大口径物料开关角阀阀杆与阀盘联接结构及仿真分析

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Coupl ing Structure between Stem and Valve D isc of LargeSize Materials Switching Angle Valve and SimulationAbstract：As the traditional structure of the valve plug cannot meet the application requirements，this pa-per introduces a sort of valve plug coupling structure for tank bottom valve，which enables plugs to meetthe working conditions.Stress theoretic analysis of the dangerous cross-section and numerical simulationhave been made to analyze the possible failure causes to derived its design guidelines of key dimensions。

Key words：tank bottom valve；large diameter angle valve；material switching angle valve；numerical anal-ysis角阀由于流路简单 、流阻小 、流量 系数大等特点得到了广泛应用。物料开关角阀-般安装在反应釜上 ，控制物料的进 出。安装方 向为侧装、斜装或倒装。反应釜 内的搅拌器 由大功率 电机带动 ，搅匀物料。工作时，振动较 大，且物料介质处于高温高压状态 ，阀门容易产生松动变形 ，甚 至阀芯卡阻或联接松脱后阀芯落入反应釜内，从而影响密封性能 ，甚至造成灾难性后果。

因此大口径角阀各部件的结构、强度及刚度必须满足工况要求，振动时牢固、不产生变形、松动；高温高压时不发生卡阻。安装方向改变时，性能不降低。

目前，国内外使用的外展式角阀口径最大到DN600。物料开关角阀，属单座结构，非平衡式 阀收稿 日期 ：2013-02-01作者简介：王振华(1976- )，男，江苏无锡人，实验师，本科。

芯 ，口径增大会导致不平衡力 大幅提高，阀芯组件重量增大，对联接的可靠性要求更高。

l 阀杆与阀盘联接结构1.1 结构除整体式阀芯外，阀芯组件通常采用螺纹铰接式 。止推螺母通过螺纹连接阀盘 ，与阀杆共同组成阀芯组件，如图 1所示 。

该结构承受的载荷较小，其失效形式：止推螺母处螺纹松动或破坏；阀杆产生弯 曲变形 ，造成泄漏乃至卡阻 ；阀门动作时 由于安装位置或阀芯 自重等原因导致阀杆磨损严重甚至断裂。

大 口径角阀的不平衡力及 自重 问题更加突出，整体结构也不易实现，采用图 2所示的联接结构。

nh CXWyg OOe Tf Z O№～XU Wnmnp Dg OL第3期 王振华 ：大口径物料开关角阀阀杆与阀盘联接结构及仿真分析 53图 1 阀杆与阀盘联接结构(目前)阀盘上固定多个导向叶片，阀杆 由止推螺母通过紧固螺栓及止动垫片固定在阀盘上，阀盘与止推螺母的侧面进行唇焊。

图 2 阀杆与阀盘联接结构 (大 口径 )该结构的特点：结构可靠，螺栓联接且有止动垫片及紧固焊接等防松措施 ；导向叶片及 阀杆端部的球面定位结构，实现自定心，消除由于阀杆与衬套间隙产生 的轴线运动偏差；唇焊结构易于维修。

理论计算结合仿真分析的方法，可以作为阀零件设计 、选材、使用的重要依据 。

2 受力分 析通过整个阀芯的受力情况可以看出，阀杆的螺纹根部的横截 面积小，薄弱 环节 出现在 阀杆上 的A-A、D-D截面，及止推螺母上 的 B-B、C-C截面 ，如图 3所示。

F图 3 阀芯受力分析使用集中力 F与 F 代替所有的力因素，包括不平衡力、摩擦力 、密封 比压 。

2.1 危险截面危 险截面在 B-B，C-C，D-D及螺纹底端 A-A。

受力情况如下：A-A：F - bK ： (1)式中 - ，F为结构的理论承载力 ；S为螺纹的受力 面积 ，mm ； 为 阀杆材 料的抗拉 强度，MPa；K 为应力集中系数 ；d中为螺纹中径 ；d内为螺纹内径 。

止推螺母的截面 B-B：由于止推螺母已由螺栓及止动垫片固定 ，截面所受载荷以剪切应力为主，暂不考虑弯曲应力。

剪应力 ：r - -：/- (2)式中：r 为材料的剪切应力，单位为 MPa；F 为理论承载力 ，单位为 N。

阀杆的截面 D-D受剪切应力 ：- A2- )式中：r。为材料的许用剪切应力，单位为 MPa；F为理论承载力 ，单位为 N。

CC截面为拉应力 ：- - ㈣ - - 二 42.2 确定关键尺寸角阀对于阀杆必须确定所有连接处的强度必须大于阀杆螺纹根部的强度 。从经济性角度考虑，若阀芯失效，止推螺母便于加工，成本较低，因此结构设计时，将止推螺母所受应力最大，且满足结构应力要求即：F(2)1.414d ，-般取 1.6左右，取整。

通过(1)式确定 d ，结构的实际受力要复杂得多，简化算法可以将联接部分的关键尺寸确定。阀门的使用效果还需要通过试验或仿真进行验证。

3 仿真分析控制阀的设计-定要 围绕安全、经济、环保等 ， L口。