阀门手轮应力模拟分析

韩 伟

（中核辽宁核电有限公司，辽宁兴城 125100）

0 引言

随着社会科学技术的发展，无论是在工业、农业、建筑业、服务业还是人们的日常生活中，也不管系统介质是液体还是气体，阀门已成为人们生活工作中不可缺少的机械产品。在中、小规格的阀门中以及在电动、气动或液动驱动机构中均有所应用，当然手动阀中更是必不可少的，在操作阀门过程中，利用手轮产生转矩，来实现对阀门的开启、关闭或调节的目的[1]。

1 手轮结构

阀门上的手轮一般通过铸造加工而成，主要包括手轮外圆、轮辐、阀杆或阀杆螺母安装座及摇把4 个部分（有些手轮无摇把）。其中，轮辐在操作手轮过程中起到至关重要的作用，作为主要的传力件，将施加的转矩传递到阀杆或阀杆螺母安装座，再通过键传给其他零部件，所以在实际工程中，一般会根据阀门类型、尺寸及结构等设计手轮中轮辐的数量（常见的是3 个和5个）。当然，轮辐的具体结构应视实际情况而定。

2 模型的建立及处理

SolidWorks SimulationXpress 是一种应力分析工具，当特定材料的零部件或组合而成的装配体在确定部位受到具体的承重载荷（力或压力）时，可以模拟分析出其各个部位的应力分布情况及位移变化[2]。手轮建模主要是阀杆或阀杆螺母的安装座和手轮外圆由其截面围绕其中心线旋转一周而成，轮辐由手轮外圆内侧的截面轮廓和阀杆或阀杆螺母安装座外侧截面轮廓通过放样命令连接而成，其中开始与结束约束均为垂直于轮廓，完成的手轮模型如图1 所示。通过SolidWorks SimulationXpress 工具对模型进行处理，手轮材料为可锻铸铁，固定阀杆或阀杆螺母安装座孔的4 个面，通过摇把孔施加作用力300 N，方向为摇把孔切线方向，网格器为标准网格，网格类型为实体网格，网格品质高，节点总数88 192，单元大小2.13 mm，单元总数56 829，公差0.11 mm，最大高宽比例为34.68，模型处理完后进行运行模拟分析。

图1 手轮三维模型示意

3 应力分析

局部细化法是进行应力分析的常用方法，在模拟结构应力分析上具有较高的准确性。局部细化法是将整个模拟区划分为多个网格形式，对应力梯度变化较大的单元或区域进行加密[3]。经运行模拟计算后得到手轮应力分布情况如图2 所示，从图中可以看出，手轮上出现的最大应力点位于摇把安装孔所在的手轮外圆与轮辐的结合处，并从阀杆或阀杆螺母的安装座与轮辐结合处沿着轮辐逐渐减小。应力最大点出现在摇把安装孔所在的手轮外圆与轮辐交界相贯线在垂直方向的中间，由此最大应力处沿相贯线逐渐减小，且在手轮上、下两个面处应力最小。

图2 阀门手轮应力分布图

在实际工作中，阀门上的手轮经常出现损坏、断裂等现象，且断裂处与图2 中显示应力最大处相符合（图3）。

4 位移分析

运行模拟分析后的位移情况如图4 所示，最大位移点位于摇把安装孔所在手轮外圆外侧，并由此向手轮外圆内侧逐渐减小，沿手轮外圆由摇把安装孔向两侧逐渐减小，手轮外圆上与摇把安装孔正对处位移量最小，并从手轮外圆沿着轮辐向阀杆或阀杆螺母安装座逐渐减小。即越靠近中心处位移量越小。摇把安装孔处位移量最大，也是最容易发生损坏或断裂的地方，尤其是手轮外圆与轮辐的结合处，此处承受的转矩最大，发生损坏的概率也越大。

5 安全系数分析

图3 阀门手轮应力局部放大图

图4 阀门手轮位移分布图

SolidWorks SimulationXpress 使用最大等量应力标准来计算安全系数分布。屈服强度是材料的力学属性，某一点安全系数的计算是屈服强度除以该点的等量应力（von Mises 应力）[2]。在安全系数计算结果中，当模型某处的安全系数小于1 时，会呈现红色，表示该位置的材料已屈服，设计存在安全隐患；当模型某处的安全系数大于1 时，会显示为蓝色，表示此处材料未屈服；当某处的安全系数等于1 时，表示该处材料刚达到屈服强度。从阀门手轮安全系数分布图来看，手轮显示为蓝色，表示该手轮设计较为合理，任何部位安全系数均大于1，均未达到材料的屈服强度，不存在安全隐患。

6 结论

通过对阀门手轮进行应力分析可以得出，当通过手轮操作阀门时，手轮上出现的最大应力点位于摇把安装孔所在的手轮外圆与轮辐的结合处，并从阀杆或阀杆螺母的安装座与轮辐结合处沿着轮辐逐渐减小。最大位移点位于摇把安装孔所在手轮外圆外侧，并由此向外圆内侧逐渐减小，沿手轮外圆由摇把安装孔向两侧逐渐减小，手轮外圆上与摇把安装孔正对处位移量最小，并从外圆沿着轮辐向阀杆或阀杆螺母安装座逐渐减小。