摘要：三偏心蝶閥因其特殊的偏心設(shè)計(jì)，適用于高溫高壓工作環(huán)境，并廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。針對(duì)三偏心蝶閥不同偏心值的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其密封性能進(jìn)行對(duì)比研究。本文建立了三組設(shè)計(jì)方案下的三偏心蝶閥模型，通過有限元仿真分析，深入研究了不同關(guān)閉扭矩下、不同偏心參數(shù)的蝶閥密封面密封比壓分布情況、密封圈變形量和密封面間隙分布情況。結(jié)果表明，在相同的邊界條件下改變第三偏心的雙斜面蝶閥，密封面密封比壓和平均密封比壓均高于其他方案，且密封帶形狀有所不同。通過對(duì)比多組方案蝶閥的仿真結(jié)果，為蝶閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作提供參考依據(jù)。
 

　　關(guān)鍵詞： 三偏心蝶閥；密封性能；密封比壓；建模與仿真
 

　　1   概述
 

　　三偏心蝶閥采用金屬硬密封，閥板中間的密封圈在扭矩作用下與閥座接觸，通過接觸面之間產(chǎn)生的密封比壓形成密封。相較于中線蝶閥、單偏心蝶閥和雙偏心蝶閥，三偏心蝶閥在高溫高壓下具有更好的密封性能，其在能源化工等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
 

　　針對(duì)三偏心蝶閥的密封性能，當(dāng)前已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)分析研究。徐滟等針對(duì)三偏心蝶閥的密封面接觸非線性問題進(jìn)行分析，通過數(shù)值仿真計(jì)算了密封面密封比壓的分布，對(duì)優(yōu)化雙向零泄漏三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。凌曉通過理論計(jì)算研究了蝶板尺寸參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，并通過計(jì)算分別闡述了三偏心蝶閥的軸向偏心距、徑向偏心距和角偏心對(duì)密封面摩擦力矩的影響。李樹勛等使用有限元仿真方法對(duì)三偏心蝶閥在高溫工況下的密封性能展開研究，通過參數(shù)化方法與響應(yīng)面優(yōu)化對(duì)蝶閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸后的三偏心蝶閥密封性能得到有效提升。Wang等通過拓?fù)鋬?yōu)化和響應(yīng)面優(yōu)化兩種方案對(duì)三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)安全性和密封性能進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)閥內(nèi)件的輕量化設(shè)計(jì)，降低等效應(yīng)力。
 

　　本文通過ANSYS Workbench數(shù)值仿真軟件針對(duì)DN300三偏心蝶閥的密封性能展開分析，研究蝶閥的偏心參數(shù)對(duì)密封面處密封比壓分布情況的影響，為閥門的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案提供可靠依據(jù)。
 

　　2   密封副結(jié)構(gòu)與仿真原理
 

　　2.1   結(jié)構(gòu)原理
 

　　三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其中偏心為軸向偏心，第二偏心為徑向偏心，第三偏心為角偏心。偏心使蝶閥在關(guān)閉狀態(tài)下受流體介質(zhì)作用力時(shí)，密封圈與閥座接觸更加有效。第二偏心使蝶閥在打開時(shí)密封圈能夠快速與閥座分離，減少密封圈與閥座之間不必要的過度擠壓或者摩擦現(xiàn)象，降低磨損和開啟扭矩。第三偏心改變了蝶閥的密封結(jié)構(gòu)，由位置密封轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ孛芊猓揽棵芊馊εc閥座接觸面之間的密封比壓實(shí)現(xiàn)密封，使蝶閥在高壓下能夠保持良好的密封性。
 

圖1   三偏心蝶閥密封結(jié)構(gòu)
 

　　為研究蝶閥偏心參數(shù)對(duì)密封面密封比壓的影響，本文建立了三組方案的蝶閥計(jì)算模型，分別調(diào)整蝶閥結(jié)構(gòu)，使其具備不同的偏心參數(shù)。三組方案的蝶閥偏心參數(shù)如表1所示，第二組方案針對(duì)蝶閥的偏心角進(jìn)行了修改，在相較于第一組方案蝶閥模型密封圈斜錐面角度不變的情況下，將直邊面調(diào)整為小斜錐面，即組與第三組方案蝶閥為單斜面設(shè)計(jì)，第二組方案蝶閥為雙斜面設(shè)計(jì)。
 

　　表1   三組方案蝶閥模型偏心參數(shù)
 

2.2   密封比壓
 

　　密封比壓定義為施加在密封面上的壓力與密封面面積之比，即密封面單位面積上受到的平均壓力。密封比壓是影響閥門密封性能的重要因素，可在閥門設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行精確計(jì)算和調(diào)整。
 

　　保證閥門達(dá)到密封的最小比壓稱為必須比壓，常用qb表示。必須比壓的大小受密封結(jié)構(gòu)材料、流體介質(zhì)溫度的影響，根據(jù)實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，當(dāng)密封結(jié)構(gòu)材料為鋼質(zhì)合金、流體介質(zhì)為常溫液體時(shí)，適用的必須比壓計(jì)算公式為：
 

式中   P——閥門公稱壓力，MPa
 

　　bM——密封面寬度，mm
 

　　三組設(shè)計(jì)方案下的三偏心蝶閥公稱壓力為5 MPa，密封面寬度為10.64 mm，根據(jù)式(1)計(jì)算可得閥門的必須比壓為8.24 MPa。除必須比壓外，許用比壓也是閥門設(shè)計(jì)工作中需要考慮的重要參數(shù)，其定義為閥門密封面單位面積所能承載的壓力值，一般用[q]表示。對(duì)于密封結(jié)構(gòu)材料為不銹鋼或硬質(zhì)合金的閥門，在密封面間無滑動(dòng)情況下，其許用比壓一般取為250 MPa。
 

　　3   邊界條件
 

　　‌3.1   前處理與網(wǎng)格劃分
 

　　本文重點(diǎn)關(guān)注蝶閥密封面上的密封比壓分布，根據(jù)仿真分析模型簡(jiǎn)化原則，對(duì)閥門計(jì)算模型采用局部分析法，僅保留蝶板、壓蓋、密封圈和閥座等部件，由邊界約束條件等效替代舍棄部分結(jié)構(gòu)對(duì)密封副的限制作用。在SpaceClaim中對(duì)三偏心蝶閥模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除部分區(qū)域模型、表面多余線條及部分微小特征，如圖2(a)所示。將處理后的蝶閥模型導(dǎo)入Workbench靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊中，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，其中閥座、密封圈網(wǎng)格尺寸為8 mm，其余部件的網(wǎng)格尺寸為12 mm，并對(duì)閥座密封面和密封圈密封面處網(wǎng)格進(jìn)行加密，以提高計(jì)算精度，網(wǎng)格總數(shù)為670068。圖2(b)為三偏心蝶閥計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格模型，該網(wǎng)格模型共有668323個(gè)單元、990371個(gè)節(jié)點(diǎn)。蝶閥各部件所使用材料及材料參數(shù)如表2所示，其中閥座表面具有碳化鎢涂層，在靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊中通過插入“表面涂層”進(jìn)行設(shè)置。
 

(a)
 

(b)
 

　　圖2   蝶閥仿真模型示意圖
 

　　表2   三偏心蝶閥部件材料
 

3.2   接觸與載荷約束
 

　　根據(jù)接觸對(duì)中接觸面的定義原則，將密封圈面定義為接觸面，閥座面定義為目標(biāo)面。在實(shí)際工況中，蝶板和壓蓋由多組螺栓固定連接，由于螺栓和螺栓孔的受力變形情況不在研究范圍內(nèi)，因此直接將蝶板和壓蓋接觸面之間設(shè)置為綁定接觸、MPC法，以提高計(jì)算效率。蝶閥密封問題在有限元分析中屬于接觸非線性問題。因此對(duì)其他接觸設(shè)置為摩擦接觸、擴(kuò)展拉格朗日法，其中由于密封圈與閥座的接觸面打磨較為光滑，其摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，其他摩擦接觸的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。
 

　　蝶閥仿真模型的壓力及載荷設(shè)置如圖3所示。對(duì)閥門在關(guān)閉工況下密封情況進(jìn)行分析，在蝶板閥桿側(cè)施加流體介質(zhì)壓力載荷，大小為5 MPa；在蝶板鍵槽處施加6000 N·m力矩，方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，模擬驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)蝶板施加的關(guān)閉扭矩；在閥座外側(cè)添加固定支撐，模擬閥體對(duì)閥座的限制作用，防止閥座整體位移。由于蝶板整體受到閥桿、固定銷等部件的限制作用，不會(huì)在軸向上發(fā)生位移，因此需要對(duì)蝶板添加軸向位移約束，其余方向上的自由度不做約束。
 

圖3   仿真模型載荷條件與約束條件
 

　　為模擬真實(shí)的關(guān)閉密封工況，將整個(gè)仿真分析過程設(shè)置為兩個(gè)時(shí)間步，扭矩載荷和流體壓力載荷分別在不同的時(shí)間步進(jìn)行加載。在時(shí)間步只加載扭矩，并在之后的時(shí)間步內(nèi)保持不變，在第二個(gè)時(shí)間步開始加載壓力。
 

　　4   仿真結(jié)果與分析
 

　　4.1   6000 N·m關(guān)閉扭矩
 

　　圖4為三組三偏心蝶閥在5 MPa壓力和6000 N·m扭矩下密封圈與閥座接觸面的密封比壓分布云圖。由圖4(a)可知，蝶閥密封圈斜錐面大部分區(qū)域密封比壓都高于必須比壓，分布在10~50 MPa之間，說明該區(qū)域密封圈與閥座接觸緊密，達(dá)到了密封效果。斜錐面接觸狀態(tài)良好的密封區(qū)域在大徑端的分布長(zhǎng)度較短，整體上呈梯形分布，在密封圈小徑側(cè)和大徑側(cè)都達(dá)到了密封要求。直邊面密封比壓的分布情況較為復(fù)雜，在靠近上、下過渡面的部分形成了Z字形過渡區(qū)域，上、下過渡面的密封比壓集中在小徑側(cè)，經(jīng)過Z字形過渡區(qū)域后在直邊面區(qū)域中密封比壓集中在大徑側(cè)。直邊面的大徑側(cè)密封比壓分布在10~80 MPa之間，說明密封圈直邊面在大徑側(cè)接觸充分，起到了密封效果，密封部位寬度約占接觸面寬度的1/3；中徑和小徑側(cè)大部分區(qū)域的密封比壓接近于0，表明這些區(qū)域的密封效果較差。在第一組蝶閥中，密封圈接觸面上分布的密封比壓均未超過250 MPa，低于密封圈材料的許用比壓。
 

　　由圖4(b)可以看出，第二組蝶閥密封圈上的密封比壓分布情況與組有著顯著的區(qū)別。第二組蝶閥在大斜錐面上的密封比壓集中分布在中徑與大徑側(cè)，大小為30~150 MPa，由接觸狀態(tài)良好的區(qū)域所形成的密封帶寬度約占密封圈寬度的一半。與組蝶閥相比，改變了第三偏心參數(shù)的第二組蝶閥密封圈大斜錐面上分布的密封比壓數(shù)值較高，但形成的密封帶寬度較小。在小斜錐面中徑到大徑側(cè)的大部分區(qū)域密封比壓為0，小徑側(cè)密封比壓大小分布在10~110 MPa之間，密封帶寬度約占接觸面寬度的1/3，但密封帶形狀與組直邊面的密封帶形狀不同。在第二組蝶閥中，密封圈接觸面上極小部分區(qū)域的密封比壓大小超過了材料的許用比壓。由此可知，改變第三偏心后的蝶閥在密封面上的密封比壓分布情況發(fā)生了較大的變化，密封帶形狀發(fā)生變化，在大斜錐面和小斜錐面處的密封寬度縮小，分布的密封比壓大小升高。
 

　　圖4(c)中第三組蝶閥在斜錐面與直邊面區(qū)域密封比壓的分布情況與組基本一致，無論是形成的密封帶形狀還是密封比壓大小都十分接近，這表明在一定范圍內(nèi)修改第一偏心參數(shù)對(duì)三偏心蝶閥的密封面上的密封比壓分布狀況不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。因此，以下針對(duì)組和第二組進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比分析。
 

(a)
 

(b)
 

(c)
 

　　(a)方案1   (b)方案2   (c)方案3
 

　　圖4   三組密封面密封比壓分布云圖
 

　　圖5為組、第二組密封圈在Z向的變形云圖，在關(guān)閉扭矩作用下，密封圈受到閥座的擠壓作用力產(chǎn)生了彈性變形且向內(nèi)收縮，兩組蝶閥密封圈都是斜錐面的變形量大于直邊面(小斜錐面)。對(duì)比圖5(a)和(b)可知，第二組密封圈的整體變形量大于組，這說明在改變第三偏心參數(shù)后蝶閥密封圈在相同扭矩下的受力變形情況發(fā)生了變化，導(dǎo)致第二組蝶閥的密封圈與閥座的接觸受力增加，密封面處的密封比壓大小升高。
 

(a)
 

(b)
 

　　(a)方案1   (b)方案2
 

　　圖5   密封圈定向變形云圖
 

　　圖6為組和第二組蝶閥密封接觸面之間的間隙云圖，數(shù)值大小代表兩個(gè)互相接觸的面相對(duì)于初始狀態(tài)產(chǎn)生的間隙距離，其中紅色區(qū)域表示接觸面之間的間隙接近0，即密封圈與閥座接觸狀態(tài)良好。從圖中可以看出，紅色密封區(qū)域在兩組蝶閥的密封面上都能夠形成連續(xù)的密封帶，滿足密封要求。
 

(a)
 

(b)
 

　　(a)方案1   (b)方案2
 

　　圖6   蝶閥密封配合面間隙云圖
 

　　4.2   5000 N·m關(guān)閉扭矩
 

　　改變組和第二組三偏心蝶閥的關(guān)閉扭矩，將扭矩載荷降低為5000 N·m，其他邊界條件不變，對(duì)兩組蝶閥密封面的密封比壓分布情況再次進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。
 

　　對(duì)比圖4(a)和圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，改變扭矩大小后，組蝶閥密封面上的密封比壓大小略有下降，但仍能形成穩(wěn)定的密封，且所形成的密封帶形狀基本沒有發(fā)生變化。對(duì)比圖4(b)和圖7(b)可知，在減小關(guān)閉扭矩后，第二組蝶閥密封面上的密封比壓分布狀況發(fā)生了較為明顯的變化。其中，大斜錐面中段處密封帶由小徑側(cè)擴(kuò)大到中徑，密封帶寬度增加，約占接觸面寬度的1/2；小斜錐面中段處大部分區(qū)域密封比壓分布在10~40 MPa之間，這說明小斜錐面區(qū)域在小徑端和大徑端都達(dá)到了密封效果，密封帶寬度變化較為明顯。
 

(a)
 

(b)
 

　　(a)方案1   (b)方案2
 

　　圖7   減小扭矩后密封面密封比壓分布云圖
 

　　圖8為組和第二組蝶閥密封圈與閥座接觸面之間的間隙云圖。分別對(duì)比圖6(a)與圖8(a)、圖6(b)與圖8(b)可以看出，關(guān)閉扭矩的變化對(duì)第二組蝶閥密封面的接觸間隙產(chǎn)生了較為明顯的影響，扭矩由6000 N·m降低為5000 N·m后，第二組蝶閥在大、小斜錐面處的紅色密封區(qū)域面積增加。由此可知，第三偏心參數(shù)不同的兩組蝶閥的密封狀態(tài)受扭矩變化的影響有明顯區(qū)別。在一定范圍內(nèi)改變關(guān)閉扭矩，組蝶閥只有密封比壓受到一定的影響，跟隨扭矩大小的增加而增加，但密封比壓的分布范圍和所形成的密封帶形狀沒有發(fā)生明顯變化。將直邊面改為小斜錐面后，第二組蝶閥在較低關(guān)閉扭矩下反而具有更大寬度的密封帶，在較高關(guān)閉扭矩下雖然密封比壓會(huì)增加，但在大、小斜錐面處的密封帶寬度會(huì)縮小。
 

(b)
 

(b)
 

　　(a)方案1   (b)方案2
 

　　圖8   減小扭矩后密封配合面間隙云圖
 

　　5   結(jié)語
 

　　根據(jù)以上對(duì)三組偏心參數(shù)的三偏心蝶閥模型進(jìn)行仿真分析，可以得到以下結(jié)論：
 

　　(1)偏心和第二偏心對(duì)蝶閥密封面的密封比壓分布影響較小，第三偏心對(duì)蝶閥密封面的密封比壓分布影響，通過將密封圈直邊面改為小斜錐面調(diào)整偏心角度后，密封面的平均密封比壓增大，密封帶形狀發(fā)生改變。
 

　　(2)在相同的載荷與約束條件下，相較于單斜面三偏心蝶閥，雙斜面三偏心蝶閥密封狀態(tài)受關(guān)閉扭矩大小的影響更加復(fù)雜。扭矩由6000 N·m降低為5000 N·m后，雙斜面蝶閥密封面上的密封帶寬度增加。
 

　　通過有限元仿真計(jì)算，在三偏心蝶閥的設(shè)計(jì)階段分析不同偏心參數(shù)的設(shè)計(jì)方案對(duì)密封性能的影響，為閥門的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。