Diseño óptimo de pares de sellado de válvulas de compuerta de cuña de gran diámetro (segunda parte)
3.2.2 El tamaño de la cuña
La cuña está hecha de WCB, el mismo material que el cuerpo de la válvula, y está fundida integralmente (Figura 4). Calcule el espesor tB de la cuña y obtenga la siguiente fórmula:
En la fórmula, tB es el espesor de la cuña (mm). R es el radio promedio de la superficie de sellado de la cuña (mm). K es el factor de seguridad. Entre ellos, la presión de diseño es de 1,0 MPa. El radio promedio R de la superficie de sellado de la cuña es de 560 mm. El factor de seguridad K es de 1,24. La tolerancia a la corrosión C es de 5 mm y la tensión de flexión admisible [σw] del material de la cuña es de 102 MPa. El espesor de la cuña es de 66 mm. Para garantizar la redundancia de diseño, se adopta un espesor de 70 mm.
Las características elásticas de la cuña elástica dependen principalmente de la relación elástica m, es decir
En la fórmula, dB representa el diámetro de transición de la deformación elástica de la cuña (mm). D representa el diámetro inferior de la ranura elástica (mm). Entre ellos, el espesor tB de la cuña es de 70 mm; el diámetro de transición de la deformación elástica de la cuña es de 1040 mm y el diámetro inferior d de la ranura elástica es de 600 mm. La relación elástica de la cuña se calcula en 3,14. Si la relación elástica es demasiado baja, perjudicará la deformación elástica de la cuña, lo que afectará la aptitud de la superficie de sellado y reducirá el rendimiento de sellado de la válvula. Para la válvula de compuerta con un diámetro nominal de 1200 mm, la norma actual no especifica su relación de deformación elástica. válvula de compuerta Se pueden utilizar con un diámetro nominal de 1000 mm cuya relación de deformación m sea 3.
Figura 4 La estructura de la cuña
4. El análisis y verificación de la estructura de sellado
Para verificar el diseño estructural y el rendimiento de los pares de sellado de la válvula de compuerta de cuña de gran diámetro, se utiliza el método de simulación numérica de elementos finitos para calcular la deformación del cuerpo de la válvula y la cuña bajo la carga de prueba.
4.1 Establecer un modelo geométrico y fijar propiedades de los materiales
El modelado tridimensional se basa en los resultados de cálculo del cuerpo de la válvula y la subestructura de sellado de la cuña, y el modelo tridimensional generado se introduce en el software de análisis. El material del cuerpo de la válvula y la cuña es WCB, y las propiedades del material del modelo de análisis de elementos finitos se establecen según los parámetros de la Tabla 1.
Tabla 1 Parámetros de los materiales y características
La cuña está hecha de WCB, el mismo material que el cuerpo de la válvula, y está fundida integralmente (Figura 4). Calcule el espesor tB de la cuña y obtenga la siguiente fórmula:
En la fórmula, tB es el espesor de la cuña (mm). R es el radio promedio de la superficie de sellado de la cuña (mm). K es el factor de seguridad. Entre ellos, la presión de diseño es de 1,0 MPa. El radio promedio R de la superficie de sellado de la cuña es de 560 mm. El factor de seguridad K es de 1,24. La tolerancia a la corrosión C es de 5 mm y la tensión de flexión admisible [σw] del material de la cuña es de 102 MPa. El espesor de la cuña es de 66 mm. Para garantizar la redundancia de diseño, se adopta un espesor de 70 mm.
Las características elásticas de la cuña elástica dependen principalmente de la relación elástica m, es decir
En la fórmula, dB representa el diámetro de transición de la deformación elástica de la cuña (mm). D representa el diámetro inferior de la ranura elástica (mm). Entre ellos, el espesor tB de la cuña es de 70 mm; el diámetro de transición de la deformación elástica de la cuña es de 1040 mm y el diámetro inferior d de la ranura elástica es de 600 mm. La relación elástica de la cuña se calcula en 3,14. Si la relación elástica es demasiado baja, perjudicará la deformación elástica de la cuña, lo que afectará la aptitud de la superficie de sellado y reducirá el rendimiento de sellado de la válvula. Para la válvula de compuerta con un diámetro nominal de 1200 mm, la norma actual no especifica su relación de deformación elástica. válvula de compuerta Se pueden utilizar con un diámetro nominal de 1000 mm cuya relación de deformación m sea 3.
Figura 4 La estructura de la cuña
4. El análisis y verificación de la estructura de sellado
Para verificar el diseño estructural y el rendimiento de los pares de sellado de la válvula de compuerta de cuña de gran diámetro, se utiliza el método de simulación numérica de elementos finitos para calcular la deformación del cuerpo de la válvula y la cuña bajo la carga de prueba.
4.1 Establecer un modelo geométrico y fijar propiedades de los materiales
El modelado tridimensional se basa en los resultados de cálculo del cuerpo de la válvula y la subestructura de sellado de la cuña, y el modelo tridimensional generado se introduce en el software de análisis. El material del cuerpo de la válvula y la cuña es WCB, y las propiedades del material del modelo de análisis de elementos finitos se establecen según los parámetros de la Tabla 1.
Tabla 1 Parámetros de los materiales y características
| Regiones | Materiales | Módulo elástico/MPa | Densidad/(kg/m3) | coeficiente de Poisson | Límite elástico/MPa | Resistencia a la tracción/MPa |
| Cuerpos de válvulas o cuñas | WCB | 2,02 x 105 | 7850 | 0.31 | 248 | 483 |
4.2 El análisis de elementos finitos del cuerpo de la válvula
4.2.1 División de mallado
La división de malla es una parte importante del proceso de análisis de elementos finitos. En el cálculo de elementos finitos, solo los nodos y elementos de la malla participan en el cálculo. La densidad de la malla afecta directamente la precisión de los resultados del cálculo, pero una malla refinada aumentará el tiempo de cálculo y el espacio de almacenamiento de la CPU. Idealmente, la densidad de malla requerida por el usuario es aquella cuyo resultado no cambia con el refinamiento de la malla; es decir, cuando se refina la malla, la solución no cambia significativamente. El cuerpo de la válvula está dividido por mallas tetraédricas. El modelo de mallado se muestra en la Figura 5. Contiene 1132651 nodos y 753671 elementos. La calidad promedio de los elementos es de 0,815 y la calidad ortogonal es de 0,843. La calidad de la malla es buena.
Figura 5 Engranaje del cuerpo de la válvula
4.2.2 Restricciones y condiciones de contorno
El cálculo de simulación es que cuando la válvula de compuerta está cerrada, la presión de prueba de sellado es de 1,1 MPa cargada en la cavidad.
La fuerza de sellado FM en la superficie de sellado de la válvula es la siguiente:
Entre ellos, se considera DMN 1100 mm, bM 20 mm, qMF 3,2 MPa y se calcula que FM es de 225 kN. El cuerpo de la válvula también se ve afectado por la gravedad de la tapa de la válvula y el conector eléctrico, que es de aproximadamente 20 kN. Se aplican restricciones y condiciones de contorno para el cuerpo de la válvula, como se muestra en la Figura 6.
Figura 6 Restricciones y condiciones de contorno de los cuerpos de válvulas
4.2.3 El proceso de resolución
Después de determinar las condiciones límite impuestas por el cuerpo de la válvula, se resuelve el modelo de elementos finitos del cuerpo de la válvula y se obtiene la imagen de la nube de deformación del cuerpo de la válvula como se muestra en la Figura 7.
4.3 El análisis de elementos finitos de la cuña
El proceso de análisis de elementos finitos de la cuña es el mismo que el del cuerpo de la válvula. El modelo de elementos finitos se muestra en la Figura 8, con un total de 511 544 nodos y 3480 919 elementos, con una calidad promedio de las unidades de 0,826 y una calidad ortogonal de 0,852. La calidad de la cuadrícula dividida por la cuña es buena.
Figura 7 Imagen en la nube de la deformación del cuerpo de la válvula.
Figura 8 División de malla de la cuña
En la cuña, se genera fricción entre su superficie de sellado y el cuerpo de la válvula, tanto en la entrada como en la salida del fluido. La fricción entre la cuña y el riel guía del cuerpo de la válvula, así como la superficie de sellado de ambos, no pueden actuar simultáneamente, por lo que solo se considera una de ellas en el cálculo; este último resultado se utiliza en este caso. Dado que la gravedad de las piezas montadas en el vástago de la válvula es menor que la fuerza de sellado que actúa sobre la cuña, su valor es despreciable. Tras determinar las condiciones de contorno impuestas a la cuña, se resuelve el modelo de elementos finitos de la cuña, cuya imagen de nube de deformación se muestra en la Figura 9.
Figura 9 Imagen de la nube de deformación de la cuña
4.4 Discusión sobre los resultados del análisis de elementos finitos
Según la imagen de la nube de deformación del cuerpo de la válvula, la tendencia de deformación de la superficie de sellado es que la deformación inferior es la más pequeña y aumenta gradualmente a lo largo de la superficie. La deformación máxima en la superficie de sellado es de 0,363 mm, la mínima de aproximadamente 0,030 mm y la central de aproximadamente 0,134 mm. Los resultados del cálculo de elementos finitos se ajustan a las condiciones reales de funcionamiento del cuerpo de la válvula. Cuando la deformación en la superficie de sellado es superior a 0,001 DN, la válvula presentará fugas debido a una deformación excesiva, ya que la deformación máxima de la superficie de sellado es inferior a 0,001 DN. Por lo tanto, el diseño estructural del cuerpo de la válvula es razonable.
Al observar la imagen de la nube de deformación de la cuña y analizar la deformación del cuerpo de la válvula, se observa que la deformación en la superficie de sellado de la cuña es mayor que la del cuerpo de la válvula. Los resultados del análisis permiten verificar que la ligera deformación generada por la ranura elástica de la placa en forma de cuña compensa la separación entre el asiento de la válvula y la desviación de fabricación, de modo que la superficie de sellado de la cuña y el asiento de la válvula coincida perfectamente.
5.Conclusión
La válvula de compuerta de cuña de gran diámetro DN1200 se ha seleccionado como objeto de investigación en este artículo. Se explica su estructura y principio de funcionamiento, y se diseñan el cuerpo de la válvula y las partes principales de la placa de la válvula, incluyendo la estructura de la cavidad central en el cuerpo de la válvula, la distribución de las nervaduras de refuerzo, el espesor de las placas de la válvula y las relaciones elásticas, así como la comprobación de la resistencia y la deformación del cuerpo de la válvula y la cuña. Los resultados demuestran que el diseño de este artículo cumple plenamente con la resistencia requerida.
