球閥閥桿的疲勞設計

　　介紹了苛刻工況下頻繁啟閉的球閥閥桿疲勞分析設計方法。

1、概述

　　在煤化工和多晶硅等生產(chǎn)系統的管線(xiàn)中，壓力高，且交互變化，閥門(mén)開(kāi)啟次數頻繁，需要長(cháng)時(shí)間多次循環(huán)啟閉運行。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，對閥門(mén)的各項性能提出了嚴峻的考驗。常規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(guān)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(cháng)期反復作用后，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，該現象即為疲勞失效。

　　金屬結構不會(huì )因為應力交變而發(fā)生變化。從微觀(guān)組織結構分析，在足夠大的交變應力下，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�；�移帶開(kāi)裂形成微觀(guān)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(huì )由于較大的應力集中引起微觀(guān)裂紋。分散的微觀(guān)裂紋經(jīng)過(guò)集聚，形成宏觀(guān)裂紋。已經(jīng)形成的宏觀(guān)裂紋在交變應力作用逐漸擴展，隨應力水平的高低時(shí)而持續時(shí)而停滯，此即為裂紋的擴展過(guò)程。即使該過(guò)程是緩慢的，并且是不連續的，但隨著(zhù)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(guò)某一極限值，承受的循環(huán)次數可以無(wú)限增加，即構件可以經(jīng)歷無(wú)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、結構改進(jìn)

　　為了有效提高閥桿的疲勞強度，改進(jìn)了閥桿結構。

　　(1) 完全避免常規鍵槽機構、孔、缺口和軸肩，閥桿端部連接改用光滑的矩形結構，軸肩過(guò)渡部位采用盡量大的圓角過(guò)渡，加工過(guò)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(zhì)量，閥桿的最大應力發(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(zhì)合金后再磨削加工，硬度達60HRC，再進(jìn)一步利用專(zhuān)用設備，機械滾壓形成高質(zhì)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)揮高強度的性能，顯著(zhù)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(dòng)，減輕非平衡載荷，有效提高閥桿運行穩定性，保證閥桿長(cháng)周期運行。

　　(4) 階梯形閥桿，大頭端置于閥體內腔，小頭端伸出閥體外部，一旦閥桿發(fā)生破壞，危險截面位于閥體外，為系統提供安全保障。

4、結語(yǔ)

　　隨著(zhù)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用，采用疲勞強度設計方法應當引起足夠的重視。