三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化要點(diǎn)

江力

三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化要點(diǎn)

江力

（九牧廚衛(wèi)股份有限公司，福建 廈門 361000）

為了優(yōu)化三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)，通過仿真分析，挖掘三個(gè)偏心與流量特性之間不協(xié)調(diào)問題。針對(duì)此問題，采取正交試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)蝶閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)及仿真結(jié)果表明，在滿足蝶閥不泄漏、不干涉要求情況下，角度偏心為4.5°，徑向偏心為11 mm，軸向偏心為135 mm為最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

三偏心蝶閥；優(yōu)化分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；密封性能

蝶閥作為管道輸送的重要組成部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能在一定程度上決定了輸送介質(zhì)、管道系統(tǒng)的控制效果，關(guān)乎著中國(guó)航空航天、醫(yī)療器械、石油化工等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展[1]。三偏心蝶閥是繼雙偏心結(jié)構(gòu)之后推出的新型結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不成熟，容易發(fā)生形變，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案仍需進(jìn)一步完善。本文以三個(gè)偏心與流量特性之間不協(xié)調(diào)問題作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

1 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)分析

三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)是在雙偏心結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加1個(gè)傾角，調(diào)整各個(gè)接觸應(yīng)力，使其均勻分布，并提高密封性能，從而達(dá)到改善蝶閥結(jié)構(gòu)性能的目的。

以蝶板中心作為參照，蝶板回轉(zhuǎn)中心與其形成的軸向偏心距，記為；以蝶板中心作為參照，蝶板回轉(zhuǎn)中心與其形成的徑向偏心距，記為；閥體通道軸線與蝶板錐面軸線形成角偏心，記為。

雖然三偏心蝶閥存在軸向偏心距離，提高了蝶閥密封面的連續(xù)性，降低了設(shè)備加工制造難度，但是蝶板密封面回轉(zhuǎn)半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出封面部位設(shè)定半徑，導(dǎo)致密封表面無法進(jìn)入閥座，出現(xiàn)了“干涉”情況。為了避免此問題對(duì)裝置性能造成影響，必須對(duì)蝶閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理。

2 三偏心蝶閥的有限元分析

在構(gòu)建蝶閥三維模型時(shí)，施加載荷和約束條件，完成蝶閥網(wǎng)格劃分，從而提高有限元分析精度。本文利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。蝶面變形仿真結(jié)果如圖1所示。通過觀察圖1可知，蝶閥表面出現(xiàn)了嚴(yán)重變形問題，說明蝶閥流量存在較大問題，因三個(gè)偏心與流量特性之間不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致蝶閥作業(yè)過程中流阻系數(shù)較大，影響了蝶閥形態(tài)。

3 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化要點(diǎn)

3.1 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了解決蝶閥結(jié)構(gòu)形變問題，本文從控制流量角度出發(fā)，通過調(diào)節(jié)流量與三個(gè)偏心角間的關(guān)系，采取正交化優(yōu)化試驗(yàn)，通過仿真分析，檢驗(yàn)蝶閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可靠性。

圖1 蝶面變形仿真結(jié)果

密封副接觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑大于P1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑，通過將蝶板旋入閥座，使得蝶閥得以接觸密封。另外，副接觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑小于P4點(diǎn)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑，以此控制蝶板切入密封位置，提高閥門密封性能，形成零泄漏結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，這種優(yōu)化方案的思想是通過調(diào)節(jié)角度偏心、徑向偏心、軸向偏心，來控制流量系數(shù)，從而解決閥門流量受阻問題。按照此優(yōu)化方案設(shè)計(jì)原理，對(duì)蝶閥參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)。本研究采用正交試驗(yàn)法，合理規(guī)劃試驗(yàn)方案，從而選取最佳參數(shù)設(shè)置方案。本試驗(yàn)以角度偏心、徑向偏心、軸向偏心作為正交試驗(yàn)因素，以流阻系數(shù)、流量系數(shù)作為性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)值：角度偏心=5°，徑向偏心距15 mm，軸向偏心距140 mm，設(shè)定4個(gè)水平變化范圍，開啟正交試驗(yàn)。通過布設(shè)正交試驗(yàn)體系，并計(jì)算不同情況下的流量系數(shù)及流阻系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取最佳優(yōu)化方案。

通過觀察計(jì)算結(jié)果可知，測(cè)試編號(hào)為5的試驗(yàn)所得流阻系數(shù)計(jì)算數(shù)值最小，流量系數(shù)計(jì)算數(shù)值最大，此次試驗(yàn)參數(shù)為最佳配置。為了進(jìn)一步確定，本文還對(duì)優(yōu)化目標(biāo)采取極差分析，通過計(jì)算極差，對(duì)影響因素進(jìn)行排序，為蝶閥設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究提供參考依據(jù)。流量系數(shù)極差分析結(jié)果如表1所示，流阻系數(shù)極差分析結(jié)果如表2所示。

綜合對(duì)比表1和表2中的計(jì)算結(jié)果可知，徑向偏心對(duì)蝶閥結(jié)構(gòu)流通影響最大，軸向偏心對(duì)其造成的影響最小。如果以流量系數(shù)為判斷依據(jù)，最優(yōu)組合為212；如果以流阻系數(shù)為判斷依據(jù)，最優(yōu)組合為112。

表1 流量系數(shù)極差分析

序號(hào)因素 角度偏心φ徑向偏心b軸向偏心a A10.607 740.614 760.609 74 A20.613 490.612 010.610 74 A30.610 740.606 490.608 99 A40.607 010.605 740.609 49 極差R0.006 510.009 010.001 74 因素影響順序徑向偏心b>角度偏心φ>軸向偏心a 優(yōu)先水平φ2b1a2

表2 流阻系數(shù)極差分析

序號(hào)因素 角度偏心φ徑向偏心b軸向偏心a A130.963 6830.942 9930.963 49 A231.051 5931.092 9130.963 82 A331.138 9231.089 8330.963 79 A431.038 4931.041 7930.963 79 極差R0.175 210.450 790.000 29 因素影響順序徑向偏心b>角度偏心φ>軸向偏心a 優(yōu)先水平φ2b1a1

3.2 仿真結(jié)果分析

考慮到三偏心蝶閥作業(yè)作用中不可以存在泄漏、干涉等情況，綜合對(duì)比組合212和組合112的各項(xiàng)因素，選取212為最佳方案。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證最佳參數(shù)的設(shè)計(jì)方案，本文采用了仿真分析法，從軟件中讀取數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化前后流通性能再次進(jìn)行分析。

仿真結(jié)果表明，優(yōu)化處理的流量系數(shù)增加了0.011，流阻系數(shù)降低了1.992 m3/h。由此可以判斷，本文選定的212方案可以有效改善蝶閥結(jié)構(gòu)性能，符合優(yōu)化處理要求。

4 結(jié)論

本文圍繞三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)問題展開研究，通過有限元分析，選取三個(gè)偏心與流量特性之間不協(xié)調(diào)問題作為研究方向，以角度偏心、徑向偏心、軸向偏心為因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足蝶閥不泄漏、不干涉要求的情況下，212為最佳方案。

另外，本文采取仿真分析法，對(duì)比優(yōu)化前后的流量系數(shù)、流阻系數(shù)，再次確定優(yōu)化方案，即角度偏心為4.5°，徑向偏心為11 mm，軸向偏心為135 mm。

［1］石路也，曹國(guó)峰，謝龍寶，等.南寧萬達(dá)茂主題樂園鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2017（Suppl 2）：185-187.

TH134

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.041

2095－6835（2019）24－0096－01

江力（1985—），男，福建上杭人，本科，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)浴新型結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、整裝衛(wèi)浴系統(tǒng)工程。

〔編輯：張思楠〕