新型雙向旋球閥工作過程動(dòng)力學(xué)仿真分析

摘 要:針對(duì)具有雙向硬密封功能的新型旋球閥的工作過程建立了動(dòng)力學(xué)模型，采用Gear預(yù)估-校正算法對(duì)新型雙向硬密封旋球閥工作過程動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了求解和分析.結(jié)果表明，由于閥板的偏心結(jié)構(gòu)，新型雙向硬密封旋球閥開啟時(shí)所需要的扭矩比關(guān)閉時(shí)所需要的扭矩要小;在水流為5 m/s的情況下，新型雙向硬密封旋球閥開啟時(shí)施加在軸上的扭矩不得大于5 500 N·m，關(guān)閉時(shí)施加在軸上的力不得大于4 650 N·m，否則引起水錘現(xiàn)象.

關(guān)鍵詞:新型雙向硬密封旋球閥;水錘;動(dòng)力學(xué)仿真分析;硬密封

中圖分類號(hào):TK730.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Dynamic Simulation and Analysis of the Work Process of a New 

Type Rotating Ball Valve with Double Direction Metal Sealing

E Jiaqiang1，2， LI Zhipeng2， GONG Jinke1， YUAN Ding2， TENG Da2， LIAO Canzhang2， LEI Jiping2

(1.College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China; 2.Hunan Pump and Valve Manufacturing Co Ltd， Changsha， Hunan 410007， China)

Abstract: A dynamic model of the work process of a new type rotating ball valve with double direction metal sealing was established. And the dynamic model was simulated and analyzed by using Gear PredictorCorrector Algorithm. The results of dynamic simulation and analysis revealed that the torsion of turning on the new type rotating ball valve was less than the torsion of closing up the new type rotating ball valve. And in order to avoid water hammer， the torsion of turning on the new type rotating ball valve should be less than or equal to 5 500 N·m， and the torsion of closing up the new type rotating ball valve should be less than or equal to 4 650 N·m， when the velocity of flowing water was 5 m/s.

Key words: new type rotating ball valve with double direction metal sealing; water hammer; dynamic simulation and analysis; metal sealing

閥門是管道流體輸送系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者控制元件[1-3]，主要具有接通或截?cái)嗔黧w通路、調(diào)節(jié)與節(jié)流、防止倒流、調(diào)節(jié)壓力或釋放過剩的壓力等5大功能，可以控制空氣、水、各種腐蝕性化學(xué)介質(zhì)，泥漿、液態(tài)金屬和放射性物質(zhì)等各種類型的流體的流動(dòng)，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中有著廣泛的應(yīng)用.然而在新型閥門開發(fā)能力方面，掌握的水力模型少，在強(qiáng)度、剛度、啟閉、振動(dòng)和可靠性設(shè)計(jì)方面還存在一定的差距.盡管國外已將計(jì)算流體力學(xué)、有限元結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)分析、新型的信息管理與應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用于閥門的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與實(shí)際操作[4-6]，但閥類機(jī)械的設(shè)計(jì)還停留在“設(shè)計(jì)-試制-試驗(yàn)-改進(jìn)”的階段，實(shí)用性較差，對(duì)存在的問題和故障現(xiàn)象提出解決辦法，但都未從根本上解決存在的問題[7-10].仍然存在加工更為復(fù)雜、工序多、合格率低、大規(guī)模生產(chǎn)制造困難，加工成本較高和使用壽命短等缺點(diǎn).因此，研究開發(fā)長壽節(jié)能節(jié)水的新型雙向流旋球閥顯得十分重要.要開發(fā)出新型長壽節(jié)能節(jié)水的雙向硬密封旋球閥，就必須優(yōu)化新型雙向硬密封旋球閥的動(dòng)力結(jié)構(gòu)從而改善其動(dòng)力性能，而新結(jié)構(gòu)、新材料的介入，是否能使其性能更好，需要做大量復(fù)雜的分析工作，ADAMS為新型雙向硬密封旋球閥動(dòng)態(tài)性能分析提供了很好的研究平臺(tái)[11-13].本文基于ADAMS技術(shù)對(duì)新型雙向硬密封旋球閥工作過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，其研究結(jié)果對(duì)于新型長壽節(jié)能節(jié)水的雙向流旋球閥開發(fā)具有十分重要的指導(dǎo)意義.

1 新型雙向硬密封旋球閥工作原理

新型雙向流旋球閥總體結(jié)構(gòu)類似蝶閥結(jié)構(gòu)，分為閥體總成(包括閥體和閥座)和閥板總成(閥板、閥桿和閥桿端密封件、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)).閥板密封面類似球閥，為正球面，相當(dāng)于球體兩端直接切除余下的部分.閥板固定于閥桿上，在外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下，圍繞閥桿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，作為閥門啟、閉件.閥座不與閥體連為一體，為單獨(dú)的零件，在介質(zhì)作用下可沿閥體軸線移動(dòng).閥座密封面為圓環(huán)錐面，閥門關(guān)閉時(shí)密封面為線接觸密封.閥芯的密封面為三次曲面，閥座的密封面為一次圓錐面.在密封點(diǎn)處，閥座面實(shí)際上是閥芯三次曲面的切面，具有自適應(yīng)(中心自動(dòng)定位重合)和補(bǔ)償磨損功能.

因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)中心偏離閥芯幾何中心，當(dāng)閥芯打開時(shí)，閥芯實(shí)體不斷向后退、向內(nèi)縮;當(dāng)閥芯關(guān)閉時(shí)，閥芯實(shí)體不斷向前進(jìn)、向外脹，其結(jié)構(gòu)與功能相當(dāng)于半球閥、閘閥、截止閥和蝶閥的綜合結(jié)構(gòu)與功能，閥芯實(shí)體各不同角度的變化如圖1所示.

(a) 0° (b) 30° (c) 45° (d) 90°

新型雙向流旋球閥在正向壓力時(shí)密封良好，在反向壓力或反向壓力大于正向壓力時(shí)密封也良好.當(dāng)正向壓力作用時(shí)，介質(zhì)壓力推動(dòng)閥板向前移動(dòng)，閥桿變形，閥板密封面緊貼閥座密封面?zhèn)鬟f壓力，將閥座推向閥體臺(tái)階，使之密封良好;當(dāng)反向壓力作用時(shí)，介質(zhì)壓力推動(dòng)閥板向后移動(dòng)，介質(zhì)壓力同時(shí)推動(dòng)閥座向后移動(dòng)，閥座密封面緊貼閥板密封面?zhèn)鬟f壓力，將閥座推向閥桿極限變形位置，使其密封良好.正、反向閥座密封示意圖如圖2所示.

(a) 正向流 (b) 反向流

2 新型雙向硬密封旋球閥動(dòng)力學(xué)仿真

21 新型雙向硬密封旋球閥動(dòng)力學(xué)方程

新型雙向硬密封旋球閥動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可以由非自由質(zhì)點(diǎn)系表示.用剛體i的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標(biāo)qi=[x， y， z， Ψ， θ， φ]Ti，對(duì)于有n個(gè)剛體的新型雙向硬密封旋球閥動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，即q=[qT1， qT2， …，

式中T為系統(tǒng)動(dòng)能;q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣;Q為廣義力列陣;ρ為對(duì)應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣;u為對(duì)應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣;φ(q， t)為完整約束方程;θ(q， ， t)為非完整約束方程，為廣義速度列陣.

令u=，把式(1)降階為一階代數(shù)微分方程組并改寫成更一般的形式:

式中λ為約束反力及作用力列陣;F為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)微分方程及用戶定義的微分方程(如用于控制的微分方程、非完整約束方程);Φ為描述約束的代數(shù)方程列陣.

如定義系統(tǒng)的狀態(tài)矢量y=[qT， uT， λT]T，式(2)可寫成單一矩陣方程:

22 新型雙向硬密封旋球閥的動(dòng)力學(xué)仿真算法

在進(jìn)行新型雙向硬密封旋球閥動(dòng)力學(xué)仿真分析時(shí)，采用Gear預(yù)估-校正算法，其主要求解步驟是:預(yù)測、迭代校正、積分誤差分析、對(duì)積分步長和積分多項(xiàng)式階的優(yōu)化.

首先根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值，用泰勒級(jí)數(shù)預(yù)估下一時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)矢量值:

這種預(yù)估算法得到的新時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值通常不準(zhǔn)確，式(2)右邊的項(xiàng)不等于零，可以由Gear+1階積分求解程序(或其他向后差分積分程序)來校正.如果預(yù)估算法得到的新時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值滿足式(2)，則可以不必進(jìn)行校正.

式中左邊的系數(shù)矩陣稱系統(tǒng)的雅可比矩陣，其中F/q為系統(tǒng)剛度矩陣;F/u為系統(tǒng)阻尼矩陣;F/為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣.

通過分解系統(tǒng)雅可比矩陣求解Δqj，Δuj，Δλj，計(jì)算出校正步驟，直到滿足收斂條件若預(yù)估值與校正值的差值小于規(guī)定的積分誤差限，接受該解，進(jìn)行下一時(shí)刻的求解.否則拒絕該解，并減少積分步長，重新進(jìn)行預(yù)估-校正過程.總之，微分-代數(shù)的求解算法是重復(fù)估計(jì)、校正、進(jìn)行誤差控制的過程，直到時(shí)間達(dá)到規(guī)定的模擬時(shí)間.

23 新型雙向硬密封旋球閥工作過程動(dòng)力學(xué)模型

2.3.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)模型的輸入

在進(jìn)行新型雙向硬密封旋球閥運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)模型的輸入時(shí)，在UG中使用[文件]-[導(dǎo)出]-[Parasolid]-[框選需要的組件]命令，將三維模型另存為Parasilid格式.然后打開ADAMS/View，在初始界面中選擇[Import a file]，選擇格式和地址，將文件導(dǎo)入ADAMS/View中，點(diǎn)擊[Apply]，就得到如圖3(a)所示的初步的動(dòng)力學(xué)仿真模型.以這種方法輸入可以保證輸入正確的裝配關(guān)系和正確的模型與重力場的角度關(guān)系.

2.3.2 運(yùn)動(dòng)模型的約束

約束的類型:建立新型雙向硬密封旋球閥動(dòng)力仿真模型時(shí)，可以通過各種約束限制構(gòu)件之間的某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并以此將不同構(gòu)件連接起來組成一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng).ADAMS/View可以處理以下4種類型的約束:①用運(yùn)動(dòng)副約束，例如轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副等;②指定約束方向，即限制某個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，例如限制一個(gè)構(gòu)件總是沿著平行于另一個(gè)構(gòu)件的方向運(yùn)動(dòng);③接觸約束，定義兩構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生接觸時(shí)，是怎樣相互約束的;④約束運(yùn)動(dòng)，例如規(guī)定一個(gè)構(gòu)件遵循某個(gè)時(shí)間函數(shù)按指定的軌跡規(guī)律運(yùn)動(dòng).

新型雙向硬密封旋球閥運(yùn)動(dòng)模型的約束:根據(jù)雙向流實(shí)體硬碰硬密封旋球閥運(yùn)動(dòng)模型的運(yùn)動(dòng)要求，其需要的約束主要有:①固定副.約束3個(gè)旋轉(zhuǎn)3個(gè)移動(dòng)自由度，如閥體與大地的連接;②旋轉(zhuǎn)副.約束2個(gè)旋轉(zhuǎn)3個(gè)移動(dòng)自由度，如閥軸與閥體的連接.施加約束后的新型雙向硬密封旋球閥運(yùn)動(dòng)模型如圖3(b)所示.新型雙向硬密封旋球閥運(yùn)動(dòng)模型的約束副為2個(gè)，固定副1個(gè)，旋轉(zhuǎn)副1個(gè).

24 新型雙向硬密封旋球閥動(dòng)力學(xué)仿真分析

新型雙向硬密封旋球閥的閥板直徑為805 mm，水流的速度為5 m/s，經(jīng)過計(jì)算，把水流作用在閥板上的力集中在閥板兩側(cè)以閥軸的軸線為對(duì)稱線的兩點(diǎn)上，大小分別為F1=1 000 N，F2=900 N，施加在軸上的扭矩為M=900 N·m，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)關(guān)閉仿真時(shí)間為0.5 s，開啟仿真時(shí)間為0.6 s，抗水錘仿真時(shí)間為0.1 s.

2.4.1 關(guān)閉過程的動(dòng)力學(xué)仿真分析

閥門關(guān)閉時(shí)，施加在新型雙向硬密封旋球閥上的力有水流的沖擊力和在閥軸上的旋轉(zhuǎn)力矩.由于閥門的偏心結(jié)構(gòu)，所以閥板的兩邊所受到的水流的沖擊力是不相等的(大邊所受的力大)，但方向相同，都為垂直于閥板關(guān)閉時(shí)所在的平面.新型雙向硬密封旋球閥關(guān)閉過程的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果如圖4所示.圖4中閥板的角速度曲線、速度曲線和位置曲線表明，關(guān)閉過程中閥板的運(yùn)動(dòng)比較平緩，沒有出現(xiàn)極速?zèng)_擊;而閥軸在Z軸的位置曲線有很小波動(dòng)，說明在加工和裝配過程中會(huì)出現(xiàn)一些誤差，應(yīng)設(shè)法減小這些誤差.

閥門開啟時(shí)，在新型雙向硬密封旋球閥上的反向施加水流的沖擊力和閥軸上的旋轉(zhuǎn)力矩.由于閥門的偏心結(jié)構(gòu)，所以閥板的兩邊所受到的水流的沖擊力是不相等的，但方向相同，都為垂直于閥板開啟時(shí)所在的平面，仿真結(jié)果如圖5所示.圖5中閥板的角速度曲線、速度曲線和位置曲線同樣表明，開啟過程中閥板的運(yùn)動(dòng)比較平緩，沒有出現(xiàn)極速?zèng)_擊;而閥軸在Z軸的位置曲線有很小波動(dòng)，說明在加工和裝配過程中會(huì)出現(xiàn)一些誤差，應(yīng)減少這些誤圖4和圖5中的角速度曲線、速度曲線表明，在同樣的扭矩下，開啟時(shí)的角速度、速度要比關(guān)閉時(shí)的角速度、速度大，這主要由閥板的偏心結(jié)構(gòu)所引起的.因此，新型雙向硬密封旋球閥開啟時(shí)所需要的扭矩比新型雙向硬密封旋球閥關(guān)閉時(shí)所需要的扭矩要小一些.

當(dāng)打開的閥門突然關(guān)閉，水流對(duì)閥門及管壁，主要是閥門會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力.由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用，這就是水利學(xué)當(dāng)中的“水錘效應(yīng)”，也就是正水錘.相反，關(guān)閉的閥門在突然打開后，也會(huì)產(chǎn)生水錘，叫負(fù)水錘，也有一定的破壞力，但沒有前者大.在新型雙向硬密封旋球閥開啟的仿真中，通過不斷增加閥軸上的扭矩，觀察閥板的速度曲線，當(dāng)水流速度不變時(shí)(即閥板上的力不變時(shí))，閥軸的扭矩達(dá)到5 500 N·m時(shí)得到發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)閥板的速度曲線和位移曲線如圖6所示.

同理，在新型雙向硬密封旋球閥關(guān)閉時(shí)，當(dāng)扭矩達(dá)到4 650 N·m時(shí)，也發(fā)生水錘現(xiàn)象，圖7分別為發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)的閥板的速度曲線和位移曲線.

由圖6和圖7可以看出，閥板在很短的時(shí)間里開啟，其邊緣點(diǎn)在Z軸方向上的速度在很短的時(shí)間里達(dá)到了1 500 m/s，產(chǎn)生了極速?zèng)_擊.所以應(yīng)控制好新型雙向硬密封旋球閥開啟和關(guān)閉時(shí)所施加的力矩，盡量使閥板旋轉(zhuǎn)平緩，此外也可控制水流的速度，不應(yīng)使水流的速度過大.

3 結(jié) 論

1)由于閥板的偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故新型雙向硬密封旋球閥開啟時(shí)所需要的扭矩比其關(guān)閉時(shí)所需要的扭矩要小.2)在水流為5 m/s的情況下，新型雙向硬密封旋球閥開啟時(shí)，施加在軸上的扭矩不得大于5 500 N·m;在其關(guān)閉時(shí)，施加在軸上的力不得大于4 650N·m，否則閥板轉(zhuǎn)速過快，水流急速?zèng)_擊閥板從而產(chǎn)生水錘現(xiàn)象.

3)動(dòng)力學(xué)仿真分析表明，基于ADAMS的動(dòng)態(tài)特性仿真，可以有效提高新型雙向硬密封旋球閥仿真建模和分析的效率.

參考文獻(xiàn)

[1] CHERN Mingjyh， WANG Chincheng， MA Chenhsuan. Performance test and flow visualization of ball valve[J]. Experimental Thermal and Fluid Science， 2007， 31(6): 505-512. 

[2] PARK Juyeop， CHUNG Myungkyoon. Study on hydrodynamic torque of a butterfly valve[J]. Journal of Fluids Engineering， 2006， 128(1): 190-195.

[3] VETTER J， MICHLER T， STEUERNAGEL H. Hard coatings on thermochemically pretreated soft steels: application potential for ball valves[J]. Surface and Coatings Technology， 1999， 111 (2/3): 210-219. 

[4] SONG Xueguan， WANG Lin， SEOK Heumbaek，et al. Multidisciplinary optimization of a butterfly valve[J]. ISA Transactions， 2009， 48(3): 370-377. 

[5] DANBON F， SOLLIEC C. Aerodynamic torque of a butterfly valve influence of an elbow on the timemean and instantaneous aerodynamic torque[J]. Journal of Fluids Engineering， 2000， 122(2): 337-344.

[6] TIAN Wenxi， SU G H， WANG Gaopeng，et al. Numerical simulation and optimization on valveinduced water hammer characteristics for parallel pump feedwater system[J]. Annals of Nuclear Energy， 2008， 35(12): 2280-2287.

[7] ATASHKARI K， NARIMANZADEH N， GLCM， et al. Modelling and multiobjective optimization of a variable valvetiming sparkignition engine using polynomial neural networks and evolutionary algorithms[J]. Energy Conversion and Management， 2007，48(3): 1029-1041.

[8] HUMMER G， HALTER G， GRSSL M. Calculated and measured flow conductance for butterfly valves[J]. Vacuum， 1990， 41(7/9): 2126-2128.

[9] JONES Chris， WALDON Chris， MARTIN David， et al. Conceptual design of a compact absolute valve for the ITER neutral beam injectors[J]. Fusion Engineering and Design， 2009， 84(2/6): 979-984.

[10]LIN Judy L， CLEVENGER Jason M. Modeling and optimizing passive valve designs for the implantable gold microshunt used in glaucoma treatment[J]. Computers Structures， 2009， 87(11/12): 664-669.

[11]HARISH Agarwal， JOHN E Renaud， EVAN L Preston， et al. Uncertainty quantification using evidence theory in multidisciplinary design optimization [J]. Reliability Engineering System Safety， 2004， 85(1/3): 281-294.

[12]劉靜，潘雙夏，馮培恩. 基于ADAMS的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(10):109-112.

LIU Jing， PAN Shuangxia， FENG Peien. Study on simulation technology of excavator hydraulic system based on ADAMS[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2005，36(10): 109-112.(In Chinese)

[13]王國強(qiáng)，張進(jìn)平，馬若丁. 虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002. 

WANG Guoqiang， ZHANG Jinping， MA Ruoding. Technology of virtual models and its application on ADAMS[M]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press， 2002. (In Chinese)