考虑疲劳影响的蝶阀阀轴计算方法研究

谢斌斌; 童成彪; 文海东; 张波; 任杰

doi:10.13433/j.cnki.1003-8728.20200251

考虑疲劳影响的蝶阀阀轴计算方法研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200251

谢斌斌^{1, 2,},
童成彪^{1, 2, ,},
文海东^{1, 3},
张波⁴,
任杰⁴

1.
湖南农业大学机电工程学院, 长沙 410128
2.
湖南农业大学智能农机装备湖南省重点实验室，长沙 410128
3.
中南大学高性能复杂制造国家重点实验室, 长沙 410083
4.
中阀科技(长沙)阀门有限公司，长沙 410000

基金项目:

湖南省自然科学基金项目 2020JJ4045

长沙市科技计划项目 kq1907044

详细信息

作者简介:
谢斌斌(1999-)，硕士研究生，研究方向为机械设计制造及其自动化，xbin0817@163.com

通讯作者:
童成彪，教授，博士，tongcb@163.com

中图分类号: TH134
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2020-05-08
- 刊出日期: 2021-10-01

Study on Calculation Method of Butterfly Valve Shaft Considering Fatigue Effect

XIE Binbin^{1, 2
,},
TONG Chengbiao^{1, 2
, ,},
WEN Haidong^{1, 3},
ZHANG Bo⁴,
REN Jie⁴

1.
College of Mechanical and Electrical Engineering Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
2.
Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery Equipment of Hunan Province, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
3.
State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China
4.
China Valve Technology (Changsha) Valve Co., Ltd., Changsha 410000, China

摘要

摘要: 阀轴是蝶阀的关键受力部件，传统方法基于扭矩计算阀轴应力而未充分考虑弯矩的影响，应用于大型蝶阀设计存在一定的风险。本文分别将滑动轴承支反力简化为均布载荷和集中力，与变形协调方程相结合，提出了一种新的阀轴弯扭组合数学模型，采用有限元方法和实验方法对数学模型进行了验证；最后，分别采用冯·密斯应力和Goodman准则对阀轴应力进行评定，得到阀轴设计安全系数。结果表明，本文提出的阀轴计算数学模型与评估方法具有较高的精度，对改进蝶阀设计方法具有重要指导意义。
- 蝶阀 /
- 阀轴应力 /
- 疲劳寿命 /
- 弯扭组合
Abstract: The valve shaft is the key force component of butterfly valve, the traditional calculation method of the valve shaft stress is based on the torque which not fully considers the bending moment effect, so there exist the certain risks for applying to the large butterfly valves design. In this paper, the sliding bearing constraint force is simplified to uniform distributed-load or concentrated force, by combining with the compatibility equation, then a new model for valve shaft bending and torsion combination is proposed, thus finite element and experimental method is used to verify the present model. Finally, the valve shaft stress is evaluated with the Von Mises stress and Goodman criteria respectively, and the safety factor of the valve shaft design is obtained. The results show that the given model and evaluation method of the butterfly valve shaft calculation perform with high precision, which are of the important guiding significance to improve the design method of butterfly valve.
- butterfly valve /
- valve shaft stress /
- fatigue life /
- bending and torsion combination

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图 1 各工况下蝶阀所受载荷情况

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图 2 轴承简化为均布载荷受力图

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图 3 动水关阀工况扭矩图

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图 4 动水关阀工况弯矩图

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图 5 支反力作用点

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图 6 蝶阀装配体图

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图 7 动水关阀至42°应力图

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图 8 动水关阀至42°位移图

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图 9 实验及测试点分布图

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图 10 1、5号点应力图

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表 1 蝶阀运行条件与结构参数

物理量	数值	物理量	数值
阀门直径	0.9 m	工作压力	0.7 MPa
介质流速	8 m/s	介质温度	20 ℃
阀轴轴径	11 cm	蝶板重量	379.5 kg
一偏心	8.8 cm	二偏心	1.6 cm
重锤大小	0.7 t	开阀油压	8 MPa

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表 2 各危险工况载荷表

力矩/(N·m)	危险工况
力矩/(N·m)	1	2	3
重锤力矩	6 625.8	6 217.1	6 625.8
一偏心力矩	98	74.5	98
二偏心力矩	3 257.5	16 276.2	21 247.2
轴承摩擦力矩	1 676.8	2 456.9	4 867.7
填料摩擦力矩	214.2	215.6	215.1
密封面力矩	4 594.2	-	-
动水力矩	-	6 021.1	-

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表 3 危险工况阀轴剪应力

危险工况	1	2	3
剪应力/MPa	18.8	26.6	50.6

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表 4 各危险工况主动力

分力	危险工况1	危险工况2	危险工况3
F_1x/N	67 752.4	112 617.7	318 086.3
F_1z/N	1 859.6	96 357.1	1 859.6
F_2x/N	20 370.5	12 730.6	0
F_2z/N	17 323.8	12 860.1	41 314.4

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表 5 危险工况下轴套支反力和支反力矩

参数	危险工况
参数	1	2	3
R_Bx/N	57 475.8	106 195.3	318 086.3
R_Bz/N	-6 880.1	89 869.3	-18 983.0
R_Ax/N	10 093.9	6 308.2	0
R_Az/N	8 584.2	6 372.4	20 471.9
M_Bx/(N·m)	869.3	11 092.7	1 789.8
M_Bz/(N·m)	-8 234.4	-12 876.4	-34 989.5

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表 6 各危险工况下载荷与应力

危险工况	位置	M_z/(N·m)	M_x/(N·m)	T/(N·m)	σ_ca/MPa
1	B	583.4	6 590.6	-1 892.4	52.0
2	B	-4 846.6	10 795	2 672.5	110.2
3	B⁺	-93.0	15 904	5 083.3	126.3

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表 7 集中力下阀轴应力

应力	危险工况1	危险工况2	危险工况3
σ_ca	58.4 MPa	126.0 MPa	126.3 MPa

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表 8 蝶阀主要材料性能

材料	弹性模量/MPa	泊松比	密度/(kg·m^-3)	屈服极限/MPa	抗拉强度/MPa
Q345A	206	0.28	7 850	345	470.0
2Cr13	230	0.25	7 750	440	687.5

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表 9 各零件接触关系

	销	短轴	长轴	蝶板	阀体	端盖	卡环
销	-	无摩擦	无摩擦	绑接	-	-	-
短轴		-	-	无摩擦	有摩擦	-	无摩擦
长轴			-	无摩擦	有摩擦	-	-
蝶板				-	-	-	-
阀体					-	绑接	无摩擦
端盖						-	无摩擦
卡环							-

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表 10 各工况下蝶阀载荷及方向

危险工况	压力/MPa	密封面力矩/(N·m)	油缸力矩/(N·m)	重锤力矩/(N·m)	动水作用力/N	动水力矩/(N·m)	静水力矩/(N·m)
1	0.213(-x)	4 594.3(y)	28 369.0(-y)	6 625.8 (y)	-	-	-
2	0.710(-x)	-	-	6 217.1 (y)	294 024(-x)	6 021.1(y)	-
3	1.000(x)	4 594.3(y)	-	6 625.8 (y)	-	-	315.6(y)

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表 11 各计算方法阀轴Von Mises应力 MPa

计算方法	危险工况1	危险工况2	危险工况3
均布载荷理论	52.03	110.23	126.29
集中力理论	58.40	126.00	126.30
有限元	58.81	128.38	102.76

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表 12 阀轴剪应力 MPa

方法	危险工况1	危险工况2	危险工况3
有限元	20.25	57.76	31.66
阀门手册	18.83	26.59	50.57

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表 13 各测点最大应力统计结果

测量点	2	3	4	5	6	7
载荷/MPa	64.5	56.6	47.1	65.5	27.3	37.4

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表 14 实验工况下阀轴应力 MPa

实验	理论计算	有限元
65.50	69.63	64.22

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