閥門手輪應(yīng)力模擬分析

韓 偉

（中核遼寧核電有限公司，遼寧興城 125100）

0 引言

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)還是人們的日常生活中，也不管系統(tǒng)介質(zhì)是液體還是氣體，閥門已成為人們生活工作中不可缺少的機(jī)械產(chǎn)品。在中、小規(guī)格的閥門中以及在電動(dòng)、氣動(dòng)或液動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中均有所應(yīng)用，當(dāng)然手動(dòng)閥中更是必不可少的，在操作閥門過(guò)程中，利用手輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的開啟、關(guān)閉或調(diào)節(jié)的目的[1]。

1 手輪結(jié)構(gòu)

閥門上的手輪一般通過(guò)鑄造加工而成，主要包括手輪外圓、輪輻、閥桿或閥桿螺母安裝座及搖把4 個(gè)部分（有些手輪無(wú)搖把）。其中，輪輻在操作手輪過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，作為主要的傳力件，將施加的轉(zhuǎn)矩傳遞到閥桿或閥桿螺母安裝座，再通過(guò)鍵傳給其他零部件，所以在實(shí)際工程中，一般會(huì)根據(jù)閥門類型、尺寸及結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)手輪中輪輻的數(shù)量（常見的是3 個(gè)和5個(gè)）。當(dāng)然，輪輻的具體結(jié)構(gòu)應(yīng)視實(shí)際情況而定。

2 模型的建立及處理

SolidWorks SimulationXpress 是一種應(yīng)力分析工具，當(dāng)特定材料的零部件或組合而成的裝配體在確定部位受到具體的承重載荷（力或壓力）時(shí)，可以模擬分析出其各個(gè)部位的應(yīng)力分布情況及位移變化[2]。手輪建模主要是閥桿或閥桿螺母的安裝座和手輪外圓由其截面圍繞其中心線旋轉(zhuǎn)一周而成，輪輻由手輪外圓內(nèi)側(cè)的截面輪廓和閥桿或閥桿螺母安裝座外側(cè)截面輪廓通過(guò)放樣命令連接而成，其中開始與結(jié)束約束均為垂直于輪廓，完成的手輪模型如圖1 所示。通過(guò)SolidWorks SimulationXpress 工具對(duì)模型進(jìn)行處理，手輪材料為可鍛鑄鐵，固定閥桿或閥桿螺母安裝座孔的4 個(gè)面，通過(guò)搖把孔施加作用力300 N，方向?yàn)閾u把孔切線方向，網(wǎng)格器為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格，網(wǎng)格品質(zhì)高，節(jié)點(diǎn)總數(shù)88 192，單元大小2.13 mm，單元總數(shù)56 829，公差0.11 mm，最大高寬比例為34.68，模型處理完后進(jìn)行運(yùn)行模擬分析。

圖1 手輪三維模型示意

3 應(yīng)力分析

局部細(xì)化法是進(jìn)行應(yīng)力分析的常用方法，在模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析上具有較高的準(zhǔn)確性。局部細(xì)化法是將整個(gè)模擬區(qū)劃分為多個(gè)網(wǎng)格形式，對(duì)應(yīng)力梯度變化較大的單元或區(qū)域進(jìn)行加密[3]。經(jīng)運(yùn)行模擬計(jì)算后得到手輪應(yīng)力分布情況如圖2 所示，從圖中可以看出，手輪上出現(xiàn)的最大應(yīng)力點(diǎn)位于搖把安裝孔所在的手輪外圓與輪輻的結(jié)合處，并從閥桿或閥桿螺母的安裝座與輪輻結(jié)合處沿著輪輻逐漸減小。應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在搖把安裝孔所在的手輪外圓與輪輻交界相貫線在垂直方向的中間，由此最大應(yīng)力處沿相貫線逐漸減小，且在手輪上、下兩個(gè)面處應(yīng)力最小。

圖2 閥門手輪應(yīng)力分布圖

在實(shí)際工作中，閥門上的手輪經(jīng)常出現(xiàn)損壞、斷裂等現(xiàn)象，且斷裂處與圖2 中顯示應(yīng)力最大處相符合（圖3）。

4 位移分析

運(yùn)行模擬分析后的位移情況如圖4 所示，最大位移點(diǎn)位于搖把安裝孔所在手輪外圓外側(cè)，并由此向手輪外圓內(nèi)側(cè)逐漸減小，沿手輪外圓由搖把安裝孔向兩側(cè)逐漸減小，手輪外圓上與搖把安裝孔正對(duì)處位移量最小，并從手輪外圓沿著輪輻向閥桿或閥桿螺母安裝座逐漸減小。即越靠近中心處位移量越小。搖把安裝孔處位移量最大，也是最容易發(fā)生損壞或斷裂的地方，尤其是手輪外圓與輪輻的結(jié)合處，此處承受的轉(zhuǎn)矩最大，發(fā)生損壞的概率也越大。

5 安全系數(shù)分析

圖3 閥門手輪應(yīng)力局部放大圖

圖4 閥門手輪位移分布圖

SolidWorks SimulationXpress 使用最大等量應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算安全系數(shù)分布。屈服強(qiáng)度是材料的力學(xué)屬性，某一點(diǎn)安全系數(shù)的計(jì)算是屈服強(qiáng)度除以該點(diǎn)的等量應(yīng)力（von Mises 應(yīng)力）[2]。在安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果中，當(dāng)模型某處的安全系數(shù)小于1 時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)紅色，表示該位置的材料已屈服，設(shè)計(jì)存在安全隱患；當(dāng)模型某處的安全系數(shù)大于1 時(shí)，會(huì)顯示為藍(lán)色，表示此處材料未屈服；當(dāng)某處的安全系數(shù)等于1 時(shí)，表示該處材料剛達(dá)到屈服強(qiáng)度。從閥門手輪安全系數(shù)分布圖來(lái)看，手輪顯示為藍(lán)色，表示該手輪設(shè)計(jì)較為合理，任何部位安全系數(shù)均大于1，均未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，不存在安全隱患。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)閥門手輪進(jìn)行應(yīng)力分析可以得出，當(dāng)通過(guò)手輪操作閥門時(shí)，手輪上出現(xiàn)的最大應(yīng)力點(diǎn)位于搖把安裝孔所在的手輪外圓與輪輻的結(jié)合處，并從閥桿或閥桿螺母的安裝座與輪輻結(jié)合處沿著輪輻逐漸減小。最大位移點(diǎn)位于搖把安裝孔所在手輪外圓外側(cè)，并由此向外圓內(nèi)側(cè)逐漸減小，沿手輪外圓由搖把安裝孔向兩側(cè)逐漸減小，手輪外圓上與搖把安裝孔正對(duì)處位移量最小，并從外圓沿著輪輻向閥桿或閥桿螺母安裝座逐漸減小。