CN112555451B - 用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法及半成品阀座 - Google Patents

用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法及半成品阀座 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例公开一种用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法及半成品阀座，涉及阀门技术领域，对系列化产品的继承性较强，有利于降低设计成本。所述方法，包括：建立初始的瞬态分析压制模型；设置边界条件；基于设置的所述边界条件，进行压制过程瞬态分析，获得瞬态分析结果；基于所述瞬态分析结果，修正边界条件；基于修正的边界条件，继续进行瞬态分析，获得精确的瞬态分析模型；拟定压制工艺设计变量、约束条件和目标函数；基于拟定的压制工艺设计变量、约束条件和目标函数，利用所述精确的瞬态分析模型进行优化分析，确定出目标压制工艺参数。本发明适用于全焊接球阀阀座密封槽的设计及加工。

Description

用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法及半成 品阀座
技术领域
本发明涉及阀门技术领域，尤其涉及一种用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法及半成品阀座。
背景技术
利用长距离管线输送石油及天然气等资源已成为当今世界能源输送的主要手段。在长距离输送管线中全焊接球阀具有举足轻重的作用；其控制着管线中介质的流向、流量和压力，保护管道和设备。全焊接球阀的综合技术性能均比相同用途的其他类别的阀体优越，是长距离管线的首选阀门。
针对这种全焊接球阀的密封槽，传统上采用钻、铣、车的加工方法。这样加工出来的密封槽不能完全固定密封圈，在压差大的状况下启闭，密封圈可能被吹出密封槽，所以还需要压板等元件进一步固定密封圈，这样便增大了阀座体积且可靠性降低。
现在的密封槽中多采用种防松结构，较为常见的有专利公开号CN201246490Y公开的一种密封槽结构，该结构密封槽将密封圈紧扣在槽内，防止密封圈脱出。专利公开号CN103480758A公开了一种针对这种密封结构的加工方法，该方法将半成品阀座的密封槽的其中一个边作为自由边，让密封圈自由的放入密封槽内。然后用滚压头逐步压弯所述自由边使所述自由边扣住密封圈并容许部分密封圈凸出至所述环形密封槽外。
滚压加工的力学非线性程度较高，现有的这种方法需要有大量的实验基础；加工方法对于系列化的产品继承性不强。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法及半成品阀座，对系列化产品的继承性较强，有利于降低设计成本。
第一方面，本发明实施例提供一种用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法，包括：建立初始的瞬态分析压制模型；所述模型包括压制模具和半成品阀座；设置边界条件；基于设置的所述边界条件，进行压制过程瞬态分析，获得瞬态分析结果；其中，瞬态分析结果包括应力、应变、压制模具和半成品阀座的变形；基于所述瞬态分析结果，修正边界条件；基于修正的边界条件，继续进行瞬态分析，获得精确的瞬态分析模型；拟定压制工艺设计变量、约束条件和目标函数；基于拟定的压制工艺设计变量、约束条件和目标函数，利用所述精确的瞬态分析模型进行优化分析，确定出目标压制工艺参数。
可选地，所述的方法，包括：所述设置边界条件包括：设置网格大小、网格类型、摩擦系数和载荷步长。
可选地，所述拟定压制工艺设计变量，包括：选取压制工艺初始设计变量；拟定初始约束条件和目标函数；基于所述压制工艺初始设计变量，初始约束条件和目标函数，利用所述精确的瞬态分析模型进行参数灵敏度分析，选出高灵敏度参数；根据高灵敏度参数，拟定压制工艺设计变量。
可选地，所述选取压制工艺初始设计变量包括，选取压制模具的斜面距离和斜面夹角，选取半成品阀座上密封槽的截面半径，选取半成品阀座自由边的倒角和自由边肉厚夹角。
可选地，所述目标压制工艺参数包括压制模具形状、压制工艺参数和半成品阀座尺寸参数。
第二方面，本发明实施例提供一种用于全焊接球阀的半成品阀座，包括：阀座本体，沿所述阀座本体的中心轴线开设有通孔，所述通孔的一端开口于所述阀座本体的第一端的端面上；在所述阀座本体的第一端的端面上，围绕所述通孔在所述阀座本体的第一端的端面上的开口，开设有环形密封槽；所述环形密封槽的截面形状呈V型；在所述阀座本体第一端的端面上，于所述环形密封槽开口处的外侧边缘处延伸形成有一环形的自由边；所述自由边的外形呈锥筒形，所述自由边靠近所述阀座本体第一端端面处的内径，大于所述自由边的自由端处的内径；所述自由边的内侧壁与所述环形密封槽的第一内壁相对应，所述环形密封槽的第一内壁为所述环形密封槽靠近所述阀座本体的中心轴线的内侧壁。
可选地，所述环形密封槽开口处的内侧边缘与所述自由边的内壁之间的距离大于等于3mm，小于等于4.5mm；
所述环形密封槽的内半径大于等于1.8mm，小于等于2.2mm。
可选地，所述环形密封槽开口处的内侧边缘与所述自由边的内壁之间的距离，小于所述环形密封槽内部第一内壁与所述自由边的内壁之间的距离。
可选地，在所述环形密封槽内设有截面呈圆形的环形密封圈，所述环形密封圈分别与所述环形密封槽的第一内壁、第二内壁、以及所述自由边的内壁相接触，在所述环形密封圈的底部与所述环形密封槽的底部之间具有预留空间。
第三方面，本发明实施例提供一种用于全焊接球阀的半成品阀座的加工设备，包括：工作台和冲压头，在所述工作台上固定有半成品阀座，在所述冲压头上设有压制模具，所述压制模具与所述半成品阀座上下对应；其中，所述半成品阀座为前述任一实施例所述的半成品阀座。
本发明实施例提供的用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法、半成品阀座及加工设备，通过对一次性直接压制加工方式，建立初始的瞬态分析压制模型，经过实验验证后，可获得精确的瞬态分析模型，基于拟定的压制工艺设计变量、约束条件和目标函数，利用精确的瞬态分析模型进行优化分析，可确定出目标压制工艺参数，根据所得参数可完成压制模具1和半成品阀座2的工艺设计，这样在设计类似产品时，无需重复实验，对系列化产品的继承性较强，有利于降低设计成本，提高工作的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法流程示意图；
图2为本发明实施例中压制前压制模具和半成品阀座的结构示意图；
图3为本发明实施例中压制后压制模具和半成品阀座的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参看图1，本发明实施例提供一种用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法，包括步骤：
S100、建立初始的瞬态分析压制模型。
本发明所述的压制工艺参数确定方法，针对于一次性直接压制加工方式。首先根据压制的方式，在有限元分析软件中建立初始的瞬态分析压制模型。所述模型包括压制模具1和半成品阀座2。
参看图2及图3，压制模具1(也可称为压制工装)，呈圆盘形，在压制模具1的中心设有通孔11，在压制模具1的压制面上具有一凹槽12，凹槽12的侧壁121为斜面，以对半成品阀座2上的自由边24进行压制。压制模具1与半成品阀座2同轴设置。
半成品阀座2，包括阀座本体21，沿阀座本体21的中心轴线开设有通孔22，通孔22的一端开口于阀座本体21的第一端的端面上；在阀座本体21的第一端的端面上，围绕通孔在阀座本体21的第一端的端面上的开口，开设有环形密封槽23；环形密封槽23的截面形状呈V型；在阀座本体21第一端的端面上，于环形密封槽23开口处的外侧边缘处延伸形成有一环形的自由边24；自由边24的外形呈锥筒形，自由边24靠近阀座本体21第一端端面处的内径，大于自由边24的自由端处的内径；自由边24的内侧壁241与环形密封槽23的第一内壁231相对应，环形密封槽23的第一内壁231为环形密封槽23靠近阀座本体21的中心轴线的内侧壁。
S102、设置边界条件。
边界条件可包括：网格大小、网格类型、摩擦系数和载荷步长。
S104、基于设置的边界条件，进行压制过程瞬态分析，获得瞬态分析结果。
瞬态分析结果包括应力、应变、压制模具1和半成品阀座2的变形，具体地，瞬态分析结果包括应力、应变、压制模具1和半成品阀座2的变形随压制时间的变化。
S106、基于瞬态分析结果，修正边界条件。
为了获得精确的瞬态分析模型，本步骤中，基于瞬态分析结果，修正网格大小、网格类型、摩擦系数和载荷步长，以便进行瞬态分析实验。在一实施例中，修正的边界条件包括：摩擦系数为0.2-0.4；压制模具1和半成品阀座2的单元网格大小，其最小为0.1，最大为0.5；压制模具1的载荷步长。
S108、基于修正的边界条件，继续进行瞬态分析，获得精确的瞬态分析模型。
本步骤中，基于修正的边界条件，继续进行瞬态分析，进行实验验证，以获得精确的瞬态分析模型。其中的步骤S106至S108可循环执行多次，直至获得精确的瞬态分析模型。精确的瞬态分析模型是指分析结果能够满足预期期望值的瞬态分析模型。根据该精确的瞬态分析模型，可精确仿真压制过程。
S110、拟定压制工艺设计变量。
S112、拟定约束条件和目标函数。
S114、基于拟定的压制工艺设计变量、约束条件和目标函数，利用精确的瞬态分析模型进行优化分析，确定出目标压制工艺参数。
目标压制工艺参数包括压制模具1形状、压制模具1尺寸、压制工艺参数和半成品阀座2尺寸参数。
本实施例中，通过对一次性直接压制加工方式，建立初始的瞬态分析压制模型，经过实验验证后，可获得精确的瞬态分析模型，基于拟定的压制工艺设计变量、约束条件和目标函数，利用精确的瞬态分析模型进行优化分析，可确定出目标压制工艺参数，根据所得参数可完成压制模具1和半成品阀座2的工艺设计，这样在设计类似产品时，无需重复实验，对系列化产品的继承性较强，有利于降低设计成本，提高工作的效率。
在一实施例中，压制工艺设计变量可通过对初始设计变量的敏感度分析来确定，具体地，所述拟定压制工艺设计变量(步骤S110)，可包括：
S1100、选取压制工艺初始设计变量；
选取压制工艺初始设计变量可包括：压制模具1的斜面距离D1和斜面夹角D2；半成品阀座2的截面半径D3(也可称为密封槽内半径)、自由边肉厚夹角D4、自由边倒角半径D6；压制模具1与半成品阀座2之间的压制距离D8。
S1102、拟定初始约束条件和目标函数。
本实施例中，拟定的初始约束条件如下：
压制模具1的斜面距离D1：初始大小为9，范围设定8.5≤D1≤9.5，单位：mm；
压制模具1的斜面夹角D2：初始大小为210°，范围设定205°≤D2≤215°；
半成品阀座2的密封槽内半径D3：初始大小2，范围设定1.8≤D3≤2.2，单位：mm；
半成品阀座2的自由边肉厚夹角D4：初始大小4°，范围设定3°≤D4≤5°；
半成品阀座2的自由边倒角半径D6：初始大小0.5，范围设定0.3≤D6≤0.7，单位：mm；
压制模具1与半成品阀座2之间的压制距离D8：初始大小100，范围设定80≤D8≤120，单位：mm。
拟定的目标函数为压制完成后，密封槽横截面的开口大小。
具体地，拟定的目标函数为：
Figure BDA0002751036410000071
其中：D5为压制完成后，密封槽横截面的开口大小，其值为
Figure BDA0002751036410000072
(x1，y1)与(x0，y0)分别为开口两顶点的平面坐标。
开口大小D5的约束条件为：D5≤4.5mm。
S1104、基于压制工艺初始设计变量，初始约束条件和目标函数，利用精确的瞬态分析模型进行参数灵敏度分析，选出高灵敏度参数。
本步骤中，进行参数敏感性分析，选出高灵敏度参数。
S1106、根据高灵敏度参数，拟定压制工艺设计变量。
本步骤中，根据高灵敏度参数，重新设定设计变量。并对敏感性最大的3个参数扩大取值范围。其余设计参数由工艺设计人员在取值范围内给定。
设置目标函数开口距离D5的约束条件为：D5≤4mm。
本实施例中，通过对一次性直接压制加工方式，建立初始的瞬态分析压制模型，经过实验验证后，可获得精确的瞬态分析模型，基于拟定的压制工艺设计变量、约束条件和目标函数，利用精确的瞬态分析模型进行优化分析，可确定出目标压制工艺参数，根据所得参数可完成压制模具1和半成品阀座2的工艺设计，这样在设计类似产品时，无需重复实验，降低设计成本，提高工作的效率。
其中，通过参数灵敏度分析，可明确各设计参数影响大小，这样在设计过程中，可以通过参数敏感性分析了解对目标函数影响最大的设计变量，降低工艺参数、结构参数等选取的困难，提高设计结果的效率。
本实施例的方法，可适应系列化产品的生产。减少类似产品重复的结构设计、工艺设计、实验次数等。降低设计成本，提高工作的效率。
参看图2及图3，本发明实施例还提供一种用于全焊接球阀的半成品阀座2，包括：阀座本体21，沿阀座本体21的中心轴线开设有通孔22，通孔22的一端开口于阀座本体21的第一端的端面上；在阀座本体21的第一端的端面上，围绕通孔22在阀座本体21的第一端的端面上的开口，开设有环形密封槽23；环形密封槽23的截面形状呈V型；在阀座本体21第一端的端面上，于环形密封槽23开口处的外侧边缘处延伸形成有一环形的自由边24；自由边24的外形呈锥筒形，自由边24靠近阀座本体21第一端端面处的内径，大于自由边24的自由端处的内径；
自由边24的内侧壁241与环形密封槽23的第一内壁231相对应，环形密封槽23的第一内壁231为环形密封槽23靠近阀座本体21的中心轴线的内侧壁。
本实施例中，环形密封槽23的截面形状呈V型，自由边24的内侧壁241与环形密封槽23的第一内壁231相对应，这样在从自由边24的外侧面压制自由边24时，便于使自由边24的内侧壁将密封圈压制在呈V型的环形密封槽23中。
本实施例的半成品阀座2，可根据前述方法实施例所确定的目标压制工艺参数设计并加工制得，在设计类似产品时，无需重复实验，对系列化产品的继承性较强，有利于降低设计成本，提高工作的效率。
在一实施例中，环形密封槽23开口处的内侧边缘与自由边24的内壁之间的距离D05大于等于3mm，小于等于4.5mm；环形密封槽23的内半径大于等于1.8mm，小于等于2.2mm。在一个例子中，环形密封槽23开口处的内侧边缘与自由边24的内壁之间的距离为4mm，环形密封槽23的内半径为2mm，这样在对自由边24进行压制后，密封圈一部分漏出环形密封槽23开口处，大部分被压制在环形密封槽23，可防止密封圈从环形密封槽23中意外脱出。
在一实施例中，环形密封槽23开口处的内侧边缘与自由边24的内壁之间的距离，小于环形密封槽23内部第一内壁与自由边24的内壁之间的距离，这样，在对自由边24进行压制时，可将密封圈向呈V型的环形密封槽23的底部挤压。
在一实施例中，在环形密封槽23内设有截面呈圆形的环形密封圈3，环形密封圈3分别与环形密封槽23的第一内壁231、第二内壁232、以及自由边24的内壁241相接触，在环形密封圈3的底部与环形密封槽23的底部之间具有预留空间，这样，在对自由边24进行压制时，可将密封圈向呈V型的环形密封槽23的底部挤压，在压制完成后，使得环形密封槽23呈梯形，也就是使压制在环形密封槽23中的密封圈产生形变，其截面形状变成梯形，可使形变后的密封圈牢靠地嵌设在密封槽中，防止意外脱出，增加了密封的可靠性。
上述各实施例中的半成品阀座2，均可应用于上述方法实施例中。
参看图2及图3，本发明实施例还提供一种用于全焊接球阀的半成品阀座的加工设备，包括：工作台和冲压头，在工作台上固定有半成品阀座2，在冲压头上设有压制模具1，压制模具1与半成品阀座2上下对应；其中，半成品阀座2为前述任一实施例的半成品阀座2。
本实施例的压制模具1和半成品阀座2，可根据前述方法实施例所确定的目标压制工艺参数设计并加工制得，在设计类似产品时，无需重复实验，对系列化产品的继承性较强，有利于降低设计成本，提高工作的效率。
压制模具1呈圆盘形，压制模具1与半成品阀座2同轴设置，在压制模具1的中心设有通孔11，在压制模具1的压制面上具有一凹槽12，凹槽12的侧壁121为斜面。
在一个例子中，斜面121与凹槽底部所在平面的夹角(也可称为斜面夹角)D2的范围大于为：205°≤D2≤215°，压制模具1中心的通孔11边缘至斜面121与凹槽底部的相交线的距离(也可称为斜面距离)D1的范围大小为：8.5mm≤D1≤9.5mm。
压制模具1与半成品阀座2的压制距离为D8范围大小为：80mm≤D8≤120mm。
本发明实施例先针对压制过程建立有限元瞬态分析模型，经过适当的实验修正边界条件，获得精确的瞬态分析模型；基于精确的瞬态分析模型，对设计变量进行参数灵敏度分析，找出灵敏度最大的工艺参数(即对目标函数影响最大的设计变量)，利用精确的瞬态分析模型，对待优化的工艺参数进行优化分析后得出可以得出阀座和压制模具1的工艺参数，以克服现有压制工艺设计困难，过度依赖实验的问题。本发明实施例的工艺设计方法是将有限元技术的参数优化分析应用在工艺设计上，是一种逆向设计。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
为了描述的方便，描述以上装置是以功能分为各种单元/模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元/模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于全焊接球阀阀座密封槽的压制工艺参数确定方法，其特征在于，包括：
建立初始的瞬态分析压制模型；所述模型包括压制模具和半成品阀座；其中，压制模具，呈圆盘形，在压制模具的中心设有通孔，在压制模具的压制面上具有一凹槽，凹槽的侧壁为斜面，以对半成品阀座上的自由边进行压制；压制模具与半成品阀座同轴设置；半成品阀座，包括阀座本体，沿阀座本体的中心轴线开设有通孔，通孔的一端开口于阀座本体的第一端的端面上；在阀座本体的第一端的端面上，围绕通孔在阀座本体的第一端的端面上的开口，开设有环形密封槽；环形密封槽的截面形状呈V型；在阀座本体第一端的端面上，于环形密封槽开口处的外侧边缘处延伸形成有一环形的自由边；自由边的外形呈锥筒形，自由边靠近阀座本体第一端端面处的内径，大于自由边的自由端处的内径；自由边的内侧壁与环形密封槽的第一内壁相对应，环形密封槽的第一内壁为环形密封槽靠近阀座本体的中心轴线的内侧壁；
设置边界条件；
基于设置的所述边界条件，进行压制过程瞬态分析，获得瞬态分析结果；其中，瞬态分析结果包括应力、应变、压制模具和半成品阀座的变形；
基于所述瞬态分析结果，修正边界条件；
基于修正的边界条件，继续进行瞬态分析，获得精确的瞬态分析模型；
拟定压制工艺设计变量、约束条件和目标函数；
基于拟定的压制工艺设计变量、约束条件和目标函数，利用所述精确的瞬态分析模型进行优化分析，确定出目标压制工艺参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置边界条件包括：设置网格大小、网格类型、摩擦系数和载荷步长。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拟定压制工艺设计变量，包括：
选取压制工艺初始设计变量；
拟定初始约束条件和目标函数；
基于所述压制工艺初始设计变量，初始约束条件和目标函数，利用所述精确的瞬态分析模型进行参数灵敏度分析，选出高灵敏度参数；
根据高灵敏度参数，拟定压制工艺设计变量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述选取压制工艺初始设计变量包括，选取压制模具的斜面距离和斜面夹角，选取半成品阀座上密封槽的截面半径，选取半成品阀座自由边的倒角和自由边肉厚夹角。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述目标压制工艺参数包括压制模具形状、压制工艺参数和半成品阀座尺寸参数。
6.一种用于全焊接球阀的半成品阀座，其特征在于，包括：阀座本体，沿所述阀座本体的中心轴线开设有通孔，所述通孔的一端开口于所述阀座本体的第一端的端面上；
在所述阀座本体的第一端的端面上，围绕所述通孔在所述阀座本体的第一端的端面上的开口，开设有环形密封槽；所述环形密封槽的截面形状呈V型；
在所述阀座本体第一端的端面上，于所述环形密封槽开口处的外侧边缘处延伸形成有一环形的自由边；所述自由边的外形呈锥筒形，所述自由边靠近所述阀座本体第一端端面处的内径，大于所述自由边的自由端处的内径；
所述自由边的内侧壁与所述环形密封槽的第一内壁相对应，所述环形密封槽的第一内壁为所述环形密封槽靠近所述阀座本体的中心轴线的内侧壁；
在所述环形密封槽内设有截面呈圆形的环形密封圈，所述环形密封圈分别与所述环形密封槽的第一内壁、第二内壁、以及所述自由边的内壁相接触，在所述环形密封圈的底部与所述环形密封槽的底部之间具有预留空间。
7.根据权利要求6所述的半成品阀座，其特征在于，所述环形密封槽开口处的内侧边缘与所述自由边的内壁之间的距离大于等于3mm，小于等于4.5mm；
所述环形密封槽的内半径大于等于1.8mm，小于等于2.2mm。
8.根据权利要求6所述的半成品阀座，其特征在于，所述环形密封槽开口处的内侧边缘与所述自由边的内壁之间的距离，小于所述环形密封槽内部第一内壁与所述自由边的内壁之间的距离。
9.一种用于全焊接球阀的半成品阀座的加工设备，其特征在于，包括：工作台和冲压头，在所述工作台上固定有半成品阀座，在所述冲压头上设有压制模具，所述压制模具与所述半成品阀座上下对应；其中，所述半成品阀座为前述权利要求6至8任一项所述的半成品阀座。
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