閥門手輪應力模擬分析

韓 偉

（中核遼寧核電有限公司，遼寧興城 125100）

0 引言

隨著社會科學技術的發展，無論是在工業、農業、建筑業、服務業還是人們的日常生活中，也不管系統介質是液體還是氣體，閥門已成為人們生活工作中不可缺少的機械產品。在中、小規格的閥門中以及在電動、氣動或液動驅動機構中均有所應用，當然手動閥中更是必不可少的，在操作閥門過程中，利用手輪產生轉矩，來實現對閥門的開啟、關閉或調節的目的[1]。

1 手輪結構

閥門上的手輪一般通過鑄造加工而成，主要包括手輪外圓、輪輻、閥桿或閥桿螺母安裝座及搖把4 個部分（有些手輪無搖把）。其中，輪輻在操作手輪過程中起到至關重要的作用，作為主要的傳力件，將施加的轉矩傳遞到閥桿或閥桿螺母安裝座，再通過鍵傳給其他零部件，所以在實際工程中，一般會根據閥門類型、尺寸及結構等設計手輪中輪輻的數量（常見的是3 個和5個）。當然，輪輻的具體結構應視實際情況而定。

2 模型的建立及處理

SolidWorks SimulationXpress 是一種應力分析工具，當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，可以模擬分析出其各個部位的應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一周而成，輪輻由手輪外圓內側的截面輪廓和閥桿或閥桿螺母安裝座外側截面輪廓通過放樣命令連接而成，其中開始與結束約束均為垂直于輪廓，完成的手輪模型如圖1 所示。通過SolidWorks SimulationXpress 工具對模型進行處理，手輪材料為可鍛鑄鐵，固定閥桿或閥桿螺母安裝座孔的4 個面，通過搖把孔施加作用力300 N，方向為搖把孔切線方向，網格器為標準網格，網格類型為實體網格，網格品質高，節點總數88 192，單元大小2.13 mm，單元總數56 829，公差0.11 mm，最大高寬比例為34.68，模型處理完后進行運行模擬分析。

圖1 手輪三維模型示意

3 應力分析

局部細化法是進行應力分析的常用方法，在模擬結構應力分析上具有較高的準確性。局部細化法是將整個模擬區劃分為多個網格形式，對應力梯度變化較大的單元或區域進行加密[3]。經運行模擬計算后得到手輪應力分布情況如圖2 所示，從圖中可以看出，手輪上出現的最大應力點位于搖把安裝孔所在的手輪外圓與輪輻的結合處，并從閥桿或閥桿螺母的安裝座與輪輻結合處沿著輪輻逐漸減小。應力最大點出現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，由此最大應力處沿相貫線逐漸減小，且在手輪上、下兩個面處應力最小。

圖2 閥門手輪應力分布圖

在實際工作中，閥門上的手輪經常出現損壞、斷裂等現象，且斷裂處與圖2 中顯示應力最大處相符合（圖3）。

4 位移分析

運行模擬分析后的位移情況如圖4 所示，最大位移點位于搖把安裝孔所在手輪外圓外側，并由此向手輪外圓內側逐漸減小，沿手輪外圓由搖把安裝孔向兩側逐漸減小，手輪外圓上與搖把安裝孔正對處位移量最小，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，也是最容易發生損壞或斷裂的地方，尤其是手輪外圓與輪輻的結合處，此處承受的轉矩最大，發生損壞的概率也越大。

5 安全系數分析

圖3 閥門手輪應力局部放大圖

圖4 閥門手輪位移分布圖

SolidWorks SimulationXpress 使用最大等量應力標準來計算安全系數分布。屈服強度是材料的力學屬性，某一點安全系數的計算是屈服強度除以該點的等量應力（von Mises 應力）[2]。在安全系數計算結果中，當模型某處的安全系數小于1 時，會呈現紅色，表示該位置的材料已屈服，設計存在安全隱患；當模型某處的安全系數大于1 時，會顯示為藍色，表示此處材料未屈服；當某處的安全系數等于1 時，表示該處材料剛達到屈服強度。從閥門手輪安全系數分布圖來看，手輪顯示為藍色，表示該手輪設計較為合理，任何部位安全系數均大于1，均未達到材料的屈服強度，不存在安全隱患。

6 結論

通過對閥門手輪進行應力分析可以得出，當通過手輪操作閥門時，手輪上出現的最大應力點位于搖把安裝孔所在的手輪外圓與輪輻的結合處，并從閥桿或閥桿螺母的安裝座與輪輻結合處沿著輪輻逐漸減小。最大位移點位于搖把安裝孔所在手輪外圓外側，并由此向外圓內側逐漸減小，沿手輪外圓由搖把安裝孔向兩側逐漸減小，手輪外圓上與搖把安裝孔正對處位移量最小，并從外圓沿著輪輻向閥桿或閥桿螺母安裝座逐漸減小。