三偏心蝶阀蝶板的结构、受力及变形性能分析

发布时间:2010-12-10  点击数:3438
    三偏心蝶阀蝶板的空间结构比较复杂,蝶板的变形不合理,则会直接影响调节阀的密封效果导致泄露,还有可能发生自锁等情况。蝶板的力及位移分布情况也将直接影响到蝶阀的密封以及阀门的启闭。
一、三偏心蝶阀的结构分析
    三偏心蝶阀的密封面通常为斜锥面,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,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。
二、蝶板的结构分析
    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(z–a)2+B(z–a)+C=y′2                     (4)
    y=(A(z–a)2+B(z–a)+C)1/2               (5)
    式(5)可表述为:y=f(z)
三、蝶板的受力情况分析
    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:
    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,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,°
四、蝶板的变形分析
    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。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。
五、实例计算
    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,应尽可能减小γ1角,或者增加密封面的厚度b。
六、结论
    (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。
    (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。
    (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。
    (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。

    参考资料
    (1)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。
    (2)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。
    (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)徐秉业,刘信声。应用弹塑性力学(M)。北京:清华大学出版社,2001。