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引見了抽水蓄能機組用球閥整體水壓實驗工具的整體請求和構(gòu)造特性。大型球閥做高水壓實驗的工具構(gòu)造為球形悶頭，設(shè)計的水壓實驗壓力為11.25MPa的悶頭，經(jīng)過有限元計算保證了水壓實驗的強度和剛性，滿足了電機公司抽水蓄能機組大型球閥做水壓實驗的請求，為工具設(shè)計人員提供一定的參考和自創(chuàng)。

引言

球閥水壓試驗工具要求強度高、剛性好，并可反復(fù)使用。一般情況下電機公司生產(chǎn)、制造的球閥試驗壓力通常在3.48～9.8MPa范圍內(nèi)，屬于中壓范圍，設(shè)計、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)行強度計算。但厄瓜多爾CCS球閥水壓試驗壓力為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)計方案。水壓試驗工具對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。電機公司生產(chǎn)、制造的焊接結(jié)構(gòu)試驗悶頭常規(guī)結(jié)構(gòu)為球冠、過渡錐板、圓筒焊接，對于球閥尺寸不大或試驗壓力不高者均能滿足使用要求。對于高水壓試驗悶頭，此種結(jié)構(gòu)在圓筒與法蘭連接處應(yīng)力較大，已經(jīng)超過了材料的屈服應(yīng)力，無法滿足球閥打壓試驗要求。經(jīng)有限元強度計算，優(yōu)選出方案為，在圓筒與法蘭連接處增加一段加厚的過渡圓筒。該過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，強度和剛性得到極大提升，滿足了球閥打水壓試驗要求。

根據(jù)厄瓜多爾CCS球閥水壓試驗要求，我們設(shè)計的水壓試驗工具主要由2個悶頭組成，1個悶頭不帶法蘭，1個悶頭帶法蘭。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、過渡錐板、圓筒焊接，由于應(yīng)力集中在圓筒與過渡錐板接合部，因此，圓筒與過渡錐板接合部焊接20個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的過渡圓筒，且圓筒與過渡錐板接合部焊接的20個筋板加厚到40mm，長度超過圓筒，延伸到過渡圓筒高度一半，確保悶頭整體受力最好，滿足產(chǎn)品球閥打壓試驗要求。

1 方案設(shè)計

1.1 不帶法蘭悶頭的設(shè)計

經(jīng)初步計算，設(shè)計不帶法蘭悶頭的球冠半徑為SR1100mm，板厚50mm，材料16MnR，過渡錐板同為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)力集中在圓筒與過渡錐板接合部，因此，圓筒與過渡錐板接合部焊接20個25mm厚筋板，如圖1所示。

圖1 無法蘭悶頭

1.2 帶法蘭悶頭的設(shè)計

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)的悶頭無法滿足打壓試驗要求，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)過有限元強度計算后，最佳方案為：在圓筒與法蘭之間增加200mm高、壁厚100mm的過渡圓筒，過渡圓筒的形狀要有利于悶頭的整體受力，且圓筒與過渡錐板接合部焊接的20個筋板加厚到40mm，長度超過圓筒，延伸到過渡圓筒高度一半，此時悶頭整體受力最好，既減少了材料使用、同時降低了工具制造難度，節(jié)約工具制造成本，滿足產(chǎn)品球閥打壓試驗要求，如圖2、圖3所示。

圖2 帶法蘭悶頭

圖3 過渡圓筒

2 水壓試驗工具的強度計算

悶頭設(shè)計完成后采用大型有限元法分析程序ANSYS對球閥打壓工具剛強度進(jìn)行了分析計算，目的是為了檢驗球閥打壓工具的剛強度性能是否滿足設(shè)計要求，材料特性見表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)與載荷的周期對稱性，選取結(jié)構(gòu)的1/20部分作為計算模型，采用塊體單元劃分網(wǎng)格。在悶頭模型對稱面上施加對稱約束；在與球閥部分連接處施加對稱約束；在悶頭過水處施加水壓力11.25MPa。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，相關(guān)變形情況見表2。

表2 悶頭應(yīng)力、變形情況表

圖4 無法蘭悶頭

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

該水壓試驗工具己投入了使用，厄瓜多爾項目機組共8臺份，悶頭可反復(fù)使用，完全滿足CCS球閥水壓試驗要求，操作方便安全可靠。據(jù)電機公司水電分廠反映，該工具十分好用，無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，比電機公司傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)好，為我公司高水壓試驗工具的設(shè)計、制造及使用積累了寶貴經(jīng)驗。