基于三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

陳 松

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，蝶閥成為管道輸送過(guò)程不可缺少的一部分，主要對(duì)管道系統(tǒng)、輸送介質(zhì)等進(jìn)行控制，現(xiàn)如今在石油化工、水利水電、醫(yī)療器械和和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1-2]。由于我國(guó)閥門(mén)技術(shù)相對(duì)國(guó)外起步較晚，在三偏心金屬密封蝶閥方面，我國(guó)一直以來(lái)都受?chē)?guó)外技術(shù)的限制，國(guó)產(chǎn)蝶閥的質(zhì)量和性能無(wú)法滿足工業(yè)管道輸送的要求。因此，人們需加大對(duì)三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)研究和優(yōu)化分析，有效提高管路系統(tǒng)控制中蝶閥的性能和強(qiáng)度[3-4]。

1 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)

蝶閥也稱翻板閥，是指以蝶板為圓盤(pán)，可以圍繞閥軸旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)啟閉功能和調(diào)節(jié)流量的一種閥，它由執(zhí)行裝置、閥提、閥板、閥桿、密封圈、軸承及填料等零部件構(gòu)成，是閥門(mén)中應(yīng)用較為廣泛的一種。三偏心蝶閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、流體阻力小、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在高溫、高壓、高腐蝕性條件下也有較好的性能，并逐步取代傳統(tǒng)的截止閥、球閥等管道元件，使得管道控制方面得到極大的應(yīng)用[5]。

傳統(tǒng)的雙偏心蝶閥在結(jié)構(gòu)和性能上存在一定的缺陷，為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，三偏心蝶閥在此條件下應(yīng)運(yùn)而生[6]。三偏心蝶閥以偏心拋物線形狀的密封面取代傳統(tǒng)的球形密封面，使得三偏心蝶閥有效降低閥座的摩擦力矩和偏心力矩，改變了普通蝶閥的單向形變，彌補(bǔ)了金屬閥座彈性小的缺陷，進(jìn)一步提高了蝶閥的技術(shù)水平和使用性能。一般在相同的工作環(huán)境下，三偏心蝶閥相對(duì)于雙偏心蝶閥的偏心量小40%～60%，能夠有效地滿足更高壓力和流量的工況要求。

2 三偏心蝶板的有限元分析

三偏心蝶閥閥門(mén)主要由閥體和蝶板構(gòu)成，若要對(duì)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析，則閥體本身必須滿足工作實(shí)際的強(qiáng)度要求。本文通過(guò)仿真軟件ANSYS對(duì)三偏心蝶閥的蝶板參數(shù)建立三偏心蝶閥的蝶板三維模型，并進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析。在模型的建立過(guò)程中，在不影響實(shí)際物體受力狀態(tài)下，可以適當(dāng)忽略模型的局部細(xì)節(jié)，以提高模型的運(yùn)行速度。

通過(guò)建立三維蝶閥的三維模型，對(duì)蝶板施加約束條件和載荷，進(jìn)而對(duì)蝶板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分直接決定有限元分析的精度。如果網(wǎng)格劃分過(guò)大則越粗糙，反之，網(wǎng)格劃分越小則越精細(xì)，但仿真的計(jì)算量比較大。

在蝶閥的實(shí)際工作中，在蝶板不同部位施加了不同的載荷條件；當(dāng)?shù)y空載時(shí)，軸孔內(nèi)表面只受軸向扭矩的作用；當(dāng)介質(zhì)正向流動(dòng)時(shí)，蝶板的正向除了受軸向扭矩外還增加了單元面力。對(duì)蝶板正端面施加P=25N/mm2的載荷進(jìn)行有限元分析，其仿真結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，蝶板的最大變形主要在蝶板的上、下部位，最大位移量在蝶板的下方，最大壓應(yīng)力也在下部。介質(zhì)正流是三偏心蝶閥的工作狀態(tài)，對(duì)密封面有壓緊的作用，易于密封，但中間部分長(zhǎng)期受到不均勻的壓力，容易造成三偏心蝶閥密封面的磨損與擦傷。

圖1 三偏心蝶閥蝶板的有限元分析

3 三偏心全金屬硬密封蝶閥流阻優(yōu)化分析

3.1 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)

利用FLUENT軟件進(jìn)行流體仿真分析，對(duì)三偏心蝶閥的流阻進(jìn)行仿真分析。在實(shí)際的工作過(guò)程中，一般蝶閥采用圓形密封面，而三偏心蝶閥的蝶板由于有角偏心的存在，其密封面為橢圓形。本文對(duì)三偏心蝶閥進(jìn)行優(yōu)化分析，將其三偏心蝶閥的閥座和閥板之間由線密封改進(jìn)為面密封，改進(jìn)前蝶板采用一根閥桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，而改進(jìn)后的蝶板采用兩根軸的形式。在閥門(mén)全打開(kāi)的條件下，對(duì)改進(jìn)前后的蝶板進(jìn)行流體仿真分析，得出不同結(jié)構(gòu)的流通能力大小。

本文以DN200 PN25三偏心蝶閥為研究對(duì)象，在不同結(jié)構(gòu)模型場(chǎng)下進(jìn)行流阻系數(shù)分析。采用 ANSYS Meshing網(wǎng)格劃分對(duì)兩種模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。假設(shè)流體以90m/s的速度進(jìn)入閥體，待蝶板完全打開(kāi)后，流體從閥門(mén)的正向流過(guò)蝶板建立的三維模型，分析測(cè)量?jī)煞N結(jié)構(gòu)下的流速、壓差的參數(shù)，并通過(guò)對(duì)比分析比較兩種不同結(jié)構(gòu)流通能力。

3.2 仿真結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)入口流速為90m/s和設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa時(shí)，單軸蝶板最大流速為275m/s，正剖面軸向的最大流速為252m/s，其壓力降為45720Pa，正剖面壓力降為43318Pa；通過(guò)雙軸蝶板最大流速為260m/s，正剖面軸向的最大流速為251m/s，其壓力降為39920Pa，正剖面壓力降為32740Pa。最后得到的單軸設(shè)計(jì)的阻流為0.0048，雙軸的阻流為0.0043。因此，雙軸設(shè)計(jì)流阻計(jì)算值小于單軸設(shè)計(jì)流阻計(jì)算值，改進(jìn)后的閥門(mén)流通能力得到一定的增強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以三偏心蝶閥實(shí)際產(chǎn)品為研究對(duì)象，根據(jù)三偏心蝶閥的實(shí)際工作狀況，利用SolidWorks建立三維模型，并做有限元分析。同時(shí)，采用FLUENT軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的蝶板進(jìn)行流體分析，結(jié)果表明，蝶板的最大應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力值，蝶板有足夠的強(qiáng)度。在后期的改進(jìn)中，增加流通面積，不會(huì)導(dǎo)致蝶板的剛度降低，為蝶板的流體優(yōu)化分析做好鋪墊。而蝶板改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)，在外界條件相同的情況下，雙軸設(shè)計(jì)流阻計(jì)算值小于單軸設(shè)計(jì)流阻計(jì)算值，由此可以看出，改進(jìn)后閥門(mén)流通能力得到一定提升。

[1]李曉明，金智政.三偏心雙向金屬密封蝶閥的改進(jìn)[J].閥門(mén)，2012，（4）：39-42.

[2]胥丹紅，龔?fù)踯?，孫曉霞.高壓大口徑三偏心金屬密封蝶閥密封結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及分析[J].閥門(mén)，2012，（6）：4-6.

[3]宋煜.單軸三偏心金屬密封蝶閥強(qiáng)度分析[J].閥門(mén)，2016，（1）：17-19.

[4]楊恒虎，楊長(zhǎng)輝，羅石林，等.三偏心蝶閥過(guò)關(guān)閉現(xiàn)象的有限元模擬分析[J].機(jī)床與液壓，2017，45（16）：75-79.

[5]周位偉，王燕，劉詩(shī)梅，等.三偏心蝶閥在儀表氣干燥裝置上的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)介紹[J].儀器儀表用戶，2017，24（11）：33-36.

[6]張勤昭，劉福生，王宏.三偏心蝶閥的流場(chǎng)和阻力特性研究[J].流體機(jī)械，2013，41（11）：1-5.19.