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1、球閥閥桿的疲勞設(shè)計(jì)
1 概述在煤化工和多晶硅等生產(chǎn)系統(tǒng)的管線中，壓力高，且交互變化，閥門(mén)開(kāi)啟次數(shù)頻繁，需要長(zhǎng)時(shí)間多次循環(huán)啟閉運(yùn)行。閥門(mén)全行程快速開(kāi)關(guān)時(shí)間迅速，容易造成閥門(mén)的失效，對(duì)閥門(mén)的各項(xiàng)性能提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。常規(guī)靜載下測(cè)定的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則不能作為唯一的強(qiáng)度指標(biāo)，有必要考慮相關(guān)的疲勞設(shè)計(jì)原則。本文以球閥閥桿為例探討疲勞分析設(shè)計(jì)方法。
2 分析
在交變壓力作用下，即使零部件應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，但長(zhǎng)期反復(fù)作用后，也會(huì)發(fā)生突然斷裂，即使是塑性較好的材料，在斷裂前也沒(méi)有明顯的塑性變形，該現(xiàn)象即為疲勞失效。
金屬結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)閼?yīng)力交變而發(fā)生變化。從微觀組織結(jié)構(gòu)分析，在足夠大的交變應(yīng)力下，金屬中位
2、置最不利或最弱的晶體，沿最大剪應(yīng)力方向形成滑移帶?；茙ч_(kāi)裂形成微觀裂紋，在構(gòu)件外形突變（圓角、切口、溝槽）或表面切痕或者材料內(nèi)部不均勻性及其缺陷部位，也會(huì)由于較大的應(yīng)力集中引起微觀裂紋。分散的微觀裂紋經(jīng)過(guò)集聚，形成宏觀裂紋。已經(jīng)形成的宏觀裂紋在交變應(yīng)力作用逐漸擴(kuò)展，隨應(yīng)力水平的高低時(shí)而持續(xù)時(shí)而停滯，此即為裂紋的擴(kuò)展過(guò)程。即使該過(guò)程是緩慢的，并且是不連續(xù)的，但隨著裂紋的擴(kuò)展，構(gòu)件表面逐漸削弱，削弱到一定極限，部件便突然斷裂。很多零部件損壞是由于疲勞失效引起的。當(dāng)構(gòu)件應(yīng)力不超過(guò)某一極限值，承受的循環(huán)次數(shù)可以無(wú)限增加，即構(gòu)件可以經(jīng)歷無(wú)限次循環(huán)而不出現(xiàn)疲勞，該交變應(yīng)力的極限值即為疲勞極限或持久極限。
3、
3 疲勞極限計(jì)算
閥門(mén)開(kāi)關(guān)循環(huán)過(guò)程中，通常遵循“順關(guān)逆開(kāi)”的原則，防止閥門(mén)誤操作而發(fā)生事故。以口徑為12in.（300mm），壓力為600磅級(jí)的頻繁啟閉的球閥閥桿為例作相關(guān)介紹。閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中方向發(fā)生變化，閥桿承受的扭矩方向也相應(yīng)發(fā)生變化。
（1）主要危險(xiǎn)橫截面
由彈性力學(xué)分析，閥桿扭轉(zhuǎn)時(shí)，在橫截面的邊緣剪應(yīng)力最大（圖1），其數(shù)值為
（1）式中 T———閥桿所受扭矩（取T=27.660），kNm
Wt———閥桿扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，mm3
閥桿的Ⅰ-Ⅰ截面，WtⅠ-Ⅰ=c3/4.8=803/4.8=2.458m3，則τⅠ-Ⅰ=11.25MPa。閥桿的Ⅱ-Ⅱ截面，WtⅡ-Ⅱ=πd4/
4、32=3.14994/32=9.426m3，則τⅡ-Ⅱ=2.94MPa。
沿閥桿徑向在閥桿表層取單元體M（圖2），各面上的應(yīng)力為
圖1 閥桿尺寸
圖2 單元體受力分析
σx=σy=0，τxy=τ，此即為閥桿的純剪切應(yīng)力狀態(tài)，即
（2）
（3）剪應(yīng)力的兩個(gè)主應(yīng)力絕對(duì)值相等，方向相反，大小均等于τ，但一個(gè)為拉應(yīng)力，一個(gè)為壓應(yīng)力，閥桿扭轉(zhuǎn)時(shí)，表面各點(diǎn)最大的σmax所在的主應(yīng)力平面連接傾角為45的螺旋面，該螺旋面因?yàn)槔於l(fā)生斷裂破壞。逆時(shí)針?lè)较颍ㄩ_(kāi)）時(shí)，σ1k’=σmaxk=τk，σ2k’=0，σ3k’=σmink=-τ。順時(shí)針?lè)较颍P(guān)）時(shí)，σ1g’=σmaxg=-τg，
5、σ2g’=0，σ3g’=σming=τ。
閥門(mén)開(kāi)關(guān)循環(huán)過(guò)程中，閥桿承受的扭矩方向發(fā)生變化，循環(huán)中波動(dòng)應(yīng)力方向隨之發(fā)生了改變，則一個(gè)完整循環(huán)中，最大波動(dòng)應(yīng)力的波動(dòng)范圍σ1”=σmax=2τ，σ2”=0，σ3”=σmin=-2τ。相對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力σ1=2τ，σ2=0，σ3=-2τ（取順時(shí)針?lè)较驊?yīng)力為極值應(yīng)力）。
最大的主應(yīng)力波動(dòng)范圍S12=σ1-σ2=2τ，S23=σ2-σ3=2τ，S31=σ3-σ1=-4τ。主應(yīng)力方向改變，交變應(yīng)力幅Sa=│0.5S31│=│0.5（σ3-σ1）│=2τ。對(duì)于閥桿危險(xiǎn)截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ代入數(shù)據(jù)，SaⅠ-Ⅰ=211.25=22.5MPa，SaⅡ-Ⅱ=22.94=
6、5.88MPa。
閥桿材料選用高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼ASTNA638660，按照ASMEⅧ卷第二冊(cè)中的設(shè)計(jì)疲勞曲線分析（圖3），閥桿Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面可以承受的循環(huán)次數(shù)均超過(guò)了1000000次，滿足設(shè)計(jì)和工況要求。
圖3 疲勞曲線
（2）有限元分析
使用solidworks軟件對(duì)閥桿進(jìn)行有限元疲勞分析（圖4），其與計(jì)算結(jié)果一致。
（a）閥桿壽命周期 （b）閥桿壽命周期損壞百分比
圖4 閥桿有限元疲勞分析
4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
為了有效提高閥桿的疲勞強(qiáng)度，改進(jìn)了閥桿結(jié)構(gòu)。
（1）完全避免常規(guī)鍵槽機(jī)構(gòu)、孔、缺口和軸肩，閥桿端部連接改用光滑的矩形結(jié)構(gòu)，軸肩過(guò)渡部位采用盡量大的圓角過(guò)渡
7、，加工過(guò)渡處設(shè)置減荷槽和退刀槽，有效降低應(yīng)力集中，提高閥桿疲勞強(qiáng)度。
（2）提高閥桿表面質(zhì)量，閥桿的最大應(yīng)力發(fā)生于表層，疲勞裂紋也經(jīng)常在表層發(fā)生，加工過(guò)程中杜絕表面加工的刀痕和擦傷等，防止應(yīng)力集中降低疲勞極限。采用高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼，表面噴涂高硬度硬質(zhì)合金后再磨削加工，硬度達(dá)60HRC，再進(jìn)一步利用專(zhuān)用設(shè)備，機(jī)械滾壓形成高質(zhì)量的表面加工，表面粗糙度達(dá)Ra0.4μm，還使表層形成預(yù)壓應(yīng)力，減弱容易引起裂紋的工作拉應(yīng)力，保證充分發(fā)揮高強(qiáng)度的性能，顯著提高構(gòu)件的疲勞極限。
（3）在閥桿兩端設(shè)置兩處支撐軸承，減小閥桿徑向擺動(dòng)，減輕非平衡載荷，有效提高閥桿運(yùn)行穩(wěn)定性，保證閥桿長(zhǎng)周期運(yùn)行。
（4）階梯形閥桿，大頭端置于閥體內(nèi)腔，小頭端伸出閥體外部，一旦閥桿發(fā)生破壞，危險(xiǎn)截面位于閥體外，為系統(tǒng)提供安全保障。
5 結(jié)語(yǔ)
隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，頻繁開(kāi)關(guān)閥門(mén)必將得到更加廣泛的應(yīng)用，采用疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。
球閥閥桿的疲勞設(shè)計(jì)
