外镀层厚度对球体结构强度与刚度的影响分析,   高空升降车租赁, 佛山高空升降车出租, 佛山高空升降车价格    球体表面硬化处理工艺主要有：表面堆焊硬质合金、等离子氮化、表面镀硬铬、超音速喷涂等。采用表面镀硬铬工艺，镀层厚度一般为0.07~01mm，球体表面硬度可达到60~65HRC，球体表面长期保持光亮、硬度高、具有较好的耐腐蚀性和耐磨性，工艺简单、成本相对较低；采用表面堆焊硬质合金，硬度可达40HRC以上，此方法易使零件变形，工艺复杂效率低；采用等离子氮化工艺时，表面氮化层厚度可达0.2~0.4mm，硬度大约为60~65HRC，但氮化层的耐腐蚀性能较差，不适合在煤化工等强腐蚀领域使用；球体表面超音速喷涂处理时，涂层厚度0.3~0.4mm，硬度可达70~75HRC，超音速涂层具有较高的结合强度，当介质为强腐蚀性、高粘度的流体、带粉尘和固体颗粒状的混合流体时，大都使用该硬化工艺处理球体加工面。高温高压球阀的表面硬化处理主要包括两部分，一是球体表面喷涂0.2-0.4mm的司太立特（STL12）合金，二是阀座上堆焊2-3mm的司太立特（STL6）合金。司太立特合金（STL）是一种以铬、钴和钨等为主要成分的一种高温钴基合金，它具有很强的尺寸稳定性能，很高的耐腐蚀性、耐磨性、抗氧化性能和抗硫化能力，在870℃以下因很高的热硬性使得合金具有很高的抗磨损的能力。司太立特合金可以广泛用于耐磨衬垫、密封环、热挤压模具和金属铸模，蒸汽介质阀座和化学介质阀座，轧辊部件、热炉部件和燃烧器喷嘴等等。不同牌号的司太立特合金有不同的用途，高温高压球阀球体外表面喷涂的为司太立特12号合金。由于球体表面硬化层的材料要求很高，且喷涂技术也是近几年才变得日趋成熟的，目前本人实习厂家在加工生产球体时，对球体外镀层的厚度依然还是凭借经验，没有系统的计算与分析，对于镀层的厚度对其内部结构强度会产生怎样的影响目前尚无完整的计算方案。本文尝试建立球体外镀层与球体结构的有限元模型，将镀层与球体进行装配，运用有限元分析的方法建立球体外镀层厚度与球体结构强度之间的影响关系。

    球体与外镀层有限元模型的建立, 前提及假设球体外表面在做硬化处理时，运用超音速在球体外表面喷涂一层保护膜。硬化层在实际工作过程中不仅可以起到增加球体结构强度，还可以改善表面粗糙度、减小球体在转动过程中的摩擦力，进一步减小摩擦力矩、降低对阀杆材料强度的要求，保护球体使其不受介质的冲刷与腐蚀，延长球阀有效工作时间。运用超音速喷涂得到的硬化层涂层厚度相对均匀，与球体之间的结合性好、不易脱落。但在喷涂的过程中，由于涂层材料具有非常快的速度，这些高速的粒子打在球体外表面，使球体与这些粒子之间可能产生很大的粘合力。不同型号的机器、不同的材料，粒子的速度都不同，与球体之间产生的粘合力也就不同。在实际的模拟分析过程中，这些高速粒子与球体之间产生的粘合力无法通过计算获得，因此在模拟分析时，只能将这个力模糊的处理成系统内力，让镀层与球体之间自相平衡。在有限元模型加载时，只考虑球体外镀层表面所受到的介质压力、初始预紧力和其它约束条件。

     三维有限元模型的建立本文对球体外镀层采用SolidWorks软件建立其三维模型，然后将其转化为兼容格式导入到ANSYS有限元分析软件中进行分析。SolidWorks三维实体建模软件可以更加快速的生成相对复杂零部件的实体模型，将模型导入到有限元分析软件中后，无需修补、兼容性较好，能够满足实体零件的分析要求。为了提高软件计算与分析速度，在对球体及其外镀层建立三维实体模型时，需要对其结构进行相应的简化处理。假设球体外镀层为均匀的薄壁球体壳，壳体内表面与球体表面都为光滑的球面，球体与外镀层壳体可以实现无缝隙配合。设定介质作用力与初始预紧力视为均布载荷作用在球体表面。基于以上前提，分别建立0.15~0.3mm的镀层壳体，为便于载荷加载，在镀层表面绘制出密封面，球体及镀层的三维实体模型。

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    添加约束条件及载荷球体外镀层是通过高速的粒子束喷在球体上的，球体与镀层之间的结合性很好，在有限元模拟分析时将球体与镀层之间的接触关系设定为绑定（bond）关系。本文主要从球阀处于备用工况和操作工况两种状态来分析镀层厚度与球体结构强度之间的对应关系，无论球阀处于备用工况还是操作工况，假定球体都只受轴向作用力，不受径向作用力和力矩的作用。设定球体与支撑板之间的接触关系为无摩擦约束。阀门在实际实际作业过程中，球体上只受介质压力和密封面上为达到必须密封比压而施加的碟簧初始预紧力的作用。由于重在讨论镀层厚度与球体结构强度之间的关系，所以在计算与分析时赞不考虑温度场的作用，其中介质压力为常温4416MPa，将弹簧初始作用力作用在球体密封面上，结合阀座在球体上的投影面积，最后计算结果为2MPa。对装配体的有限元模型进行网格划分、添加约束条件与载荷进行有限元分析。

    球体镀层厚度对球体结构强度的影响, 通过对球体及镀层有限元模型的载荷加载与约束，在有限元分析软件进行静态结构分析。由分析结果可以知道，最大等效应力出现在球体与阀杆相连接的位置，而最小等效应力出现在外镀层上。基于此分析方法，本文先后建立了厚度为0.15~0.3mm的外镀层，并将其分别与球体装配后进行有限元分析，可以得出了不同镀层厚度下球体的等效应力场。不同镀层厚度下球体的应力场分布。 由以上球体在不同镀层厚度下的应力分布图不难得出，最大等效应力即最危险点的位置都出现在球体内侧与阀杆连接处的位置，不同镀层厚度下的最大应力都出现在同一位置，说明危险截面的部位不会随镀层厚度的变化而变化，且不同的镀层厚度最大等效应力的值也不同。其它厚度下球体的最大应力值与镀层厚度数据。为了更为简便直观的观察出球体外镀层厚度对球体在外载荷下结构强度的影响关系，结合以上球体镀层厚度与球体最大等效应力的对应数据，在Matlab软件下绘出了它们之间对应的变化曲线图。当镀层的厚度较小时，最大应力会随着镀层厚度的增加而越来越大，随着镀层厚度的增加，当镀层厚度大于0.2mm时，最大等效应力的值会随着镀层厚度的增大减小，且应力的数值在该区间内的波动很大；但当镀层厚度在0.2mm到0.25mm之间时，球体所受的最大应力数值基本上保持不变，曲线变化较为平稳；当镀层厚度接着增大时，球体所受的最大应力相对会有一定程度的增加，但增加的趋势不是很明显，数值上不会发生太大的变化。

    镀层厚度对球体刚度的影响, 对球体镀层厚度与球体结构强度之间的关系进行有限元分析，最终的目的就是为了找出球体外镀层的最佳厚度。但要确定某个零部件的几何结构尺寸或数值时，我们不能只考虑其结构强度，还应考虑它在具体载荷下的应变情况，即刚度问题。阀门球体在具体载荷下、不同镀层厚度的应变分布图。最大应变依然出现在球体上，最小应变量出现在镀层上，且不同厚度镀层下的应变量大小不一，但变化幅度不是很大。为了更为详细的得出最佳的镀层厚度数值，将镀层厚度为0.15mm~0.30mm的部分最大应变量进行了统计。 由不同镀层厚度与球体的最大应变量的对应数据可知，当镀层的厚度为0.2mm到0.27mm之间的厚度时，球体的应变量较小，且该区间内应变量的变化较为平缓，没有较大的波动。综合考虑不同镀层厚度下球体最大应力与最大应变的变化关系，球体外镀层的厚度应该取0.2mm到0.25mm之间，在该镀层厚度下球体的最大应力值与最大应变量都相对较小，且变化量都较小。对于球体外镀层为司太立合金这种材料来说，球体外镀层厚度最佳值应该位于之中。

     为得出球体外镀层的最佳厚度数值，为此分别建立了不同厚度的球体外镀层三维实体模型、球体三维实体模型，依次将不同厚度的镀层模型与对应的球体模型进行装配，得到球体与各厚度镀层的装配模型。对装配模型进行有限元分析，通过有限元分析得出在同一介质压力与约束条件下不同厚度镀层的球体应力与应变分布图。对不同厚度镀层对应的球体最大应变和应力进行统计分析，得出了球体外镀层厚度的最佳厚度应取0.2mm至0.25mm.

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