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设计原理之球阀阀杆的疲劳
1、概述：
在煤化工和多晶硅等生产系统的管线中，压力高，且交互变化，阀门开启次数频繁，需要长时间多次循环启闭运行。阀门全行程快速开关时间迅速，容易造成阀门的失效，对阀门的各项性能提出了严峻的考验。常规静载下测定的屈服强度设计原则不能作为唯一的强度指标，有必要考虑相关的疲劳设计原则。本文以球阀阀杆为例探讨疲劳分析设计方法。
2、分析：
在交变压力作用下，即使零部件应力低于屈服强度，但长期反复作用后，也会发生突然断裂，即使是塑性较好的材料，在断裂前也没有明显的塑性变形，该现象即为疲劳失效。
金属结构不会因为应力交变而发生变化。从微观组织结构分析，在足够大的交变应力下，金属中位置最不利或最弱的晶体，沿最大剪应力方向形成滑移带。滑移带开裂形成微观裂纹，在构件外形突变( 圆角、切口、沟槽) 或表面切痕或者材料内部不均匀性及其缺陷部位，也会由于较大的应力集中引起微观裂纹。分散的微观裂纹经过集聚，形成宏观裂纹。已经形成的宏观裂纹在交变应力作用逐渐扩展，随应力水平的高低时而持续时而停滞，此即为裂纹的扩展过程。即使该过程是缓慢的，并且是不连续的，但随着裂纹的扩展，构件表面逐渐削弱，削弱到一定极限，部件便突然断裂。很多零部件损坏是由于疲劳失效引起的。当构件应力不超过某一极限值，承受的循环次数可以无限增加，即构件可以经历无限次循环而不出现疲劳，该交变应力的极限值即为疲劳极限或持久极限。
3、结构改进：
为了有效提高阀杆的疲劳强度，改进了阀杆结构.
(1)完全避免常规键槽机构、孔、缺口和轴肩，阀杆端部连接改用光滑的矩形结构，轴肩过渡部位采用尽量大的圆角过渡，加工过渡处设置减荷槽和退力槽，有效降低应力集中，提高阀杆疲劳强度。
(2)提高阀杆表面质量，阀杆的最大应力发生于表层，疲劳裂纹也经常在表层发生，加工过程中杜绝表面加工的刀痕和擦伤等，防止应力集中降低疲劳极限。采用高强度沉淀硬化不锈钢，表面喷涂高硬度硬质合金后再磨削加工，硬度达60HRC，再进一步利用专用设备，机械滚压形成高质量的表面加工， 表面粗糙度达Ra0. 4μm，还使表层形成预压应力，减弱容易引起裂纹的工作拉应力，保证充分发挥高强度的性能，显著提高构件的疲劳极限。
(3)在阀杆两端设置两处支撑轴承，减小阀杆径向摆动，减轻非平衡载荷，有效提高阀杆运行稳定性，保证阀杆长周期运行。
(4)阶梯形阀杆，大头端置于阀体内腔，小头端伸出阀体外部，一旦阀杆发生破坏，危险截面位于阀体外，为系统提供安全保障。
在煤化工和多晶硅等生产系统的管线中，压力高，且交互变化，阀门开启次数频繁，需要长时间多次循环启闭运行。阀门全行程快速开关时间迅速，容易造成阀门的失效，对阀门的各项性能提出了严峻的考验。常规静载下测定的屈服强度设计原则不能作为唯一的强度指标，有必要考虑相关的疲劳设计原则。本文以球阀阀杆为例探讨疲劳分析设计方法。
2、分析：
在交变压力作用下，即使零部件应力低于屈服强度，但长期反复作用后，也会发生突然断裂，即使是塑性较好的材料，在断裂前也没有明显的塑性变形，该现象即为疲劳失效。
金属结构不会因为应力交变而发生变化。从微观组织结构分析，在足够大的交变应力下，金属中位置最不利或最弱的晶体，沿最大剪应力方向形成滑移带。滑移带开裂形成微观裂纹，在构件外形突变( 圆角、切口、沟槽) 或表面切痕或者材料内部不均匀性及其缺陷部位，也会由于较大的应力集中引起微观裂纹。分散的微观裂纹经过集聚，形成宏观裂纹。已经形成的宏观裂纹在交变应力作用逐渐扩展，随应力水平的高低时而持续时而停滞，此即为裂纹的扩展过程。即使该过程是缓慢的，并且是不连续的，但随着裂纹的扩展，构件表面逐渐削弱，削弱到一定极限，部件便突然断裂。很多零部件损坏是由于疲劳失效引起的。当构件应力不超过某一极限值，承受的循环次数可以无限增加，即构件可以经历无限次循环而不出现疲劳，该交变应力的极限值即为疲劳极限或持久极限。
3、结构改进：
为了有效提高阀杆的疲劳强度，改进了阀杆结构.
(1)完全避免常规键槽机构、孔、缺口和轴肩，阀杆端部连接改用光滑的矩形结构，轴肩过渡部位采用尽量大的圆角过渡，加工过渡处设置减荷槽和退力槽，有效降低应力集中，提高阀杆疲劳强度。
(2)提高阀杆表面质量，阀杆的最大应力发生于表层，疲劳裂纹也经常在表层发生，加工过程中杜绝表面加工的刀痕和擦伤等，防止应力集中降低疲劳极限。采用高强度沉淀硬化不锈钢，表面喷涂高硬度硬质合金后再磨削加工，硬度达60HRC，再进一步利用专用设备，机械滚压形成高质量的表面加工， 表面粗糙度达Ra0. 4μm，还使表层形成预压应力，减弱容易引起裂纹的工作拉应力，保证充分发挥高强度的性能，显著提高构件的疲劳极限。
(3)在阀杆两端设置两处支撑轴承，减小阀杆径向摆动，减轻非平衡载荷，有效提高阀杆运行稳定性，保证阀杆长周期运行。
(4)阶梯形阀杆，大头端置于阀体内腔，小头端伸出阀体外部，一旦阀杆发生破坏，危险截面位于阀体外，为系统提供安全保障。
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