基于均勻試驗設(shè)計的硬密封球閥密封面間隙優(yōu)化

張云杰李夢科

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州理工大學 溫州泵閥工程研究院，浙江 溫州 325105)

引言

近年來金屬密封耐磨球閥是發(fā)展最快的閥門之一[1]。由于工作條件和工藝介質(zhì)的特殊條件，這種閥門最常見的失效形式為密封失效[2]。目前，各大學和研究機構(gòu)對閥門密封進行了大量研究，球閥軟密封的有限元分析已經(jīng)趨于成熟[3-5]，而對硬密封球閥的密封性能分析報道很少[6-8]，特別是硬密封球閥主密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的有限元分析方法很少有報道。

鑒于此，本研究的研究對象為典型的硬密封球閥入口端密封結(jié)構(gòu)，建立了主密封結(jié)構(gòu)的有限元模型。研究硬密封球閥密封面間隙值與各種參數(shù)之間的關(guān)系，揭示密封結(jié)構(gòu)的密封寬度、壓力角、密封圈平均直徑與套筒外徑的比值(DMP/DJH)等因素對密封的影響，獲得密封和開合扭矩的平衡參數(shù)，完善硬密封球閥的設(shè)計理論和方法。

1 硬密封球閥主密封結(jié)構(gòu)

球閥的主要密封結(jié)構(gòu)由閥球和閥座密封面組成。密封對主要由2個平坦且光滑的密封表面擠壓，以防止介質(zhì)通過，從而實現(xiàn)密封。本研究選用球形直徑為318 mm的硬密封固定球球閥作為研究對象。該閥的密封副二維結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 主密封結(jié)構(gòu)二維模型

當球閥完全關(guān)閉時，在入口處，球體受到來自流體介質(zhì)的靜壓和閥座的密封壓力，其中閥座受到彈簧力和流體的靜壓力。在這兩個力的作用下，閥座壓在球體上，在球體和閥座之間的接觸面上形成密封特定的壓力，簡化的計算模型如圖2所示。閥座與球體接觸面上的摩擦因數(shù)為0.2。

圖2 簡化計算模型

2 數(shù)值模擬設(shè)置

2.1 材料屬性

球體材料和閥座材料相同，都為不銹鋼材料。需要說明的是，模擬計算忽略了球體表面和閥座表面噴涂材料的影響。由于表面噴涂材料的物性與基體材料的物性不同，所以對球閥整體的變形量和密封效果會產(chǎn)生影響。

2.2 載荷與約束

根據(jù)具體的受力情況，介質(zhì)靜壓力載荷為5.7 MPa，分布在球體表面、閥座內(nèi)表面以及閥座尾部。同時，閥座尾部還受到8 kN的彈簧力。對球體上下閥桿接觸面施加固定約束。圓柱形約束被施加到閥座的外表面以限制閥座在徑向方向上的變形，并且僅允許閥座在切向和軸向方向上的位移和變形。

本研究主要對圖1中部分參數(shù)進行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)為：壓力角、密封寬度以及DMP/DJH，分別表示為α，h2，k。其中DMP為密封面平均直徑(DMN+DMW)/2，DJH為套筒外徑；原模型參數(shù)尺寸:α=43.07，h2=5.6 mm，k=0.94。

3 密封面間隙優(yōu)化

3.1 均勻試驗設(shè)計

本研究以減小硬密封球閥密封面間隙值為優(yōu)化目標，參數(shù)優(yōu)化范圍選為40.5°≤α≤45°，5.2≤h2≤7.0 mm，0.86≤k≤0.95，將3參數(shù)均勻劃分成10水平，選擇等級均勻設(shè)計表U10(103)，因子水平表如表1所示。X1～X3分別代表壓力角、密封寬度、DMP/DJH。

表1 因素水平表

表2為均勻試驗設(shè)計方案，通過改變閥座密封面外徑與內(nèi)徑的大小來調(diào)整壓力角、密封面寬度及DMP/DJH的比值，建立并模擬不同密封結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的模型。

表2 均勻試驗設(shè)計方案

圖3為原結(jié)構(gòu)參數(shù)時仿真密封面間隙值云圖，均勻試驗設(shè)計方案下仿真密封面間隙值云圖如圖4所示。因N2和N8結(jié)構(gòu)不合理，故忽略。

圖3 原結(jié)構(gòu)參數(shù)時密封面間隙值云圖

圖3中，原模型參數(shù)下硬密封球閥密封面間隙最大值為0.012306 mm。

根據(jù)圖4所示的均勻試驗設(shè)計方案下仿真密封面間隙值云圖，得到多變量下各試驗方案硬密封球閥密封面間隙最大值。

圖4 均勻試驗設(shè)計方案下仿真密封面間隙值云圖

3.2 回歸分析

針對每組方案中不同的參數(shù)取值，完成仿真分析，可以得到每組試驗中密封面間隙最大值，結(jié)果如表3所示。

表3 均勻設(shè)計試驗方案及結(jié)果

逐次回歸分析二次多項式，間隙值Y和因子之間的二次多項式回歸方程如式(1)

Y=-0.01285430626-0.006266838074X1+

0.018522798969X1X3

(1)

二次多項式逐步回歸分析的相關(guān)統(tǒng)計學結(jié)果如表4、表5所示。

表4 間隙值回歸方程的偏相關(guān)系數(shù)與T，P值

相關(guān)系數(shù)R=0.9999,調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Ra=0.9994,總體顯著性檢驗值F=985.6356,顯著水平P值為0.0244<0.05,殘差標準差為S=0.0001，Durbin-Watson統(tǒng)計量d=1.87451577，Durbin-Watson 統(tǒng)計量等于2是正態(tài)分布。值越接近2，殘差越正態(tài)分布,模型是合適的,否則模型不合適。從這些統(tǒng)計參數(shù)可以看出,該回歸方程可以很好地擬合硬密封球閥的間隙值與壓力角、密封寬度和DMP/DJH之間的關(guān)系,并且可靠性高。

表5 間隙值回歸方程擬合值及擬合誤差

二次多項式回歸分析最低指標時各個因素組合如表6所示。

表6 最低指標時各個因素組合

Y/mm壓力角/(°)密封寬/mmDMP/DJH0.007700446.30.86

4 結(jié)論

以壓力角、密封寬度、DMP/DJH為變量，將降低硬密封球閥密封面間隙值作為優(yōu)化目標，通過3因素10水平均勻試驗設(shè)計，以及二次多項式逐步回歸分析得到各因子對硬密封球閥密封面間隙值的影響順序為：壓力角>密封寬度>DMP/DJH。最終獲得當壓力角為44°、密封寬度為6.3 mm、密封面平均直徑與進口閥座套筒外徑比值為0.86時，硬密封球閥密封面間隙值最大值為0.007700 mm，優(yōu)化效果明顯。