安全阀阀瓣研磨修复运动轨迹的研究

邓俊秀,朱海清,陆顺峰

(江南大学，江苏无锡 214122)

应用技术

安全阀阀瓣研磨修复运动轨迹的研究

邓俊秀,朱海清,陆顺峰

(江南大学，江苏无锡 214122)

研磨轨迹与工件表面形貌特征密切相关，为了找出影响工件研磨轨迹的因素，建立磨粒运动数学模型,采用Matlab研究磨具中影响研磨轨迹的因素，得出偏心距e、转速比k及起始位置A对磨粒轨迹的形态变化具有不同程度的影响，这为工艺参数优选提供一定的理论基础。

研磨轨迹；形态变化；工艺参数

1 前言

安全阀是一种自动阀门，不借助任何外力而利用介质本身的力来排出一额定数量的介质，以防止系统内压力超过预定的安全值；当系统压力恢复正常后，再自行关闭并阻止介质继续流出[1]；通常安装在锅炉、压力容器、管道等承压设备中，作为承压设备中主要的安全附件之一，安全阀能否正常运行关系到人员和设备的安全[2～8]。当安全阀阀瓣密封面不能达到密封要求时，须对阀瓣密封面进行维修，根据所修理安全阀数量、密封面损伤程度等因素，通常选用手工研磨、机械研磨或手工与机械相结合的研磨方式[9]。

研磨轨迹即加工过程中工件与磨粒的相对运动轨迹。包含磨粒相对于工件的运动轨迹和工件相对于研磨盘的运动轨迹两个方面[10,11]。本文主要研究磨粒相对工件的运动轨迹，它是判断研磨工艺优劣的重要因素之一，综合考虑各项指标的影响,对研磨轨迹提出以下技术要求[12～14]:

(1)工件表面各点的瞬时速度和运动轨迹应相同,使工件表面受到均匀切削；

(2)工件运动遍及整个研磨盘表面,以保证研磨盘均匀磨损；

(3)研磨方向应多变,工件表面的切削条纹横纵交错,逐渐细化,避免研磨剂在同一个方向堆积而造成工件塌边。

研磨轨迹均匀性的提高有利于加工工件平面度的改善，而研磨轨迹取决于加工设备及运动参数。可采用运动分析计算磨粒相对于工件的运动轨迹[15]，评价工件研磨均匀性。

2 阀瓣与磨具的研磨作用机理

2.1 研磨工作原理

研磨盘由电机通过传动机构带动，以角速度ωp绕主轴旋转，研磨砂纸通过螺纹固定联接在研磨盘边缘上(研磨盘和砂纸简称磨具)，将工件置于磨具上，对工件与磨具的接触面进行加工。研磨压力通过重块自身重量来调节，阀瓣压在磨具上，并通过连杆机构限制工件只绕压重块中心做回转运动。最终，通过阀瓣相对磨具的速度差来实现磨具对阀瓣的维修加工，完成平面研磨。

图1 研磨加工原理示意

2.2 单颗磨粒受力分析

研磨过程实质是磨粒的切削刃和工件被加工表面相互磨削作用的过程。研磨后的工件表面的硬度通常都会提高,这表明研磨过后的加工表面将会产生具有一定厚度的变质层,且变质层的厚度跟作用于工件表层后的塑性变形有很大关系。因此,在研磨过程中,磨粒切削刃在与工件的综合作用下必然在工件表面发生一定范围的塑性变形，如图2所示。

图2 磨粒切屑刃和工件加工表面的相互作用示意

就单个磨粒的切削刃而言,其作用力F则是沿着接触弧面分布的,如图3所示。

图3 磨粒与工件间作用力分布

由于接触面存在摩擦力,故作用力呈不对称形式分布在接触弧面上,且向磨粒切削刃的运动方向倾斜。作用力F的分布函数为F(α),在dα区域内的微小单元力为：

dF=F(α)dα

(1)

单元力在法向方向的投影为：

dFn=dFcosα=F(α)cosαdα

(2)

单元力在切向上的投影为:

dFt=dFsinα=F(α)sinαdα

(3)

单个磨粒的切削刃作用于工件加工表面上的力为:

(4)

(5)

合力F为：

(6)

3 阀瓣与磨具之间相对运动分析

在研磨平面内，各自以磨具与阀瓣的回转中心O和O1为圆心建立如图4所示直角坐标系xOy和x1O1y1,则OO1距离等于偏心距e。设研磨盘上某一点A，欲求出A点的轨迹S1，即求A点于任一时刻在阀瓣坐标系中的坐标。选定A点，设OA的距离为rA，OA与x轴的夹角为θ，实际上，rA与θ是点A在坐标系xOy中的极坐标。

图4 阀瓣与磨具间运动分析

根据以上分析，点A在xOy中的坐标表示为：

(7)

假定阀瓣不动,经过t时间研磨后,A点的坐标是:

(8)

再考虑工件转动,经过t时间的研磨后,其转过的角度为ωwt，即坐标系x1O1y1中绕O1轴转过的角为ωwt,相当于工件(坐标系x1O1y1)不动,磨具(坐标系xOy绕01轴反向转过角ωwt,同时A点绕O轴旋转ωt角,结合图4可求解出:t时A点在坐标系O1x1y1中的坐标是:

(9)

式(9)表示A点相对工件的运动方程,即磨粒相对于阀瓣的运动轨迹，其路径表示为：

(10)

当rA=e时，式(10)可表示为：

(11)

式中rw——阀瓣坐标系中A点的向径k——磨具与阀瓣的转数比，当k取自然数时，即是“玫瑰线”方程

4 单颗磨粒运动轨迹仿真分析

采用Matlab软件研究磨粒运动轨迹的因素。取工件半径ro=46 mm,研磨压力F= 20 N,因为压力不在本文研究因素范畴内，故在给定相同压力下，探讨偏心距e、转速比k及A点起始位置对研磨磨粒运动轨迹的影响。

4.1 转速比的影响

对阀瓣运动方程(4)进行编程，取偏心距e=100 mm,为简化分析,选A点的初始位置在OO1的连线上,其坐标是(80,0)。当输入不同转速比k=ωp/ωw时,分别研究A点相对阀瓣中心坐标系x1O1y1的运动轨迹,仿真结果如图5所示。

(a) k=1

(b) k=10

(c)k=20

图5 不同整数转速比时磨粒的运动轨迹

由图5可以看出，阀瓣每旋转一周，A点的磨粒绕阀瓣穿越k次。转速比k决定磨粒的“花瓣”个数，当转速比k取值越大时，其磨粒运动越密集，均匀覆盖在整个研磨盘上。

4.2 偏心距的影响

取磨具转速ωp=30 r/min,A点的初始位置仍为(80,0)，当输入不同偏心距时,分别研究点A相对于阀瓣中心坐标系x1O1y1的运动轨迹,仿真结果如图6所示。由图6可以看出，偏心距e在0～80 mm内，随着e的增大，轨迹的“花心”变小，当e等于80 mm 时，“花心”消失，当e超过80 mm时，随着偏心距e的继续增大，磨粒轨迹分布逐渐变得不均匀。

(a)e=20mm (b)e=80mm (c)e=120mm

图6 不同偏心距下磨粒运动轨迹

4.3A点初始位置的影响

从式(10)可以看出,,研磨轨迹向径在坐标系x0y内的最大值与最小值分别为:

rw max=rA+e

(12)

rw min=|rA-e|

(13)

由式(12)可知,随着rA增大,研磨轨迹向径最大值也增大,由式(13)可以看出，磨粒研磨轨迹的最小向径与偏心距e有关。

取磨具转速ωp=30 r/min,偏心距e=100 mm，A点的初始位置不同时,分别研究点A相对于阀瓣中心坐标系x1O1y1的运动轨迹,仿真结果如图7所示。

(a) rA=10mm

(b) rA=100mm

(c)rA=150mm

图7 不同rA值时磨粒的运动轨迹

从图7可以看出,初始时刻点A距离O1点较远时，“花心”较大，当A距离阀瓣中心点O1越近时,研磨轨迹的“花心”就会越小,研磨轨迹分布较均匀；当rA为100mm时，“花心”消失。

5 结论

(1)阀瓣每旋转一周，A点的磨粒绕阀瓣穿越k次。转速比k决定磨粒研磨“花瓣”的个数，当转速比k取值越大时，其磨粒运动越密集，均匀覆盖在整个研磨盘上，有利于提高阀瓣接触面精度。

(2)在0～r范围内，随着偏心距e的增大，轨迹的“花心”越小，当e=r时，“花心”消失，当e超过r时，随着e继续增大，磨粒轨迹分布逐渐变得不均匀。因此，适当增大偏心距可提高加工表面质量。

(3)初始时刻点A远离O1时，“花心”较大，即研磨轨迹分布不均匀；当A距离阀瓣中心点O1越近时,研磨轨迹的“花心”就会越小,研磨轨迹分布较均匀；初始位置等于偏心距e时，“花心”消失。

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Study on the Grinding Process of Safe Valve Disc Trajectory

DENG Jun-xiu,ZHU Hai-qing,LU Shun-feng

(Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

The grinding track of abrasive tool is directly related to appearance characteristics.In order to find out the factors of influencing workpiece grinding trajectory,establishingthe mathematical model of abrasive particle motion,using Matlab software to research the factorsof affecting particle trajectories,it is concluded that eccentricity e,speed ratio K and the starting position Ahave influence of different levelto a morphological changes,whichprovides process parametersoptimization with certain theoretical basis.

grinding trajectory;morphological changes;process parameters

1005-0329(2017)03-0038-04

2016-07-04

2016-10-10

TH137；TG58

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.008

邓俊秀( 1990-) ，女，硕士研究生,主要从事安全阀研磨设备的设计与研究，E-mail:djxdream@163.com。

朱海清(1965-)，男，硕士，副教授，主要从事承压类设备安全阀维修与校验的研究，通讯地址：214122 江苏无锡市蠡湖大道1800号江南大学机械工程学院。