何慶中，王渝皓，王　佳，厲明玉

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000)

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基于Abaqus的三偏心水電主控蝶閥密封性研究

何慶中，王渝皓，王佳，厲明玉

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000)

針對某水電站大型三偏心蝶閥(DN3400)在實際運行過程中出現(xiàn)的問題，利用Abaqus軟件對其密封性能進(jìn)行了分析研究。通過分析結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗計算以及實際問題的對比分析，證明了分析方法的合理性。改變?nèi)牡y的三個偏心值，通過大量的仿真實驗得到了相應(yīng)的模擬結(jié)果，找到了不同偏心值與密封性能的關(guān)系，為提高大型三偏心蝶閥的密封性能提供了理論依據(jù)。

蝶閥；Abaqus軟件；偏心值；密封性能

0　引　言

蝶閥具有切斷、調(diào)節(jié)和止回3種功能，三偏心蝶閥作為蝶閥中最高級的一種，其密封性能最佳，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等行業(yè)。它的可靠性、節(jié)能性、制造和運行成本對于國民經(jīng)濟(jì)具有重要的意義。目前在我國的中西部地區(qū)，中大型水電站的主控閥一般使用大口徑蝶閥或大型球閥。然而由于蝶閥在加工制造、調(diào)控以及密封性等方面相對球閥都有一定的優(yōu)勢，因此對大型蝶閥的研究具有重要的意義。本課題針對某水電站口徑為3 400 mm 的大型水電主控三偏心蝶閥在實際運用中出現(xiàn)的頂部密封性差，對其密封性進(jìn)行了研究，得到了大口徑水電主控蝶閥密封性能合理的分析方法，同時找到了大口徑三偏心蝶閥的3個偏心值與密封性能的規(guī)律分布，為以后大型蝶閥的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1　三偏心原理及密封比壓理論計算

1.1三偏心原理

根據(jù)偏心原理蝶閥分為中心對置蝶閥、單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥，單偏心蝶閥只有軸向偏心，雙偏心蝶閥有軸向和徑向偏心。三偏心蝶閥在雙偏心蝶閥基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了圓錐密封面中心線偏角，從而減小了閥門啟閉過程中密封副的摩擦力，極大的降低了密封副的磨損，同時密封副的密封方式得到了改進(jìn)，由原來的線密封提高到圓錐面密封，這樣使蝶閥密封面的密封比壓更加均勻，大大提高了蝶閥的密封性能。三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　蝶閥結(jié)構(gòu)

圖2　三偏心結(jié)構(gòu)原理

三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，其中第一個偏心值a為軸向偏心，第二個偏心值b為徑向偏心，第三個偏心值θ為錐面中心線偏角。軸向偏心a保證了密封面為一個連續(xù)的圓錐面，同時由于該偏心的存在，方便了密封面加工時幾何中心的確定，降低的制造難度。由于徑向偏心和角偏心的存在，使得蝶板密封面的回轉(zhuǎn)半徑小于閥座密封面的回轉(zhuǎn)半徑，避免了閥門啟閉過程中產(chǎn)生干涉。

三偏心蝶閥圓錐密封面為一個復(fù)雜的曲面，它的加工精度與加工方法直接決定了閥門的密封性能。該曲面任意一個橫截面輪廓線均為橢圓，平面斜截圓錐如圖3所示。

圖3　平面斜截圓錐

橢圓方程為

(1)

1.2密封比壓理論計算

金屬硬密封的密封面法向方向的壓強(qiáng)為密封比壓，其大小為

(2)

式中，F(xiàn)為法向方向受力；S為密封面積。查閱相關(guān)資料，三偏心蝶閥密封比壓的理論經(jīng)驗計算公式為

(3)

式中，ΔP為密封兩側(cè)的壓差；B為密封面的寬度。蝶閥關(guān)閉時正面的靜水壓為4 MPa，由于密封面為不規(guī)則曲面，取其平均寬度B=0.06 m，代入式(3)得到密封比壓q=118.41 MPa。

2　接觸分析理論基礎(chǔ)

2.1非線性分析

有限元非線性分析包括材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性。材料非線性是指材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為非線性，如彈塑性分析。幾何非線性及位移的大小對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)發(fā)生影響，包括大位移、大轉(zhuǎn)動、初始應(yīng)力、幾何剛性化和突然翻轉(zhuǎn)等問題。

邊界條件非線性是指邊界條件在分析過程中發(fā)生變化。接觸問題就是一種典型的邊界條件非線性問題，其特點是：邊界條件不是在計算的開始就可以全部給出，而是在計算過程中確定，接觸體之間接觸面積和壓力分布隨外載荷變化，同時還可能需要考慮接觸面間的摩擦行為和接觸傳熱。

2.2接觸類型

兩接觸面的接觸狀態(tài)可以分為三類。

第一類為兩接觸體處于分離狀態(tài)，此時接觸釋放。

(4)

第二類為粘式，即兩面處于接觸狀態(tài)但無相對滑動。

(5)

第三類為滑移，即兩面接觸且接觸面有相對滑動。

(6)

式中，A、B表示兩個接觸面；Pξ、Pε分別表示兩接觸面的法向作用力和切向摩擦力；Uξ、Uε分別表示接觸面的法向位移和切向位移；0Dξ表示兩接觸面的初始間隙；μs表示靜摩擦因數(shù)；0()、Δ()分別表示初始值和增量值。

本分析的接觸狀態(tài)為第三類，采用的接觸公式為小滑移，ABAQUS/Standard在分析的開始就從面節(jié)點和主面的哪一部分發(fā)生接觸，在整個分析過程中這種接觸關(guān)系不會發(fā)生變化。

3　有限元分析計算

3.1三偏心蝶閥數(shù)學(xué)模型的建立

通過三維建模軟件soliworks建立了蝶閥的三維數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。

圖4　蝶閥三維數(shù)學(xué)模型

3.2有限元模型的建立

將三維模型運用abaqus網(wǎng)格劃分模塊對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到的單元數(shù)為42 192個，節(jié)點數(shù)為21 760個。金屬硬密封的接觸屬性為“硬”接觸，應(yīng)盡可能使用六面體一階單元，本次分析單元類型為C3D8I(六面體非協(xié)調(diào)模式一階單元)，有限元網(wǎng)格如圖5所示。

圖5　有限元模型

3.3邊界條件及加載

為了防止分析過程中發(fā)生剛性位移，在閥體的一端施加X、Z向位移邊界條件，閥體底部施加Y向位移邊界條件，如圖5所示。閥門關(guān)閉狀態(tài)，蝶板正面為介質(zhì)水，背面為空載，在閥門的正面內(nèi)腔施加壓力載荷，如圖6所示。

圖6　邊界條件

3.4接觸定義

分析中接觸包括閥桿與閥體接觸、閥桿與蝶板的接觸以及閥座與蝶板的密封面接觸。由于閥桿與閥體、蝶板的接觸不是分析的重點，為了減少計算量以及提高收斂速度，將其定義為綁定接觸。密封面的接觸定義為面-面接觸，其中閥座錐面為主面，蝶板錐面為從面。

4　計算結(jié)果及分析

4.1計算結(jié)果

通過大量的仿真實驗得到了閥門密封面的密封比壓值和接觸狀態(tài)，本文只呈現(xiàn)了軸向偏心b=240 mm，徑向偏心a=36 mm，角偏心θ=10°的分析結(jié)果，如圖7、8所示。

圖7　加載

圖8　密封面密封比壓

圖9　密封面接觸狀態(tài)

從圖7可以看出，密封面的最大比壓值為217 MPa，位置為靠近閥桿處，密封面底部的比壓值為150 MPa，密封面頂部的比壓值為0，從中間向上下兩端，比壓值逐漸減?。挥蓤D8可知，密封面頂部1/4出現(xiàn)了間隙，最大值為0.34 mm，其他部位全部接觸。

4.2分析結(jié)果與理論計算及實際情況對比分析

蝶閥關(guān)閉時主要受力部件為閥桿，密封面最大比壓出現(xiàn)在閥桿附近，這與閥門的實際結(jié)構(gòu)相吻合。由于密封面為偏心圓錐面，并且底部錐面與管道軸線的夾角最大，頂部錐面與管道軸線的夾角最小，導(dǎo)致頂部的密封比壓為0，并且產(chǎn)生間隙，而底部密封面接觸良好，這與實際工作中閥門頂部最易泄露相吻合。平均比壓125.25 MPa，理論比壓118.41 MPa，誤差為5.78%，在誤差范圍之內(nèi)。分析結(jié)果和理論經(jīng)驗值及實際情況的對比分析證明了分析方法是合理的。

4.3偏心值對密封性能的影響

上訴分析表明，偏心角等于錐面頂角的一半，導(dǎo)致頂部接觸面在靜水壓力下法向方向不受力，比壓值很小，不能實現(xiàn)密封。保證蝶閥能正常啟閉，分別改變軸向偏心、徑向偏心和角偏心采用以上相同的分析方法，進(jìn)行大量的仿真實驗得到了密封比壓的分布規(guī)律，如表1、2、3所示。

表1　比壓值隨軸向偏心的變化規(guī)律(徑向偏心a=36 mm，角偏心θ=8°)

表2　比壓值隨徑向偏心的變化規(guī)律(軸向偏心b=240 mm，角偏心θ=8°)

表3　比壓值隨角偏心的變化規(guī)律(徑向偏心a=36 mm，軸向偏心b=240 mm)

徑向偏心a=36 mm，角偏心θ=8°，改變軸向偏心值得到密封面的比壓值和接觸狀態(tài)，如表1所示。從表1可知：改變軸向偏心，密封面均全部接觸，密封比壓值隨軸向偏心值的增大而減小，不利于密封。

軸向偏心b=240 mm，角偏心θ=8°，改變徑向偏心值得到密封面的比壓值和密封面的接觸狀態(tài)，如表2所示。從表2可知：改變徑向偏心，密封面均全部接觸，密封比壓值隨徑向偏心值的增大而增大，有利于密封。

軸向偏心b=240 mm，徑向偏心a=36 mm，改變角偏心值得到密封面的比壓值和密封面的平均位移，如表3所示。從表3可知：最小密封比壓值隨角偏心值的增大而減小，當(dāng)偏心值等于錐頂半角時，最小比壓值為0，角偏心對最大密封比壓值的影響不大。

3個偏心值對蝶閥的密封性能均有影響。密封比壓隨軸向偏心增大而減小，隨徑向偏心增大而增大，二者對密封比壓的影響是相互矛盾的。徑向偏心的增大有利于密封，但偏心值增大將導(dǎo)致蝶閥的體積變大，并且增大啟閉力矩。角偏心對蝶閥密封面最小比壓影響明顯，較大的角偏心值將導(dǎo)致蝶閥密封面比壓值為0，從而不能實現(xiàn)密封。

5　結(jié)　論

針對某大型水電站DN3400三偏心蝶閥，首先運用傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式對其金屬密封面的密封比壓進(jìn)行理論計算。然后利用solidworks三維軟件建立了蝶閥的數(shù)學(xué)模型，并通過abaqus有限元分析軟件對密封面的比壓和接觸狀態(tài)進(jìn)行了有限元模擬。得到了以下結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算結(jié)果和分析計算結(jié)果的誤差為5.78%，分析結(jié)果與蝶閥運用中的實際情況相符合，說明了本文的分析方法是合理的。

(2)軸向偏心和徑向偏心值對密封比壓的影響是相互矛盾的，本文找到了它們的影響規(guī)律。

(3)當(dāng)?shù)y的角偏心接近錐頂半角時，蝶閥上端的密封比壓將很小，甚至沒有，這將導(dǎo)致蝶閥泄露。而偏心角對蝶閥密封面的最大比壓值幾乎沒有影響。

(4)通過大量的仿真實驗，得到了三個偏心值與密封性能的關(guān)系，為提高三偏心蝶閥的密封性能以及三偏心蝶閥局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

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(責(zé)任編輯高瑜)

Research of Hydropower Master Triple Eccentric Butterfly Valve Sealing Based on Abaqus

HE Qingzhong, WANG Yuhao, WANG Jia, LI Mingyu

(College of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, Sichuan, China)

In view of the problems about triple eccentric butterfly valve (DN3400) in actual operation, the sealing performance of valve is analyzed by using Abaqus software. Compared the analysis results with traditional experience calculation and actual problem, the analysis method is proved to be reasonable. Through changing three eccentric values of triple eccentric butterfly valve, a large number of simulation results are obtained and the relationship between different eccentric values and sealing performance is founded. The results provide a theoretical basis for improving the sealing performance of large triple eccentric butterfly valve．

butterfly valve; Abaqus software; eccentricity value; sealing performance

2015- 08- 20

2014年自貢市重點科技計劃項目(2014JZ05)；四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金(y2013012)

何慶中(1962—)，男，四川富順人，教授，研究方向為機(jī)械設(shè)計及其相關(guān)特種設(shè)備結(jié)構(gòu)特性分析與優(yōu)化；王渝皓(通訊作者)．

TK7

A

0559- 9342(2016)05- 0090- 05