全啟式彈簧安全閥彈簧的設計與分析

王寶旭 焦子婕

摘要：論述了全啟式彈簧安全閥的彈簧的設計，并運用ANSYS對彈簧進行了強度和壽命分析。

關鍵詞：全啟式彈簧安全閥；彈簧；有限元一、概述

安全閥作為一種自力式閥門，是鍋爐、壓力容器等承壓設備中不可替代的安全附件[1]，當壓力超過設定值時，起到保護承壓設備的作用，因此在石油化工、天然氣、電站等行業得到了廣泛的應用。其中全啟式彈簧安全閥作為常用安全閥的一種，其是依靠彈簧載荷直接作用在閥芯上，實現閥門的啟閉，因此彈簧的性能直接影響到閥門的可靠性能。

二、全啟式彈簧安全閥彈簧設計

全啟式彈簧安全閥常使用的彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧；彈簧作為安全閥的關鍵性構件，其主要功能是通過彈簧的壓縮變形提供初始預緊力實現閥門的密封以及閥開啟后的附加預緊力[2]，因此彈簧的性能很重要，本文中采用ANSYS有限元軟件對彈簧進行仿真分析，分析彈簧的強度和壽命情況，以作指導。

在本文中的安全閥型號為A48Y-100DN50，工作壓力為4.21MPa，根據相關設計手冊， 計算確定了圓柱螺旋壓縮彈簧相關參數如表1所示，結構如圖1所示。

表1 彈簧參數

圖1彈簧結構圖

可通過理論計算得到彈簧的最大應力值，計算公式如下：

τ■=■

式中K-曲度指數，K=■+■； D-圓柱彈簧中徑，

mm；C -纏繞比，C=D/d；d-彈簧直徑，mm；F-彈簧載荷，N。

將相關數據代入上述公式，經計算得到

τ■=■=■=424MPa

三、彈簧的有限元分析

（一）模型的確定。在本文中采用solidworks建立彈簧的三維模型圖并進行了簡化，將實際結構中彈簧兩端的支撐簡化為圓盤，以縮短分析時間，如圖2所示。將模型導入ANSYS中，采用自適應網格劃分技術對整體模型劃分網格，劃分網格后得到節點數為117260，單元數為62858。在彈簧上圓盤上約束所有線位移，在下圓盤頂面上沿縱向施加強迫載荷，對進氣門彈簧的強度進行分析。

圖2彈簧三維模型圖

（二）有限元分結果。（1）強度分析。經有限元分析得到了彈簧的等效應力云圖，如圖3所示；從圖中可得出彈簧的最大等效應力為452MPa，與理論計算值誤差只有28MPa，誤差較小，說明這個結果是正確的。從圖中很明顯得到，彈簧內側的切應力比外側的切應力大，完全符合理論對圓柱彈簧的分析。查詢相關手冊，得到材料50CrVA的許用應力[τ]=590MPa，計算結果滿足強度要求。

圖3彈簧等效應力圖

（2）疲勞分析。在安全閥啟閉的過程中，彈簧處于反復壓縮—復位狀態，容易產生疲勞破壞，但由于在靜力分析，只能得到簡單的應力分析情況，尚不能準確的反應在整個壽命里程中彈簧的疲勞損傷情況，因此須對螺旋彈簧進行疲勞壽命分析，了解彈簧的壽命情況。因此采用了ANSYS中Fatigue Tool模塊對彈簧進行疲勞分析。

（1）選擇Fatigue Tool中的Life ，得到彈簧壽命分布，其最小壽命為145840次循環，如圖4所示，發生在彈簧內側面上。

圖4彈簧壽命分布圖

（2）選擇Fatigue Tool中的 Safety Factor，，得到彈簧的最小安全系數為1.11，滿足要求，如圖5所示。

圖5彈簧疲勞安全系數圖

四、結語

在安全閥彈簧設計階段運用ANSYS軟件對彈簧進行強度和疲勞檢測分析，可直接分析得到彈簧強度分布和疲勞壽命，大大提高了效率，減少了試驗次數，降低了成本，有利于新產品的研制。

參考文獻：

[1] 翟啟超，劉殿坤，陳殿京．彈簧直接載荷式安全閥升力特性計算方法[J]．閥門，2011，28（3）：1-3．

[2] 宋華兵．安全閥性能仿真與在線檢測方法研究[D]．廣州：華南理工大學，2003．

[3] 楊峰，許明恒．基于COSMOSWORKS的圓柱螺旋彈簧的應力分析[J]．機械，2008，35（8）：36-38．

[4] 成大先．機械設計手冊-彈簧、起重運輸件、五金件[M]．北京：化學工業出版社，2004．

[5] 杜建軍．汽車懸架螺旋彈簧疲勞斷裂仿真分析與壽命估算[D]．廣西大學，2011．