用 Solidworks建模和应力分析方法，结合阀门铸造工艺、加工工艺和经济性浅析楔式闸阀铸造阀体的结构设计。【关键词】 楔式闸阀 铸造阀体 Solidworks 建模 铸造工艺 结构设计一、前言楔式闸阀（以下简称闸阀）是密封面与流道垂直方向成某种角度，即两个密封面成楔形的闸阀。通过闸板的升降来连通或切断管道流体，具有流体阻力小、起闭力矩小和介质流向不受限制等特点，是现代工业中不可或缺的流体控制产品。闸阀应用广泛且使用量大，闸阀阀体是闸阀的重要承压部件，质量约占闸阀整机的60%以上。阀体的设计对后续的铸造工艺、加工工艺以及整机使用性有很大的影响，还对阀门整机的经济性起了至关重要的作用。下面以常规圆体不锈钢闸阀为例，浅析阀体的几个重要设计环节。二、闸阀阀体建模设计1. 确定已知数据（ 1）阀体壁厚 闸阀设计标准中规定了最小壁厚，比如API 600— 2015《法兰端、对焊端、螺栓连接阀盖的钢制闸阀》和API 603— 2018《法兰端、对焊端耐腐蚀螺栓联接阀盖的钢制闸阀》。其中API 600—2015标准中规定的壁厚较厚，API 603— 2018标准中规定的壁厚较薄且仅适用于ASME B16.34—2017《法兰、螺纹及焊连接阀门》中第二、第三组不锈钢和有色金属材料，其最小壁厚值取自ASME B16.34壁厚计算公式。阀体壁厚还可通过式（1）计算获得：emin=1.5 pcDi/(2S－1.2 pc)+ c （1）式中 emin——最小壁厚，单位为mm；pc——计算压力，单位为MPa；Di——计算内径，单位为mm；S——应力系数，单位为MPa，取120.7MPa；c——附加裕量，单位为mm。式（1 ）中 pc和 c的取值符合EN12516— 2014的规定。通过比对发现，使用式（1 ）计算的壁厚结果与API 603— 2018所列的最小壁厚值基本一致。应当注意的是，如按这两种方式选用最小壁厚时，设计者还应考虑阀门的附加应力、应力集中部位以及非圆形部位的壁厚裕量。（ 2）阀门端部流道直径 阀门端部流道直径不直接等同于阀门的公称口径，而是与相匹配的不同压力管道内径有关。阀门端部尺寸可根据GB/T 12224《刚制阀门 一般要求》和ASME B16.34《法兰、螺纹和焊接端连接的阀门》的附录“阀门公称尺寸和阀体端部基本内径关系表”确定。（ 3）连接端、结构长度和喉部最小流道直径 设通用机械制造GM Manufacture2020年 第6期 www.tyjx2002.com 57通用机械计者可根据客户的要求确定阀体连接端类型。连接端尺寸、阀体的结构长度尺寸以及阀门喉部最小流道直径在阀门设计标准中均有表述，依照标准设计即可，此处不再赘述。2. 中腔设计如图1 所示，中腔大小的选择，应可以使闸板装配顺利，无卡阻、无干涉。在设计时，腔体和闸板之间应并保留一定的间隙值。这个间隙值的大小根据厂家铸造方式和工艺水平确定。不同的铸造厂家可以达到的铸造工艺水平不同，进而控制铸造尺寸偏差的能力也不同。设计间隙值大会导致中腔尺寸大，浪费材料。设计间隙值小会造成装配问题，因此不可一概而论。图1 闸板与阀体装配3. 法兰过渡段设计铸造阀体的法兰颈部应设置铸造过渡段（见图2），薄厚不均，容易形成连接处铸造缺陷，设置过渡段可确保铸造的质量。过渡段的尺寸可按表1（ ZQ4254— 2006《铸造过渡斜度》）执行或者根据铸造工艺给定，根据GB/T 150—2011《压力容器》的规定带有过渡斜边的法兰 h还应该大于1.5 g0。图2 法兰铸造过渡斜边表1 铸造过渡斜度尺寸 （单位：mm)法兰厚度 h1h K R10～15 15 3 515～20 20 4 520～25 25 5 525～30 30 6 830～35 35 7 835～40 40 8 1040～45 45 9 1045～50 50 10 1050～55 55 11 1055～60 60 12 1560～65 65 13 1565～70 70 14 1570～75 75 15 154. 阀体腔体的建模在设计阀体腔体时，因闸阀具有磨损余量，即阀门使用一段时间后，密封面出现磨损，闸板会向腔体下端掉落一定的距离。因此应首先保证腔体可与闸板保持足够的距离（见图3）。图3 闸板与腔体底部的空间闸板的纵向截面是比较窄的，腔体设计时只要包裹住闸板并留有一定的空间即可。考虑到阀门的经济性，在阀门腔体处可以相对中腔收窄，采用小半径圆弧过渡（见图4 ），这样在阀门的中底部就不会过于浪费材料。图4 阀体底部小半径圆弧处理24.72mm通用机械制造GM Manufacturewww.tyjx2002.com 2020年 第6期通用机械585. 阀体与阀座锐角处理阀体与阀座之间会形成小夹角（见图5 ），这些夹角的空间很小，在铸造后不方便清砂，还会对铸造质量产生影响，在建模设计时候，应避免此类情况发生，可在尖角处做填充处理，填充至开阔处。图5 阀体与阀座之间形成的锐角6. 闸板与中腔衔接处的上下距离针对中腔非平滑过渡，中腔下部突出设计时，闸板两侧导向部位应与中腔上下衔接处保留一定的距离（见图6 ）。以防止闸板因磨损余量下坠后，闸板卡在中腔衔接处。图6 闸板与中腔和腔体衔接处的上下距离7. 铸造公差等级与铸造重量的控制铸造厂的铸造工艺水平通过铸造公差等级予以体现。在实践中根据铸造厂家其以往的铸造产品，结合GB/T 6414—2017《铸件 尺寸公差、几何公差与机械加工余量》中规定的铸件未注公差等级和机械加工余量等级确定。确定公差等级首先可以有效地控制非加工面尺寸公差，避免某些部位的装配干涉问题；其次，可以控制阀体的壁厚，进而控制阀体的重量（使用三维软件建模理论最小壁厚和最大壁厚），可作为铸件接收准则，具有很好的经济性；再者，可使设计图样给定的铸造公差等级比较切合实际。8. 铸造的通用性铸造模具本身铸造工艺复杂，制作周期较长，并且成本高。那么在设计阀体模具图的时候应着重考虑常用结构的通用性，以减少管理成本和人工成本。主要有以下几个可通用部位：1）法兰密封面，如： RF、 FF、 FM、 RJ密封面模具通用。2）独立阀座和本体堆焊模具通用。3）阀体上常用连接件部位的铸造凸台。9. 法兰背面加工工艺法兰的背面通常需要加工平整，确保螺母和支撑面能够平稳地接触，保证螺母紧固的稳定性。法兰背面因空间的限制，会阻碍刀具进入，从而不能对法兰背面进行加工。当空间不足时可用法兰孔背面锪平的加工方式，当空间足够时宜采用法兰背面车削加工方式。10. 有限元强度校核与刚度校核采用Solidworks 软件中Simulation 插件对阀体的强度和刚度进行校核。夹具设置：端法兰背面螺母压紧面和密封垫片面为固定。材料设置：选择对应的金属材料（以WCB 为例）。载荷设置：腔体内压，压力值按照公称压力的1.5倍设置（PN25为例：3.8MPa）。网格设置由粗到细，对结果进行比对，分析如下：如图7 所示，最大等效应力值约为54MPa ，小于材料的许用应力值 138MPa。根据以往的经验，如有最大的等效应力发生在加强筋根部，超出最大许用应力的情况，此处应力过大是由于截面形状突变引起的局部应力集中，对局部应力集中区域进行线性化路径选择，按标准进行应力分类，对应力进行分类判断，以判断是否符图7 等效应力结果距离 27.57mm通用机械制造GM Manufacture2020年 第6期 www.tyjx2002.com 59通用机械合设计要求。为防止阀门出现外漏，对大口径的阀门必须要进行刚度校核。钢制阀门变形量校核依据为每1 000mm弹性变形1mm。如图8 所示，本次阀体最大位移发生在中腔处，为0.03mm，变形量较小，且为非密封场合，满足设计要求。图8 合位移结果有限元的应用可以更为清晰、快速地判断阀门的设计合理性，但是阀门的实际受力是很复杂的，简单的边界条件受力分析和实际受力结果会有些差别。因此设计者在实际设计中，应结合经验、计算和有限元分析多重验证的方式，以确保阀门的安全性。三、结语通过以往铸造阀体开模设计的经验，结合当前的市场状况以及一些必要的设计规范和设计依据。阐述了闸阀铸造阀体设计中必须遵守的原则，以及一些可以优化的设计细节，供广大工程技术人员参考。参考文献[1]全国阀门标准化技术委员会．钢制阀门 一般要求：GB/T 12224— 2015[S]．北京：中国标准出版社，2015．[2]全国锅炉压力容器标准化技术委员会．压力容器：GB/T 150— 2011[S]．北京：中国标准出版社，2011．[3]全国阀门标准化技术委员会．石油、天然气工业用螺柱连接阀盖的钢制闸阀：GB/T 12234— 2007[S]．北京：中国标准出版社，2007． （收稿日期：2020/02/18）推进5mm 时，可以配合面上93～ 290MPa的接触应力。由此可见，设计人员在对锥销推进量进行选择时，可以参考相应的接触应力。四、结语综上所述，采用有限单元法可以对非线性接触问题准确求解，能求出预应力与其对应的推进量，并描述接触应力在结合面上的分布情况。研究中对锥销配合展开试验研究，并对其进行有限元分析，得到了锥销推进量和推进力之间的关系，在试验的基础上对有限元模型进行调整，确保了试验结果与有限元计算结果之间的一致性。试验证实在对不同规格的锥销配合进行仿真模拟时可以采取有限元计算的方法，该方法可以省去试验过程，在将工作效率显著提升的基础上，尽可能地节约试验成本。参考文献[1]王樟水，王志滨，胡波，等．汽轮机叉形叶根锥销推进试验与仿真[J]．工具技术，2014（3）．[2]陈博，曾祥录，文举，等．叉形叶根R 刀片加工效率改进研究[J]．机床与液压，2016，44（14）． [3]赵毅，刘光耀，吴波，等．叉形叶根可转位精铣刀结构设计 [J]．世界制造技术与装备市场， 2016（4）．[4]冯伟，欧国坤，张登才，等．长叶片叉形叶根销拆卸工艺研究[J]．东方汽轮机，2014（2）．[5]吴波，刘文泽，李启山，等．1092mm叉形叶根铣刀的设计与制造[J]．东方电气评论，2010，24（4）．[6]东方电气集团东方汽轮机有限公司．一种叉形叶根叶片通用综合量具：CN201420357587.7[P]． 2014-11-05．[7]Ying Le， Ying Le． Analysis of large deviation between reheat steam temperature of 200MW unit and main steam temperature of steam turbine side[J]．IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2020，431（1）．[8]Daniel Opplt.500 MW Rotor LP Moving Blades Attachments Repair by Disc Welding and Optimization of Moving Blade Profiles[J]．Water & wastewater international，2018，26（4）. （收稿日期：2020/01/05）（上接第55页）
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