应用于液氨改性系统的集成阀设计

姜展飞，孟 婥，孙以泽

(东华大学 机械工程学院，上海 201620)

应用于液氨改性系统的集成阀设计

姜展飞，孟 婥，孙以泽

(东华大学 机械工程学院，上海 201620)

0 引言

随着人们生活品质的提高，亚麻制成的高档服装日益受到消费者的青睐，由于亚麻的固有属性，使得其需要经过液氨改性才能变得质地柔软[1]。由于亚麻纤维纱线晶变改性系统中承载液氨的管道众多，大量球阀的运用给日常维护和生产操作带来不便，更重要的是降低了系统的安全可靠性和技术保密性。为克服上述缺点，在本文中，首先基于实际生产条件建立理论模型，经计算提出了集成阀设计方案；而后用SolidWorks绘制了详细结构图；最后经ABAQUS有限元分析，验证了在实际工况下阀芯整体变形量在允许范围内。该设计使液氨改性系统中阀门数大幅减少，便于日常维护和生产操作，提高了系统的安全可靠性和技术保密性。

1 液氨集成阀的应用要求及理论计算

1.1 集成阀的应用要求

液氨改性过程如图1所示，在亚麻纤维改性生产过程中，注入液氨、浸氨和甩氨是很重要的工序[2]，目前采用电动球阀作为液氨处理罐和管道的连接控制开关，阀门数量多、安全可靠性低。

在液氨改性系统中，管道内部工况为：常温、外接管道直径为50毫米、管道内压强为2.5MPa，在该压强下液氨极易挥发，如密闭不好，泄露后会对人身造成很大危害。

图1 液氨改性过程

液氨介质管道大多使用灰铸铁，灰铸铁价格便宜但其适用的公称压力小于1.0MPa，使用温度不低于-10℃。而实际工况中液氨管道压强为2.5MPa，灰铸铁不能满足强度要求。所以改性系统中阀壳和阀套采用不锈钢材质，代号为0Cr18Ni9N，其中N元素防止塑性降低，提高钢的强度，改善耐点腐蚀、缝隙腐蚀和间隙腐蚀性能。

液氨具有腐蚀性，集成阀内部的阀芯作为容纳液氨的主要周界，需要有很强的耐腐蚀性；同时阀芯经常与周围阀体摩擦，还要求其具有很好的减磨性。哈氏合金具有很好的耐腐蚀性，其在农业化工、核设施、生物制药、化学等苛刻工业环境中被应用。

综上，阀芯选用哈氏合金，既满足了强度要求，具有一定的减磨特性，同时又有一定的抗腐蚀性。

1.2 集成阀的理论计算

基于实际工况，设集成阀阀芯内部轴向和径向应力分别为1σ和2σ，阀芯内部长度为L，内径为d，阀芯厚度为t，内部压强为P，忽略结构变形， 阀芯受力图如图2所示，有：

阀套和阀壳选取不锈钢，阀芯选用哈氏合金，哈氏合金00Ni70Mo28抗拉强度bσ=730MPa，为简化模型，材料强度都选取不锈钢强度，0Cr18Ni9N抗拉强度bσ=500MPa，为塑性材料，通常安全系数n=1.5-2.5[3]，这里取n=2，则许用抗拉强度为：

图2 阀芯受力示意图

说明工作压强在2.5MPa下，阀芯厚度为t=0.18的不锈钢即可满足安全系数为2的要求，因此确定不锈钢厚度为2mm。

2 集成阀的结构设计

2.1 集成阀的密封轴承

由集成阀的实际工况可知需要良好的密封性以保证液氨不泄露，所以集成阀和管道选择法兰连接方式，集成阀内部选择密封轴承，这样可以为内部结构提供转动支撑同时兼具密封作用，密封轴承示意图如图3所示。

2.2 集成阀的结构设计

集成阀剖面图和三维图由SoildWorks绘制[4]，如图4所示，主要由阀芯、阀套、阀壳、密封轴承等组成，底部通过支架连接底座，一个主管道与四个相隔90°的外部副管道法兰连接，阀壳、阀芯、阀套之间由密封轴承相连，起到良好的密封和转动支撑作用。

图3 密封轴承示意图

图4 集成阀剖面及三维图

2.3 集成阀工作状态分析

当集成阀处于工状态时，阀套和阀芯之间配合可以使主管道和ABCD四个副管道相连通或关断，其工作原理示意如图5所示。

图5 集成阀工作原理示意图

集成阀工作状态切换示意图如图6所示，6(a)为主管道和管道A连通，下一个生产步骤需要主管道和管道B连通，阀套保持静止，阀芯向管道B转动，此时主管道与管道A被关断，阀芯向管道B方向旋转90°后静止，如图6(b)所示；而后阀套沿相同方向转向管道B，阀芯上的阀口与阀套上的阀口重合时使主管道和管道B相连通，如图6(c)所示，新的工况更新完毕。如欲从连通状态调整到全部关断状态，即主管道与ABCD四个副管道均不连通，则只需使阀芯顺时针或逆时针旋转45°即可满足关断要求。

阀壳、阀芯、阀套之间由密封轴承相连，可以保证密封并提供良好的转动支撑。

3 集成阀阀芯的ABAQUS分析

ABAQUS是功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包含丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、高分子等材料[5]。作为通用的模拟工具，ABAQUS能完美模拟和解决大量结构、应力、位移等问题。

图6 集成阀工作状态切换示意图

本文中，集成阀的阀芯是直接接触主管道液氨介质的工件，所以主要对阀芯进行有限元分析，并将阀芯流体碗形输出口简化成圆柱结构，阀芯的ABAQUS网格划分如图7所示。

图7 阀芯的Abaqus网格划分

图8 阀芯应力模拟结果

全局采用自由网格，网格数31672，载荷2.5MPa，内压均匀分布，两端轴向位移约束，径向自由度不约束。经过ABAQUS有限元分析后，发现阀芯不同部分受到的应力最大为6.395Mpa，最小为1.717Mpa，应力模拟结果如图8所示。阀芯应变量很小，最大为3.381×10-5，最小为-5.312×10-5，应变模拟结果如图9所示。

图9 阀芯应变模拟结果

图10 阀芯位移模拟结果

在套筒处和液体流出口边缘处，应力最大，位移也是最大的，最大位移为0.02053mm，相比阀芯厚度2mm来说只有1.0265%，在实际运行情况下可以忽略，阀芯位移模拟结果如图10所示。

4 结束语

1)基于液氨改性系统的实际工况，建立理论模型，分析计算并确定了机构的基本设计尺寸，设计了集成阀的内部结构，使其满足液氨改性系统的生产要求。

2)运用ABAQUS有限元分析软件，对集成阀阀芯做了有限元分析，模拟了在实际工况下，阀芯各处的应力和应变量，得出了阀芯最大形变量约占阀壳厚度的1%左右，符合实际工况要求。

[1]赵兵,林红,陈宇岳.亚麻纤维改性研究进展[J].现代纺织技术, 2010(5):65-66.

[2]曹唯妙.棉麻纤维液氨改性成套装备自动送料系统设计[D].东华大学,2009.

[3]刘鸿文.材料力学第四版[M].高等教育出版社,2004.

[4]陈超祥,胡其登.SolidWorks零件与装配体教程[M].机械工业出版社,2012.

[5]石亦平,周玉蓉.Abaqus有限元分析实例讲解[M].机械工业出版社,2006.

Design of a integrated valve for liquid ammonia modification system

JIANG Zhan-fei, MENG Zhuo, SUN Yi-ze

液氨改性系统中含有大量管道，用于提供液氨流经的通路，同时管道中有大量阀门，改性过程需要阀门开启闭合次数较多，数量众多的阀门给安装、维护和生产操作带来不便，降低了系统的安全可靠性和技术保密性。在本文中，基于理论计算提出了应用于液氨改性系统的集成阀，设计了阀芯-阀套-阀壳结构，该阀实现了五种工况的切换；用ABAQUS有限元软件分析了阀芯在实际工作状态下的形变，验证了设计的可靠性。

液氨改性；集成阀；机构创新；ABAQUS有限元分析

姜展飞（1986 -），男，研究生，研究方向为智能检测与控制。

TH122

A

1009-0134(2014)06(上)-0141-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).40

2014-03-19

国家科技支撑计划（2012BAF13B03）；上海市优秀技术带头人计划（12XD1420300）