意如圖5所示。

圖5 集成閥工作原理示意圖

集成閥工作狀態切換示意圖如圖6所示，6(a)為主管道和管道A連通，下一個生產步驟需要主管道和管道B連通，閥套保持靜止，閥芯向管道B轉動，此時主管道與管道A被關斷，閥芯向管道B方向旋轉90°后靜止，如圖6(b)所示；而后閥套沿相同方向轉向管道B，閥芯上的閥口與閥套上的閥口重合時使主管道和管道B相連通，如圖6(c)所示，新的工況更新完畢。如欲從連通狀態調整到全部關斷狀態，即主管道與ABCD四個副管道均不連通，則只需使閥芯順時針或逆時針旋轉45°即可滿足關斷要求。

閥殼、閥芯、閥套之間由密封軸承相連，可以保證密封并提供良好的轉動支撐。

3 集成閥閥芯的ABAQUS分析

ABAQUS是功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS包含豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫，擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，包括金屬、橡膠、高分子等材料[5]。作為通用的模擬工具，ABAQUS能完美模擬和解決大量結構、應力、位移等問題。

圖6 集成閥工作狀態切換示意圖

本文中，集成閥的閥芯是直接接觸主管道液氨介質的工件，所以主要對閥芯進行有限元分析，并將閥芯流體碗形輸出口簡化成圓柱結構，閥芯的ABAQUS網格劃分如圖7所示。

圖7 閥芯的Abaqus網格劃分

圖8 閥芯應力模擬結果

全局采用自由網格，網格數31672，載荷2.5MPa，內壓均勻分布，兩端軸向位移約束，徑向自由度不約束。經過ABAQUS有限元分析后，發現閥芯不同部分受到的應力最大為6.395Mpa，最小為1.717Mpa，應力模擬結果如圖8所示。閥芯應變量很小，最大為3.381×10-5，最小為-5.312×10-5，應變模擬結果如圖9所示。

圖9 閥芯應變模擬結果

圖10 閥芯位移模擬結果

在套筒處和液體流出口邊緣處，應力最大，位移也是最大的，最大位移為0.02053mm，相比閥芯厚度2mm來說只有1.0265%，在實際運行情況下可以忽略，閥芯位移模擬結果如圖10所示。

4 結束語

1)基于液氨改性系統的實際工況，建立理論模型，分析計算并確定了機構的基本設計尺寸，設計了集成閥的內部結構，使其滿足液氨改性系統的生產要求。

2)運用ABAQUS有限元分析軟件，對集成閥閥芯做了有限元分析，模擬了在實際工況下，閥芯各處的應力和應變量，得出了閥芯最大形變量約占閥殼厚度的1%左右，符合實際工況要求。

[1]趙兵,林紅,陳宇岳.亞麻纖維改性研究進展[J].現代紡織技術, 2010(5):65-66.

[2]曹唯妙.棉麻纖維液氨改性成套裝備自動送料系統設計[D].東華大學,2009.

[3]劉鴻文.材料力學第四版[M].高等教育出版社,2004.

[4]陳超祥,胡其登.SolidWorks零件與裝配體教程[M].機械工業出版社,2012.

[5]石亦平,周玉蓉.Abaqus有限元分析實例講解[M].機械工業出版社,2006.

Design of a integrated valve for liquid ammonia modification system

JIANG Zhan-fei, MENG Zhuo, SUN Yi-ze

液氨改性系統中含有大量管道，用于提供液氨流經的通路，同時管道中有大量閥門，改性過程需要閥門開啟閉合次數較多，數量眾多的閥門給安裝、維護和生產操作帶來不便，降低了系統的安全可靠性和技術保密性。在本文中，基于理論計算提出了應用于液氨改性系統的集成閥，設計了閥芯-閥套-閥殼結構，該閥實現了五種工況的切換；用ABAQUS有限元軟件分析了閥芯在實際工作狀態下的形變，驗證了設計的可靠性。

液氨改性；集成閥；機構創新；ABAQUS有限元分析

姜展飛（1986 -），男，研究生，研究方向為智能檢測與控制。

TH122

A

1009-0134(2014)06(上)-0141-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).40

2014-03-19

國家科技支撐計劃（2012BAF13B03）；上海市優秀技術帶頭人計劃（12XD1420300）