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1、球閥閥桿的疲勞設計1概述在煤化工和多晶硅等生產系統(tǒng)的管線中，壓力高，且交互變化，閥門開啟次數頻繁，需要長時間多次循環(huán)啟閉運行。閥門全行程快速開關時間迅速，容易造成閥門的失效，對閥門的各項性能提出了嚴峻的考驗。常規(guī)靜載下測定的屈服強度設計原則不能作為唯一的強度指標，有必要考慮相關的疲勞設計原則。本文以球閥閥桿為例探討疲勞分析設計方法。2分析在交變壓力作用下，即使零部件應力低于屈服強度，但長期反復作用后，也會發(fā)生突然斷裂，即使是塑性較好的材料，在斷裂前也沒有明顯的塑性變形，該現象即為疲勞失效。金屬結構不會因為應力交變而發(fā)生變化。從微觀組織結構分析，在足夠
2、大的交變應力下，金屬中位置最不利或最弱的晶體，沿最大剪應力方向形成滑移帶?；茙ч_裂形成微觀裂紋，在構件外形突變（圓角、切口、溝槽）或表面切痕或者材料內部不均勻性及其缺陷部位，也會由于較大的應力集中引起微觀裂紋。分散的微觀裂紋經過集聚，形成宏觀裂紋。已經形成的宏觀裂紋在交變應力作用逐漸擴展，隨應力水平的高低時而持續(xù)時而停滯，此即為裂紋的擴展過程。即使該過程是緩慢的，并且是不連續(xù)的，但隨著裂紋的擴展，構件表面逐漸削弱，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。當構件應力不超過某一極限值，承受的循環(huán)次數可以無限增加，即構件可以經
3、歷無限次循環(huán)而不出現疲勞，該交變應力的極限值即為疲勞極限或持久極限。3疲勞極限計算閥門開關循環(huán)過程中，通常遵循“順關逆開”的原則，防止閥門誤操作而發(fā)生事故。以口徑為12in.（300mm），壓力為600磅級的頻繁啟閉的球閥閥桿為例作相關介紹。閥門開關過程中方向發(fā)生變化，閥桿承受的扭矩方向也相應發(fā)生變化。（1）主要危險橫截面由彈性力學分析，閥桿扭轉時，在橫截面的邊緣剪應力最大（圖1），其數值為（1）式中T———閥桿所受扭矩（取T=27.660），kNmWt———閥桿扭轉截面系數，mm3閥桿的Ⅰ-Ⅰ截面，WtⅠ-Ⅰ=c3/4.8=803/4.8=2.45
4、8m3，則τⅠ-Ⅰ=11.25MPa。閥桿的Ⅱ-Ⅱ截面，WtⅡ-Ⅱ=πd4/32=3.14×994/32=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力狀態(tài)，即（2）（3）剪應力的兩個主應力絕對值相等，方向相反，大小均等于τ，但一個為拉應力，一個為壓應力，閥桿扭轉時，表面各點最大的σmax所在的主應力平面連接傾角為45°的螺旋面，該螺旋面因為拉伸而發(fā)生斷裂破壞。逆時針方向（開）時，σ1k’=σmaxk=τk，σ2k’=0
5、，σ3k’=σmink=-τ。順時針方向（關）時，σ1g’=σmaxg=-τg，σ2g’=0，σ3g’=σming=τ。閥門開關循環(huán)過程中，閥桿承受的扭矩方向發(fā)生變化，循環(huán)中波動應力方向隨之發(fā)生了改變，則一個完整循環(huán)中，最大波動應力的波動范圍σ1”=σmax=2τ，σ2”=0，σ3”=σmin=-2τ。相對應的主應力σ1=2τ，σ2=0，σ3=-2τ（取順時針方向應力為極值應力）。最大的主應力波動范圍S12=σ1-σ2=2τ，S23=σ2-σ3=2τ，S31=σ3-σ1=-4τ。主應力方向改變，交變應力幅Sa=│0.5×S31│=│0.5（σ3-σ1
6、）│=2τ。對于閥桿危險截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ代入數據，SaⅠ-Ⅰ=2×11.25=22.5MPa，SaⅡ-Ⅱ=2×2.94=5.88MPa。閥桿材料選用高強度沉淀硬化不銹鋼ASTNA638660，按照ASMEⅧ卷第二冊中的設計疲勞曲線分析（圖3），閥桿Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面可以承受的循環(huán)次數均超過了1000000次，滿足設計和工況要求。圖3疲勞曲線（2）有限元分析使用solidworks軟件對閥桿進行有限元疲勞分析（圖4），其與計算結果一致。（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結構改進為了有效提高閥桿的疲勞強度，改進了閥桿
7、結構。（1）完全避免常規(guī)鍵槽機構、孔、缺口和軸肩，閥桿端部連接改用光滑的矩形結構，軸肩過渡部位采用盡量大的圓角過渡，加工過渡處設置減荷槽和退刀槽，有效降低應力集中，提高閥桿疲勞強度。（2）提高閥桿表面質量，閥桿的最大應力發(fā)生于表層，疲勞裂紋也經常在表層發(fā)生，加工過程中杜絕表面加工的刀痕和擦傷等，防止應力集中降低疲勞極限。采用高強度沉淀硬化不銹鋼，表面噴涂高硬度硬質合金后再磨削加工，硬度達60HRC，再進一步利用專用設備，機械滾壓形成高質量的表面加工，表面粗糙度達Ra0.4μm，還使表層形成預壓應力，減弱容易引起裂紋的工作拉應力，保證充分發(fā)揮高強度的性
8、能，顯著提高構件的疲勞極限。（3）在閥桿兩端設置兩處支撐軸承，減小閥桿徑向擺動，減輕非平衡載荷，有效提高閥桿
