全启式弹簧安全阀弹簧的设计与分析

王宝旭 焦子婕

摘要：论述了全启式弹簧安全阀的弹簧的设计，并运用ANSYS对弹簧进行了强度和寿命分析。

关键词：全启式弹簧安全阀；弹簧；有限元一、概述

安全阀作为一种自力式阀门，是锅炉、压力容器等承压设备中不可替代的安全附件[1]，当压力超过设定值时，起到保护承压设备的作用，因此在石油化工、天然气、电站等行业得到了广泛的应用。其中全启式弹簧安全阀作为常用安全阀的一种，其是依靠弹簧载荷直接作用在阀芯上，实现阀门的启闭，因此弹簧的性能直接影响到阀门的可靠性能。

二、全启式弹簧安全阀弹簧设计

全启式弹簧安全阀常使用的弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧；弹簧作为安全阀的关键性构件，其主要功能是通过弹簧的压缩变形提供初始预紧力实现阀门的密封以及阀开启后的附加预紧力[2]，因此弹簧的性能很重要，本文中采用ANSYS有限元软件对弹簧进行仿真分析，分析弹簧的强度和寿命情况，以作指导。

在本文中的安全阀型号为A48Y-100DN50，工作压力为4.21MPa，根据相关设计手册， 计算确定了圆柱螺旋压缩弹簧相关参数如表1所示，结构如图1所示。

表1 弹簧参数

图1弹簧结构图

可通过理论计算得到弹簧的最大应力值，计算公式如下：

τ■=■

式中K-曲度指数，K=■+■； D-圆柱弹簧中径，

mm；C -缠绕比，C=D/d；d-弹簧直径，mm；F-弹簧载荷，N。

将相关数据代入上述公式，经计算得到

τ■=■=■=424MPa

三、弹簧的有限元分析

（一）模型的确定。在本文中采用solidworks建立弹簧的三维模型图并进行了简化，将实际结构中弹簧两端的支撑简化为圆盘，以缩短分析时间，如图2所示。将模型导入ANSYS中，采用自适应网格划分技术对整体模型划分网格，划分网格后得到节点数为117260，单元数为62858。在弹簧上圆盘上约束所有线位移，在下圆盘顶面上沿纵向施加强迫载荷，对进气门弹簧的强度进行分析。

图2弹簧三维模型图

（二）有限元分结果。（1）强度分析。经有限元分析得到了弹簧的等效应力云图，如图3所示；从图中可得出弹簧的最大等效应力为452MPa，与理论计算值误差只有28MPa，误差较小，说明这个结果是正确的。从图中很明显得到，弹簧内侧的切应力比外侧的切应力大，完全符合理论对圆柱弹簧的分析。查询相关手册，得到材料50CrVA的许用应力[τ]=590MPa，计算结果满足强度要求。

图3弹簧等效应力图

（2）疲劳分析。在安全阀启闭的过程中，弹簧处于反复压缩—复位状态，容易产生疲劳破坏，但由于在静力分析，只能得到简单的应力分析情况，尚不能准确的反应在整个寿命里程中弹簧的疲劳损伤情况，因此须对螺旋弹簧进行疲劳寿命分析，了解弹簧的寿命情况。因此采用了ANSYS中Fatigue Tool模块对弹簧进行疲劳分析。

（1）选择Fatigue Tool中的Life ，得到弹簧寿命分布，其最小寿命为145840次循环，如图4所示，发生在弹簧内侧面上。

图4弹簧寿命分布图

（2）选择Fatigue Tool中的 Safety Factor，，得到弹簧的最小安全系数为1.11，满足要求，如图5所示。

图5弹簧疲劳安全系数图

四、结语

在安全阀弹簧设计阶段运用ANSYS软件对弹簧进行强度和疲劳检测分析，可直接分析得到弹簧强度分布和疲劳寿命，大大提高了效率，减少了试验次数，降低了成本，有利于新产品的研制。

参考文献：

[1] 翟启超，刘殿坤，陈殿京．弹簧直接载荷式安全阀升力特性计算方法[J]．阀门，2011，28（3）：1-3．

[2] 宋华兵．安全阀性能仿真与在线检测方法研究[D]．广州：华南理工大学，2003．

[3] 杨峰，许明恒．基于COSMOSWORKS的圆柱螺旋弹簧的应力分析[J]．机械，2008，35（8）：36-38．

[4] 成大先．机械设计手册-弹簧、起重运输件、五金件[M]．北京：化学工业出版社，2004．

[5] 杜建军．汽车悬架螺旋弹簧疲劳断裂仿真分析与寿命估算[D]．广西大学，2011．