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硬密封球阀密封性能分析及优化

硬密封球阀密封性能分析及优化

作者：张云杰兰州理工大学

学位级别：硕士

球阀主要用于管道系统中来分配、切断和改变介质流向。近年来,由于球阀的结构比较简单、密封性能好,在公称尺寸一样时,通过与其它阀门对比球阀所占据的体积小、质量轻、材料的损耗最小以及低扭矩、大流量的特点而被迅速发展。在阀门性... 详细信息

球阀主要用于管道系统中来分配、切断和改变介质流向。近年来,由于球阀的结构比较简单、密封性能好,在公称尺寸一样时,通过与其它阀门对比球阀所占据的体积小、质量轻、材料的损耗最小以及低扭矩、大流量的特点而被迅速发展。在阀门性能指标中密封性能尤其重要。对于固定硬密封球阀,其密封原理是球体的表面与阀座形成密封表面,从而使管道中的介质不能通过密封表面的密封状态。密封表面的密封效果取决于密封表面的质量、密封表面的宽度、密封表面的内外压力差、密封表面的比压、密封表面的材料、流体介质的性质、封表面上是否存在油脂等影响。在实际工况下球阀正常工作时,由于介质流体的压力和温度变化的影响,可能会发生不同程度的变形。如果变形的位置出现在密封表面,并且变形破坏了密封的必要条件,则密封将失效。对于硬密封球阀在使用过程中的泄漏和失效问题,本课题以优化硬密封球阀密封性能为主线,选取影响密封性能的因素以优化球阀主密封结构密封间隙值为目标。所以,本课题主要做了以下工作:1.介绍硬密封球阀的研究背景及意义,详细阐述了硬密封球阀的发展趋势和国内外研究现状,概述了密封原理、接触问题及有限元分析、密封泄漏模型的研究。最后论述了本课题的主要工作内容。2.通过对硬密封固定球阀阀座进行受力分析计算密封表面所受密封力,进一步推算出密封所需必需比压、理想粗糙和光滑密封表面的密封比压。3.以KCM某O型硬密封固定球阀进口端为研究对象,根据其原始参数建立主密封结构三维模型,通过接触问题非线性算法与ANSYS Workbench软件相结合对硬密封球阀主密封结构进行静力学仿真。分析硬密封球阀阀体及阀座的受力变形情况,判断是否存在泄漏的风险。4.选取压力角、密封宽度以及D/D影响硬密封球阀密封性能的三个因素,采用均匀试验设计对影响硬密封球阀密封性能因素进行权重敏感分析,提出均匀试验设计和Biharmonic样条插值两种优化硬密封球阀密封性能的方案,分别建立模型并加载分析,以优化硬密封球阀主密封结构密封面间隙值为目标,并从中对比进行数值模拟验证,选出较优的一种方案。

关键词：硬密封球阀有限元分析均匀试验设计 Biharmonic样条插值密封面间隙值

硬密封球阀密封件PVD硬化处理与寿命试验研究

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硬密封球阀密封件PVD硬化处理与寿命试验研究

作者：黄盛东兰州理工大学

学位级别：硕士

硬密封球阀在传输液态介质和固液混合介质的管路系统中被广泛应用,当介质中有硬质颗粒的存在时会加速密封件(球体和阀座)的磨损和失效。为减小磨损和提高密封件的使用寿命,工程上常采用表面喷涂或喷焊等技术来增加球体表面硬度来达到此... 详细信息

硬密封球阀在传输液态介质和固液混合介质的管路系统中被广泛应用,当介质中有硬质颗粒的存在时会加速密封件(球体和阀座)的磨损和失效。为减小磨损和提高密封件的使用寿命,工程上常采用表面喷涂或喷焊等技术来增加球体表面硬度来达到此目的。氧—乙炔火焰喷焊是一种常用球体硬化工艺,能制备较厚涂层且涂层与基体能达到冶金结合。物理气相沉积(PVD)是一种适用于制备较薄涂层且对基体材料的力学性能影响很低的涂层技术。本论文结合现有喷焊工艺和PVD两种技术的优点,着重分析和研究在铬—镍奥氏体不锈钢(06Cr19Ni10)的球体上分别制备出CrN、Ni60、Ni60+CrN三种类型表面强化涂层,通过搭建的球阀静压寿命试验台,在模拟实际工况下,分别对三种类型球阀密封面涂层的耐磨性和使用寿命进行测试。通过PVD技术在不同氮气压力和不同工作偏压下制备的CrN涂层,经试验分析得出:随着氮气压力的增加,涂层的硬度先增加后减小,摩擦系数先降低后升高;随着工作偏压的增加,涂层的硬度先增加后减小,摩擦系数先降低后升高;当氮气压力为1.5Pa和工作偏压为-200V时,涂层具有较高的硬度和较低摩擦系数。对CrN、Ni60、Ni60+CrN三种涂层的厚度、硬度、圆度、涂层结合力、摩擦系数指标进行测试分析。结果表明:CrN能提高基体表面硬度和降低摩擦系数;Ni60过渡涂层对CrN硬度提升作用明显;Ni60+CrN复合涂层综合性能最佳;球体经PVD制备CrN涂层后圆度符合国家标准,是一种免二次加工的技术。搭建了一套球阀静压寿命试验台,能模拟实际工况下对球阀进行寿命测试。试验台包含高压启闭寿命试验和固液两相流启闭寿命试验两种功能。三种涂层在高压启闭寿命试验中,CrN处理后的球阀在启闭3400次后失效,且涂层大面积磨损。Ni60、Ni60+CrN处理后球阀通过5000次高压启闭寿命试验,涂层完好无磨损。后经固液两相流启闭寿命试验,Ni60+CrN复合涂层试验效果最好,启闭寿命达13000次,效果远远好于Ni60涂层的5000次。分析认为单一CrN涂层虽然硬度高于单一Ni60涂层,但涂层硬度与耐磨性不一定成正比,与基体材料硬度有关。在基体材料偏软的情况下,PVD制备的单一CrN涂层工艺不适合用于硬密封球阀。Ni60+CrN复合涂层工艺在硬密封球阀寿命试验中耐磨性能最好,使用寿命最长,是单一喷焊Ni60涂层使用寿命的1.8倍,是一种可行的硬密封球阀表面硬化处理工艺。

关键词：硬密封球阀密封面硬化 PVD Ni60+CrN复合涂层寿命测试

基于均匀试验设计的硬密封球阀密封面间隙优化

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液压与气动 2020年第4期44卷 160-163页

作者：张立强张云杰李梦科兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学温州泵阀工程研究院浙江温州325105

针对硬密封球阀的密封性能,应用均匀试验设计方法,对不同的压力角、密封宽度以及密封面平均直径与进口阀座套筒外径比值下的密封面间隙值利用二次多项式进行回归分析,得出影响密封面间隙值的显著性依次为压力角、密封宽度以及密封面平... 详细信息

针对硬密封球阀的密封性能,应用均匀试验设计方法,对不同的压力角、密封宽度以及密封面平均直径与进口阀座套筒外径比值下的密封面间隙值利用二次多项式进行回归分析,得出影响密封面间隙值的显著性依次为压力角、密封宽度以及密封面平均直径与进口阀座套筒外径比值。多变量寻优得到当压力角为44°、密封宽度为6.30 mm、密封面平均直径与进口阀座套筒外径比值为0.86时,硬密封固定球球阀密封面间隙值最大为0.0077 mm,优化效果明显。

关键词：硬密封球阀均匀试验设计回归分析多变量寻优

WC基硬质合金的性能及其在硬密封球阀的应用研究

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WC基硬质合金的性能及其在硬密封球阀的应用研究

作者：吴逸涵兰州理工大学

学位级别：硕士

球阀作为截止阀的一种,除了应用于一般的工业管道,在西气东输、煤制油工程、宇航工业上也发挥着重要的作用。目前硬密封球阀存在腐蚀、强磨损而造成使用寿命过短问题,因此延长球阀的使用寿命已成为当下的研究热点。本文将WC基硬质合金... 详细信息

球阀作为截止阀的一种,除了应用于一般的工业管道,在西气东输、煤制油工程、宇航工业上也发挥着重要的作用。目前硬密封球阀存在腐蚀、强磨损而造成使用寿命过短问题,因此延长球阀的使用寿命已成为当下的研究热点。本文将WC基硬质合金用于球阀的球体和阀座,并对其在实际工况下的使用做了初步探究。本文采用低压烧结技术制备四种成分的WC基硬质合金,并且合金中采用了Co基和Ni基两种粘结剂。合金中WC的含量分别为84%,88%,90%和92%,对应的Co基粘结相的含量分别为14%和10%,Ni基粘结相的含量分别为8%和6%。运用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、X线衍射(XRD)等研究合金组织结构和物相组成,利用显微硬度计测量合金的硬度,万能电子试验机测定其抗弯强度,利用表面综合性能测试仪测定合金的耐磨损性能,利用电化学工作站测定的耐腐蚀性能,对合金制成的球体和阀座进行了开关实验测定其使用寿命,分析实验结果,可以得出如下结论。(1)低压烧结出组织纯净的纳米级WC基硬质合金,合金晶粒尺寸随WC含量的上升而增大。合金的硬度随着WC含量的增加而增大,抗弯强度则与WC的含量无关。(2)随着WC的含量升高,合金的耐磨损性能加强。低载荷下,合金几乎不发生磨损;中载荷下,合金的磨损机理是磨粒磨损;高载荷下,合金主要磨损机制为粘着磨损。(3)常温条件下,WC-6Ni和WC-14Co满足耐磨球阀的需求,因而投入生产并用于球阀的阀座和角阀内部。低温条件下,温度从20℃降到-110℃,WC基硬质合金的硬度有轻微上升,然而在-196℃时硬度大幅下降,因而合金不适用于超低温下的工况。(4)在酸性介质中合金的耐腐蚀性能为:WC-14Co

关键词：硬密封球阀耐磨耐蚀性能低压烧结 WC基硬质合金

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硬密封球阀故障分析及解决方案探讨

许昌学院学报 2014年第2期33卷 51-53页

作者：于洋驻马店职业技术学院河南驻马店463000

从硬密封球阀的常见故障分析为基本,将硬密封球阀常见故障分成技术类以及非技术类故障.对造成两种类型故障的各种原因进行分析,并根据使用中出现的实际问题,提出了预防和解决各类硬密封球阀故障的方法.

关键词：硬密封球阀故障工况密封力

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高温硬密封球阀密封结构研究

阀门 2009年第4期 31-33页

作者：刘扬刘汇源合肥通用机械研究院安徽合肥230031

介绍了高温硬密封球阀的密封特点,分析了各种硬密封球阀的阀座结构形式及密封原理,提出了硬密封结构的改进方法。

关键词：硬密封球阀密封结构

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浅析耐高温硬密封球阀的设计

江西建材 2014年第2期 42-43页

作者：李照四川飞球(集团)有限责任公司四川自贡643000

浅析耐高温球阀的基本结构的设计以及各零部件材料的选用情况。

关键词：高温硬密封球阀材料结构

基于Workbench的硬密封球阀球体与阀杆接触部位优化设计

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煤矿机械 2015年第11期36卷 299-301页

作者：唐元清辛舟焦伦龄兰州理工大学机电工程学院兰州730050 兰州理工大学温州研究生分院浙江温州325105 方正阀门集团有限公司浙江温州325102

采用理论计算与ANSYS Workbench软件分析结合的方式,提出一种新的球体与阀杆接触的设计方案,并对其进行静力学分析与结构优化设计,确定主要尺寸对接触部位应力的影响。分析结果表明,在总体结构基本不变的情况下,采用新的设计方案可增加... 详细信息

采用理论计算与ANSYS Workbench软件分析结合的方式,提出一种新的球体与阀杆接触的设计方案,并对其进行静力学分析与结构优化设计,确定主要尺寸对接触部位应力的影响。分析结果表明,在总体结构基本不变的情况下,采用新的设计方案可增加26%的球体与阀杆有效接触面积,最大可减少65%的最大挤压应力,优化效果明显。

关键词：硬密封球阀阀杆优化设计参数化设计

HVOF制备的WC-10Co4Cr涂层性能及其在硬密封球阀上的应用

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煤化工 2018年第4期46卷 64-68页

作者：邱晓来王汉洲黄明金刘宝王群超达阀门集团股份有限公司浙江温州325105 湖南大学湖南长沙410082

为提高金属硬密封球阀的抗磨损和耐腐蚀性能,采用超音速火焰喷涂(HVOF)工艺,在1Cr13不锈钢钢基体上制备了WC-10Co4Cr涂层。测试了涂层与基体的结合强度以及涂层的显微硬度、气孔率、抗磨损和腐蚀等性能。结果表明:WC-10Co4Cr涂层与粉末... 详细信息

为提高金属硬密封球阀的抗磨损和耐腐蚀性能,采用超音速火焰喷涂(HVOF)工艺,在1Cr13不锈钢钢基体上制备了WC-10Co4Cr涂层。测试了涂层与基体的结合强度以及涂层的显微硬度、气孔率、抗磨损和腐蚀等性能。结果表明:WC-10Co4Cr涂层与粉末的相结构基本一致,涂层的显微硬度高,组织结构致密且与基体的结合强度高;另外,WC-10Co4Cr涂层还表现出较好的抗腐蚀性能和优异的抗磨粒磨损性能。生产实践表明,这些球阀密封性能好,开关灵活且耐磨和耐腐蚀性能良好。

关键词：超音速火焰喷涂硬密封球阀 WC-10Co4Cr涂层显微硬度气孔率磨粒磨损腐蚀