三偏心蝶閥閥板結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

陳松華

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

三偏心蝶閥被廣泛應(yīng)用于流體管道系統(tǒng)中，其功能主要為正常啟閉、調(diào)節(jié)介質(zhì)流量、隔離設(shè)備和管道、排泄壓力等[1]。閥板作為蝶閥里的重要零件，起著十分重要的作用，它不僅可以抵擋介質(zhì)流動方向的壓力，讓介質(zhì)在管道里正常流動，或切斷介質(zhì)，又能夠作為閥桿、密封圈、壓圈等零件安裝基體，其結(jié)構(gòu)形式對閥門自身的密封性能有著重要的影響，良好的閥板性能可以讓閥門在動作時平穩(wěn)可靠，安全性更高[2]。

傳統(tǒng)的三偏心蝶閥閥板采用平板式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單一，僅適用于低壓介質(zhì)管道。當用于中高壓介質(zhì)管道時，閥板會產(chǎn)生一定量的變形，不僅會影響閥門的密封性，還會使閥門扭矩增大，遇到緊急情況時閥門難以打開或關(guān)閉，嚴重時會危及生產(chǎn)安全[3]。

本文以某規(guī)格三偏心蝶閥為例，該閥閥板采用龜背式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)根據(jù)“三角形穩(wěn)定”原理，本質(zhì)上克服了介質(zhì)壓力給閥板帶來的變形，優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的重要參數(shù)如閥板偏心值(H)、龜背拱度球面半徑值(R)等，使用Solidworks軟件分析三偏心蝶閥閥板結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力，得出閥板在介質(zhì)載荷作用下的最大變形量，并且最大變形量越小越好，以達到優(yōu)化三偏心蝶閥閥板結(jié)構(gòu)的目的。

1 閥板結(jié)構(gòu)分析和計算流程

1.1 建立模型

根據(jù)《實用閥門設(shè)計手冊》[4]中的計算公式，粗略計算出閥板尺寸，僅用于閥板三維建模初始數(shù)據(jù)[5]。采用Solidworks軟件繪制閥板三維簡化模型，該模型只需具有本文研究閥板時所需要的參數(shù)即可，可以避免其他參數(shù)的干擾，能夠直觀看出參數(shù)值的不同對閥板結(jié)構(gòu)的影響。

1.2 約束分析

閥板可以選用靜應(yīng)力分析法[6]，根據(jù)閥板實際工作狀態(tài)，假定約束條件，盡可能選擇完整約束點或者約束面，以保證模擬工況的準確。

1.3 載荷區(qū)分

根據(jù)實際工況以及設(shè)計要求，實際工況下對應(yīng)的有外部載荷和內(nèi)部載荷兩種。外部載荷主要有力、扭矩、壓力、軸承載荷等，內(nèi)部載荷包括自身重力、摩擦力、介質(zhì)阻力等。由于工況的不確定性，載荷種類多，計算復(fù)雜，評定方法也不同，所以載荷計算要有代表性。

1.4 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析的方法主要有公式法和有限元法[7]。公式法使用文檔或者小程序編輯公式，輸入合適參數(shù)值，得到閥板各處相應(yīng)應(yīng)力值。整個計算過程邏輯性強，但靈活性差，不夠直觀，結(jié)果誤差較大。有限元法能夠清楚、直觀地表達計算過程，能夠?qū)嵨锬Ｐ偷拿刻巹澐志W(wǎng)格，尤其是對零件薄弱或者應(yīng)力集中部位都能夠劃分出精細的網(wǎng)格，從而達到每處應(yīng)力的精確計算，每一處的應(yīng)力都能用數(shù)值以及圖片標識展示，缺點是計算量大時計算速度較慢。但是伴隨著計算機技術(shù)的不斷提高，有限元計算能力逐日增強。三維模型導(dǎo)入相關(guān)軟件里，計算速度越來越快，結(jié)果越來越準確。

1.5 結(jié)果評定

Solidworks軟件會顯示閥板實際應(yīng)力值和變形量[8]，針對閥板關(guān)鍵部位進行結(jié)果評定。

2 案例應(yīng)用及分析

以大口徑三偏心金屬密封蝶閥為例，閥門主要零件材料和許用應(yīng)力見表1所列閥門設(shè)計滿足ASME規(guī)范要求，選取閥門公稱通徑為DN2 000，設(shè)計壓力為1.8 MPa，設(shè)計溫度為290 ℃。本文旨在研究三偏心蝶閥閥板結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，在閥門規(guī)格選取時，為了方便操作和比較，選擇常規(guī)三偏心蝶閥即可。

表1 設(shè)計溫度下主要零件材料選取和許用應(yīng)力

2.1 建立模型

三偏心蝶閥閥板動作都是角行程，由于轉(zhuǎn)動中心偏心的存在，需注意閥板在啟閉時存在的受力差[9]。根據(jù)文獻[4]中的計算公式計算出閥板A和R等粗略值。閥板結(jié)構(gòu)參數(shù)值A(chǔ)和R示意，如圖1所示。該次優(yōu)化方案主要是通過調(diào)節(jié)閥板結(jié)構(gòu)參數(shù)A和R，建立的三維模型分析，從而得出閥板變形量。

圖1 閥板參數(shù)A和R示意

本文分別選用三組對比數(shù)值：A=14 mm,R=1.4 m；A=16 mm,R=1.5 m；A=18 mm,R=1.6 m,分別建立閥板三維模型。三偏心蝶閥閥板三維模型如圖2所示。

圖2 三偏心蝶閥閥板三維模型示意

該模型中筋的作用明顯，在受力過程中起到了支撐薄弱部位作用，需要在模型中體現(xiàn)，至于銷釘孔、螺釘孔、搬運螺釘孔等其他因素影響不大，無需體現(xiàn)[9]。其次要定義閥板模型材質(zhì)，包括： 彈性模量、密度、泊松比、屈服強度等，不同的材質(zhì)在不同工況下的力學性能不盡相同，本文定義閥板材質(zhì)為鑄造碳鋼。

2.2 約束分析和載荷計算

建立閥板三維模型，然后觀察閥板結(jié)構(gòu)變形，要對閥板進行模擬工況下有限元分析，檢驗閥板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的可靠性[11]。

根據(jù)上述方案，選取A=16 mm，R=1.5 m，建立約束條件，模擬閥板工作時的狀態(tài)，固定閥桿軸頭，施加一個固定約束，軸孔所有的自由度都被限制，閥板和閥桿保持固定。隨著閥門角行程執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生扭矩的輸出，閥板跟著閥桿轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程模擬實際工況下的閥門開啟和關(guān)閉。再模擬閥板受力面，在閥板的后表面施加壓力，該壓力要平行于管道介質(zhì)流向，對閥板施加外部壓力為1.8 MPa，三維模型中模擬閥板受力如圖3所示。最后對零件受力單元劃分網(wǎng)格，越是薄弱環(huán)節(jié)或者重要受力部位網(wǎng)格劃分越要精細，計算結(jié)果才會更加精確。

圖3 三維模型中模擬閥板受力示意

2.3 結(jié)果分析

本文只考慮三偏心蝶閥閥板作業(yè)時受到介質(zhì)力，忽略其他情況。上述方案閥板受力變形量如圖4 所示。由圖4看出，豎條由底往上，閥板變形量越來越大。結(jié)果顯示閥板最小變形量為1×10-30mm，無限接近于零，說明該區(qū)域沒有變形；最大變形量僅為0.148 7 mm，設(shè)計要求最大區(qū)域變形量遠小于0.2 mm，所以該閥板符合設(shè)計要求。

圖4 閥板變形量示意

當閥板處于關(guān)閉狀態(tài)時，受到介質(zhì)壓力的影響最大，閥板此時的變形也最大，最大變形位置處于閥板中間邊緣，從圖4看出閥板邊緣淺灰色區(qū)域真實變形量非常小，其他部位更小，甚至沒有任何變形，由此判斷該狀態(tài)下的閥門密封效果良好。

為進一步驗證參數(shù)，繼續(xù)分析其他2組數(shù)據(jù)：A=14 mm,R=1.4 m；A=18 mm,R=1.6 m,所建立的三維模型。最后從Solidworks軟件中讀取閥板變形量結(jié)果見表2所列。

結(jié)果表明，閥板其他尺寸不變，A值對閥板變形量影響很小，甚至可以忽略。R對閥板變形量影響較大，在允許的設(shè)計范圍內(nèi)，該值越小，閥板最大變形量越小，閥板越堅固。因此閥板R值是判斷閥板性能的重要參數(shù)，該參數(shù)的選取直接影響閥板性能的優(yōu)劣。

表2 不同參數(shù)下閥板變形量 mm

由此可以判斷，通過減小閥板R值的方法，有效改善了三偏心蝶閥閥板的結(jié)構(gòu)性能，完全符合優(yōu)化要求。

3 結(jié)束語

本文圍繞三偏心蝶閥閥板結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開研究，根據(jù)閥板結(jié)構(gòu)特點，同時忽略其他參數(shù)值影響，通過改變A值和R值的方法建立三維模型，使用Solidworks軟件分析，比較在模擬載荷下閥板最大變形量作為研究方法。

研究結(jié)果表明，在滿足三偏心蝶閥工作時不泄漏、內(nèi)件不干涉要求的前提下，適當減小閥板R值能夠有效減小閥板變形，使閥板更結(jié)實、可靠，進而優(yōu)化了閥板結(jié)構(gòu)，滿足閥門長久穩(wěn)定使用需求。