摘 要：對于高水頭水輪機(jī)的進(jìn)水球閥，在各種運(yùn)行工況下的安全性和球閥使用時的可靠性對于整個機(jī)組有決定性的影響。因此，球閥的各個部件必須要計(jì)算的足夠精準(zhǔn)，球閥密封環(huán)和密封座的變形要計(jì)算的足夠準(zhǔn)確，才能夠幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：球閥；密封；有限元

1 模型描述

根據(jù)常用的高水頭球閥的結(jié)構(gòu)形式，建立其三維實(shí)體模型，模型包括球閥閥體、活門、上下連接管及其連接螺栓、檢修密封環(huán)和工作密封環(huán)。在有限元前處理軟件hypermesh中進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，在該有限元模型中共包括節(jié)點(diǎn)723055個，單元911557個，有限元模型的各個部件均采用六面體單元進(jìn)行劃分，只有球閥活門遠(yuǎn)離樞軸位置采用四面體單元。各部件之間按照工作關(guān)系建立接觸行為。密封環(huán)周圍由于有密封，密封環(huán)和連接環(huán)及閥體之間采用無摩擦接觸進(jìn)行仿真。按照不同工況施加載荷和約束，模型中考慮到連接螺栓的預(yù)緊力，計(jì)算時考慮到球閥最大水壓和升壓水頭工況下密封環(huán)正常投入、活門全開時的最大水頭升壓水頭、檢修密封投入時球閥受到最大水壓。

球閥整體分析計(jì)算屬于大型裝配結(jié)構(gòu)的有限元仿真，存在以下幾個問題：（1）由于部件尺度差別大，有限元仿真模型的網(wǎng)格質(zhì)量要求比較高，同時，網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多，計(jì)算時將耗費(fèi)時間，計(jì)算成本較高；（2）模型中接觸行為較多，而且，有幾個單獨(dú)部件屬于懸空狀態(tài)，因此，模型的收斂性很差，需要多次進(jìn)行模型調(diào)整才可以保證計(jì)算順利；（3）對于計(jì)算出來的結(jié)果，必須進(jìn)行準(zhǔn)確性的判斷，同時，也要調(diào)整模型，使得網(wǎng)格和有限元模型的差別引起計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差的量最小。（4）計(jì)算結(jié)果的評價標(biāo)準(zhǔn)的判別。

2 有限元計(jì)算結(jié)果

在正常的工作密封投入，機(jī)組受到最大水頭工況作用時，球閥的內(nèi)部相對應(yīng)位置將受到水壓力作用；密封環(huán)受到密封壓力的作用，激活密封環(huán)與密封座之間的接觸行為。在下連接管位置施加軸向約束，球閥閥體地腳位置施加數(shù)值方向的約束，機(jī)組的截面施加對稱約束，進(jìn)行有限元計(jì)算。

2.1 球閥計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，球閥最大變形是活門由于水壓造成的，最大的軸向變形量為1.86mm。

2.2 密封環(huán)計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，在正常的工作密封投入，機(jī)組受到最大水頭工況作用時，密封環(huán)的最大綜合應(yīng)力為139MPa。主要是由于密封座與密封環(huán)接觸產(chǎn)生的接觸擠壓應(yīng)力。

經(jīng)過計(jì)算，密封環(huán)受到的密封接觸壓力為176.8MPa，也就是說明，在密封環(huán)與密封座相接觸的位置，存在一個接觸區(qū)域，該區(qū)域的最大接觸壓力為176.8MPa，密封環(huán)的剛度設(shè)計(jì)可以滿足球閥在關(guān)閉時，能夠具有良好的封水性能。

沿著路徑，考察密封環(huán)的接觸狀態(tài)。密封面接觸壓力為106MPa到172MPa之間；在水壓力的作用下，密封環(huán)的密封面的軸向相對變形在1.08mm到0.65mm之間。如果密封座的變形超過這些值，那么說明密封效果會產(chǎn)生失效的可能。

經(jīng)過計(jì)算，取出密封環(huán)的密封面橫截面，考察接觸壓力沿著密封面法向的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)有接觸壓力的范圍為35mm～57mm，也就是接觸面的寬度有22mm以上。

2.3 活門計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，在封水工況時，球閥活門的最大軸向絕對變形為1.86mm。

經(jīng)過計(jì)算，樞軸根部的最大綜合應(yīng)力為272.0MPa。應(yīng)力水平很高，在球閥的設(shè)計(jì)時，還要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，來降低其關(guān)鍵部位的強(qiáng)度水平。

去除掉樞軸，活門本體的最大綜合應(yīng)力為91.0MPa。相對材料來說，應(yīng)力水平較低，活門本身滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)束語

通過對實(shí)例球閥的計(jì)算研究，找到了一個新的球閥計(jì)算方法，該方法基于大型非線性有限元軟件的仿真計(jì)算，利用豐富的接觸選項(xiàng)和非線性計(jì)算特點(diǎn)，成功的一次性進(jìn)行球閥整體模型的求解。成功的得到了常規(guī)關(guān)心的閥體、活門及樞軸、連接管、連接螺栓等部件的強(qiáng)度和變形分析結(jié)果，而且得到了球閥密封效果的決定性因素：密封環(huán)和密封座的變形以及相互之間的接觸應(yīng)力分布情況、有效的接觸面積，為以后的高水頭球閥設(shè)計(jì)和優(yōu)化打下很好的研究基礎(chǔ)。