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引見(jiàn)了抽水蓄能機(jī)組用球閥整體水壓實(shí)驗(yàn)工具的整體請(qǐng)求和構(gòu)造特性。大型球閥做高水壓實(shí)驗(yàn)的工具構(gòu)造為球形悶頭，設(shè)計(jì)的水壓實(shí)驗(yàn)壓力為11.25MPa的悶頭，經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算保證了水壓實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度和剛性，滿足了電機(jī)公司抽水蓄能機(jī)組大型球閥做水壓實(shí)驗(yàn)的請(qǐng)求，為工具設(shè)計(jì)人員提供一定的參考和自創(chuàng)。

引言

球閥水壓試驗(yàn)工具要求強(qiáng)度高、剛性好，并可反復(fù)使用。一般情況下電機(jī)公司生產(chǎn)、制造的球閥試驗(yàn)壓力通常在3.48～9.8MPa范圍內(nèi)，屬于中壓范圍，設(shè)計(jì)、制造按常規(guī)結(jié)構(gòu)，工具結(jié)構(gòu)有整體鑄鋼結(jié)構(gòu)，有鋼板成型、焊接結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。但厄瓜多爾CCS球閥水壓試驗(yàn)壓力為11.25MPa，采用鑄造方式，不僅鑄造難度大，且易產(chǎn)生鑄造缺陷，因此，整體鑄鋼結(jié)構(gòu)不適合，采取鋼板成型、焊接結(jié)構(gòu)

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為最佳設(shè)計(jì)方案。水壓試驗(yàn)工具對(duì)鋼板成型與焊接要求較高，鋼板成型不允許有缺陷，焊縫、焊角需經(jīng)探傷合格，制造難度較大。電機(jī)公司生產(chǎn)、制造的焊接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)悶頭常規(guī)結(jié)構(gòu)為球冠、過(guò)渡錐板、圓筒焊接，對(duì)于球閥尺寸不大或試驗(yàn)壓力不高者均能滿足使用要求。對(duì)于高水壓試驗(yàn)悶頭，此種結(jié)構(gòu)在圓筒與法蘭連接處應(yīng)力較大，已經(jīng)超過(guò)了材料的屈服應(yīng)力，無(wú)法滿足球閥打壓試驗(yàn)要求。經(jīng)有限元強(qiáng)度計(jì)算，優(yōu)選出方案為，在圓筒與法蘭連接處增加一段加厚的過(guò)渡圓筒。該過(guò)渡圓筒的形狀有利于減少法蘭與圓筒焊接處的應(yīng)力集中，使工具悶頭的整體受力均勻，強(qiáng)度和剛性得到極大提升，滿足了球閥打水壓試驗(yàn)要求。

根據(jù)厄瓜多爾CCS球閥水壓試驗(yàn)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的水壓試驗(yàn)工具主要由2個(gè)悶頭組成，1個(gè)悶頭不帶法蘭，1個(gè)悶頭帶法蘭。按整體結(jié)構(gòu)受力最好的情況，不帶法蘭悶頭結(jié)構(gòu)為球冠、過(guò)渡錐板、圓筒焊接，由于應(yīng)力集中在圓筒與過(guò)渡錐板接合部，因此，圓筒與過(guò)渡錐板接合部焊接20個(gè)25mm厚筋板，此悶頭焊于球閥上游連接管上。帶法蘭悶頭與不帶法蘭悶頭相似，但帶法蘭悶頭受力情況更加復(fù)雜，圓筒與法蘭連接處應(yīng)力最大，因此，此處要增加200mm高、壁厚100mm的過(guò)渡圓筒，且圓筒與過(guò)渡錐板接合部焊接的20個(gè)筋板加厚到40mm，長(zhǎng)度超過(guò)圓筒，延伸到過(guò)渡圓筒高度一半，確保悶頭整體受力最好，滿足產(chǎn)品球閥打壓試驗(yàn)要求。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 不帶法蘭悶頭的設(shè)計(jì)

經(jīng)初步計(jì)算，設(shè)計(jì)不帶法蘭悶頭的球冠半徑為SR1100mm，板厚50mm，材料16MnR，過(guò)渡錐板同為50mm厚16MnR鋼板，圓筒處受力較大，選取60mm厚16MnR鋼板。此種狀態(tài)下，應(yīng)力集中在圓筒與過(guò)渡錐板接合部，因此，圓筒與過(guò)渡錐板接合部焊接20個(gè)25mm厚筋板，如圖1所示。

圖1 無(wú)法蘭悶頭

1.2 帶法蘭悶頭的設(shè)計(jì)

帶法蘭悶頭與不帶法蘭悶頭相似，但帶法蘭悶頭受力情況更加復(fù)雜，圓筒與法蘭連接處受力更大，常規(guī)結(jié)構(gòu)的悶頭無(wú)法滿足打壓試驗(yàn)要求，若增加法蘭厚度、增加圓筒厚度，且增加筋板數(shù)量，則其他部件受力變差，不但工具質(zhì)量增加很多，而且選材困難，制造也更加困難。因此，經(jīng)過(guò)有限元強(qiáng)度計(jì)算后，最佳方案為：在圓筒與法蘭之間增加200mm高、壁厚100mm的過(guò)渡圓筒，過(guò)渡圓筒的形狀要有利于悶頭的整體受力，且圓筒與過(guò)渡錐板接合部焊接的20個(gè)筋板加厚到40mm，長(zhǎng)度超過(guò)圓筒，延伸到過(guò)渡圓筒高度一半，此時(shí)悶頭整體受力最好，既減少了材料使用、同時(shí)降低了工具制造難度，節(jié)約工具制造成本，滿足產(chǎn)品球閥打壓試驗(yàn)要求，如圖2、圖3所示。

圖2 帶法蘭悶頭

圖3 過(guò)渡圓筒

2 水壓試驗(yàn)工具的強(qiáng)度計(jì)算

悶頭設(shè)計(jì)完成后采用大型有限元法分析程序ANSYS對(duì)球閥打壓工具剛強(qiáng)度進(jìn)行了分析計(jì)算，目的是為了檢驗(yàn)球閥打壓工具的剛強(qiáng)度性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，材料特性見(jiàn)表1。

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表1 材料特性表

根據(jù)表1的材料特性，考慮到結(jié)構(gòu)與載荷的周期對(duì)稱(chēng)性，選取結(jié)構(gòu)的1/20部分作為計(jì)算模型，采用塊體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。在悶頭模型對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束；在與球閥部分連接處施加對(duì)稱(chēng)約束；在悶頭過(guò)水處施加水壓力11.25MPa。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，相關(guān)變形情況見(jiàn)表2。

表2 悶頭應(yīng)力、變形情況表

圖4 無(wú)法蘭悶頭

圖5 帶法蘭悶頭

結(jié)果表明：悶頭應(yīng)力和變形結(jié)果滿足許用要求。

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3 結(jié)語(yǔ)

該水壓試驗(yàn)工具己投入了使用，厄瓜多爾項(xiàng)目機(jī)組共8臺(tái)份，悶頭可反復(fù)使用，完全滿足CCS球閥水壓試驗(yàn)要求，操作方便安全可靠。據(jù)電機(jī)公司水電分廠反映，該工具十分好用，無(wú)論從裝配到拆卸均十分方便，工具變形小，可反復(fù)使用，節(jié)省了大量制造成本，比電機(jī)公司傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)好，為我公司高水壓試驗(yàn)工具的設(shè)計(jì)、制造及使用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。