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蝶阀蝶板性能分析——三偏心蝶阀

    三偏心蝶阀蝶板的空间结构较为复杂,蝶板的力及位移分布情况直接影响到蝶阀的密封以及调节阀的启闭。如果蝶板的变形不合理,则会直接影响阀门的密封效果,导致泄露,还有可能发生自锁等情况(1)

    1 三偏心蝶阀结构分析

    三偏心蝶阀的密封副通常为斜锥面,其结构如图1所示。图中的蝶板为斜切圆锥所得,O点为参照坐标系原点,O点为偏心蝶板回转中心,圆锥半角为β,三个偏心分别为:圆锥轴线x与流道中心线x的角度偏心α、偏心蝶板回转中心O与流道中心线x轴的径向偏心α以及偏心蝶板回转中心O与蝶板中面的轴向偏心e角度γ为蝶板密封面与流道中心线x轴的夹角,该角度沿着密封面旋转的方位不断变化,在图中蝶板上下两端的γ角分别为γ1和γ2

    根据正圆锥方程(2)得出垂直于x轴的蝶板截面方程:

    当参数α、β、a、e、H确定后,则式(1)为椭圆方程,当x在(e-b/2,e+b/2)范围内取值,所形成的椭圆为蝶板在此处垂直于x轴的截面形状。

    2 蝶板结构分析

    在工况下,介质压力以及阀杆施加的闭合扭矩对蝶板共同作用,蝶板边缘密封面的支持使蝶板受力达到平衡,阀杆对蝶板也有一定的支撑作用,能抵消一部分介质的压力。三偏心蝶阀中的介质流向分为正流和逆流,介质逆流时,介质压力与阀杆的扭矩会相互削弱,使得蝶板的受力减小;而当介质正流时(沿x轴的正方向),介质压力与阀杆的扭矩会相互叠加,增大了蝶板的受力。所以,应取介质正流时的工况,对蝶板进行分析。

    由图1可得,在正流情况下,介质对蝶板的压力面在x=e-b/2处,取此处的椭圆面作为分析对象。根据三偏心蝶阀的原理,偏心角α变动时,圆锥中心线始终与z轴相交,如图1所示。其交点沿z轴(-etanα,0)范围内移动,所以不论偏心角α怎样变化,压力面椭圆的中心线始终在xoz平面上,分析时可根据具体情况对椭圆方程进行坐标变换。

    当流体流动延流道x轴的正方向时,如图2所示,外部的椭圆为蝶板的受压面,内部虚线所形成的椭圆为蝶板另一侧的平面投影,剖面线的区域为蝶板的密封面投影。其中y轴为阀杆中心轴,也就是偏心蝶板回转中心轴线,y轴和y轴的距离为轴向偏心a,y1和y2、y1和y2、z1和z2分别为y轴、y轴、z轴与椭圆边缘的6个交点。

    将式(1)化为以z为函数,y为自变量的z=f(y)形式。如果需要确定z的极值,需先确定y值。对函数求导,化简后得:

     对该方程求解,可求得蝶板受压面椭圆与z轴的两个交点z1和z2。由于y1轴是蝶阀阀杆的轴线,所以分析蝶板扭矩的时候应以y1轴为纵坐标,则以y1轴为参照坐标时z1和z2的值分别为:

    由图2可以看出,|z2|>|z1|

    由于蝶板围绕y1轴进行旋转,所以需要对椭圆方程进行一次坐标变换,以yoz坐标作为参照系,则式(1)经坐标变换为:

    A(za)2+B(za)+C=y′2                     (4)

    y=(A(za)2+B(za)+C)1/2               (5)

    式(5)可表述为:y=f(z)

    3 蝶板受力分析

    在正流状态下,蝶板受介质力、阀杆作用力及密封面支撑力的共同作用。蝶板边缘的支持力与形变分布直接影响蝶板密封和启闭性能,所以将对蝶板的力学模型进行适当的简化,对蝶板边缘进行重点分析。如图2所示,蝶板椭圆绕回转中心y轴旋转,受介质压力和阀杆扭矩的共同作用,与密封面(简化为椭圆线)的支撑力达到平衡。阀杆与蝶板连接部位取在离密封面较远的中心部位,使其对密封面的刚度影响减小。蝶板连接部位的受力可以忽略,重点研究椭圆面上的介质压力与阀杆扭矩的叠加,对作用在密封面上压力的影响。

    蝶板以y轴为回转中心,则介质对蝶板的合力矩M为:

    考虑阀杆对蝶板施加闭合力矩Md为:

    式(7)为蝶板仅在闭合力矩Md作用下,蝶板边缘上分布的x方向表面力。则蝶板上合力矩为(3)

    M0=M+M                   (8)

    合力矩M0产生的力被阀座支撑蝶板边缘密封面上分布的表面力F所平衡,即表面力F围绕回转中心y′轴的力矩与合力矩大小相等,方向相反。在实际工况下,支撑密封面的表面力F在整个密封面上分布,其在密封面上的分布规律主要由三偏心蝶阀的结构所影响。以蝶板受压面为分析对象,F可看作是沿蝶板边缘分布的表面力,以此作为分析的力学模型。

    F是Fx、Fy、Fz三个方向表面力的合力,由图1知,Fx与流道方向一致,它是由合力矩M0作用所引起、垂直于蝶板边缘的力,Fy、Fz是由蝶板密封面与流道中心线x轴的夹角γ所产生的Fx的分力,它们的大小与Fx和夹角γ有关。

    根据图2分析,Fx可表述为与自变量z有关的函数,用Fx(z)表示。则Fx(z)以y轴为回转中心,对蝶板椭圆边缘进行曲线积分求出的力矩值等合力矩M0,即:

    分力Fy、Fz与Fx和夹角γ有关,而夹角γ与圆锥半角β以及角度偏心α有关(4)故将式(10)中的Fx(z)以Fx表示,得到蝶板边缘三个方向表面分布力的公式:

    式中γy、γz、γ———角度,在坐标xoy、xoz坐标上投影的角度,°

    4 蝶板变形分析

    由图1看出,γ角的极值位于xoz平面,γ1、γ2是γ角的最小值和最大值。γ1密封面投影最窄,即密封面对蝶板的支撑面积最小的部。γ1角最小为零,不能在与x轴平行的直线另一侧形成角度,即只能在该直线的外侧形成角度,否则将会导致启闭时发生干涉。在图2上γ1角处是虚线椭圆和实线椭圆相交的位置,当γ1角为零时,两个椭圆相内切,切点为z1点;当γ1角不为零时,虚线椭圆与x轴的交点将向右侧移动。γ1角增大,对启闭有利,会避免干涉现象发生,但是会导致蝶板变形加大,密封能力降低。由于蝶板在xoy面上的对称关系,蝶板上下两端γ角大小相等。

    由图1可知,由于密封面倾角γ2的支撑,蝶板在受力的时候将向γ角最小的γ1处横向移动,补充该处因支持面过小而减弱的支撑能力,但是相比几乎与密封面平行的力Fx,这种横向位移的补充不能明显减小该处蝶板的形变。由于γ1处的蝶板没有足够的、沿流道x轴方向的支撑,将会沿x轴方向发生较大形变,但是如果密封面足够宽,则形变伸长的部位在密封面上发生挤压,使得形变被控制。所以,蝶板上各点的主位移与表面力密切相关,蝶板边缘的主位移与角度γ也有关系。

    由拉美位移方程得:

    如果已确定蝶板边缘支持力的分布,则可代入式(12),引入蝶板具体的边界条件,求解这三个联立的偏微分方程。从原则上讲,按位移求解问题是普遍使用的方法,特别是在数值解中得到了广泛的应用,例如在有限元法,差分法等数值计算方法中,得到了很好的应用(5)根据蝶板上,尤其是蝶板边缘各点位移的大小,可以判断其形变的程度。

    5 计算实例

    实例使用ANSYS作为有限元分析软件。选用通径为200mm的蝶阀,介质压力为1.6MPa,阀杆的闭合扭矩为170N·m,阀杆、阀板及阀座材料选用1Cr18Ni9Ti,泊松比υ=0.32,杨氏弹性模量E=197GPa,屈服强度σs=205MPa,抗拉强度σb=450MPa。

    在不影响分析结果的前提下,将三偏心蝶阀的模型做了一定程度的简化。蝶板、蝶板压环以及密封环在建模过程中被做成整体部件,这样简化了模型结构,减少了施加载荷以及约束的数量,且与实际情况比较相符。

    网格划分直接应用系统提供的指令,自动生成非结构化自适应网格。对蝶板边缘以及密封面,这些重点研究的部位的网格进行了细化,以达到较精确的结果。整个三偏心蝶阀有限元模型经过网格划分后,共有节点17407个,单元10892个,其中四面体单元306个,接触面三角形单元1586个。

    对阀体上的法兰施加固定约束,对阀门与介质的接触部位施加介质压力,对阀杆施加关闭扭矩。阀杆与阀体为摩擦接触关系,摩擦系数为0.1;蝶板密封面与阀体密封面为摩擦接触关系,摩擦系数为0.2。

    经过分析,由图3所示。蝶板左端是γ角的最大值γ2所在位置,蝶板右端是γ角的最小值γ1所在位置。左端蝶面边缘应力较小,分布较均匀,原因是该处密封面宽度较大,能给以蝶板足够的支持;左端蝶面边缘应力较大,原因是该处密封面宽度较小,不能给以蝶板足够的支持,主要依靠蝶板变形后的边缘挤压力支持,从而导致该处应力增高;上下两端的γ角相等,都是最小应力所在的位置,最小应力分布基本对称。其他位置的应力分布主要由阀杆与蝶板连接部位的结构所影响,为便于观察,阀杆与蝶板的连接部位被切除,如图3、图4所示灰色的方形区域。

    从图4中可以看出,整个蝶板的变形规律性明显,变形最小的位置出现在蝶板左端边缘γ2角处,变形量最大的位置出现在蝶板右端边缘γ1角处,变形量由左向右逐渐增大,整个蝶板的变形量与γ1角有线性关系,这说明γ1所在位置对蝶板边缘的变形影响最大。所以,在满足密封面不干涉的条件之后(6)应尽可能减小γ1角,或者增加密封面的厚度b。

    6 结论

    (1)蝶板为板状结构,对其中间部位可按照平板问题进行分析。但蝶板边缘空间结构较复杂,边缘上的应力和变形分布对蝶阀的性能影响很大,密封面的贴合程度,启闭时是否顺利都与蝶板边缘的力位移分布有关系。本文以蝶板边缘为分析的重点,对蝶板的荷载情况进行了推导和计算;

    (2)蝶板密封面与流道中心线x轴的夹角γ,直接影响蝶板边缘的应力和变形分布,夹角γ随着蝶板端面的椭圆边缘进行变化。蝶板边缘的表面力以Fx为主,并且Fx以及角度γ的变化,直径影响Fy、Fz的大小;位移除了与力有关以外,与角度γ也有直接的关系;夹角γ对力位移的影响,经过分析和推导得出,可对三偏心蝶阀的设计提供一定的参考;

    (3)蝶板受压端面的四个端点的应力和变形分布规律,γ角最大的左端点,力较小,位移最小;γ角最小的右端点,力较大,位移最大;γ角相同的上下端点,力最小,位移适中;

    (4)γ角的最小值位于蝶板右端,即γ1角,该处是形变影响最大的位置,如果减小γ1角,或者增加密封面的厚度b,蝶板形变将受到密封面的制约,从而变形量减小,边缘处的应力集中降低,并使得在该处的密封面积增大,密封比压分布均匀。但在改变γ角和厚度b时,要防止蝶板启闭时的干涉发生。

    参考文献
    (1)梁瑞,姜峰,周新华,等。三偏心蝶阀金属密封副干涉三维分析(J)。流体机械,2003,31(8):18220。

    (2)梁瑞,姜峰,俞树荣,等。三偏心结构蝶阀金属密封副干涉几何学分析(J)。流体机械,2003,31(5):22224。

    (3)郝承明。三偏心蝶阀密封结构的分析与研究(J)。阀门,2001,(1):125。

    (4)BOSY,WONWH,MYUNGHK,etal。Cavitationdetectionofbutterflyvalveusingsupportvectorma2chines(J)。JournalofSoundandVibration,2005,(287):25243。

    (5)徐秉业,刘信声。应用弹塑性力学(M)。北京:清华大学出版社,2001。

    (6)HARDEVSP。Newdevelopmentsintriple2offsetbut2terflyvalves(J)。WorldPumps,2004,(9):40244。