三偏心蝶閥的結構設計及優化要點

江力

三偏心蝶閥的結構設計及優化要點

江力

（九牧廚衛股份有限公司，福建 廈門 361000）

為了優化三偏心蝶閥結構，通過仿真分析，挖掘三個偏心與流量特性之間不協調問題。針對此問題，采取正交試驗方法，設計蝶閥結構優化設計方案。試驗及仿真結果表明，在滿足蝶閥不泄漏、不干涉要求情況下，角度偏心為4.5°，徑向偏心為11 mm，軸向偏心為135 mm為最佳結構設計方案。

三偏心蝶閥；優化分析；結構設計；密封性能

蝶閥作為管道輸送的重要組成部分，其內部結構性能在一定程度上決定了輸送介質、管道系統的控制效果，關乎著中國航空航天、醫療器械、石油化工等多個領域的發展[1]。三偏心蝶閥是繼雙偏心結構之后推出的新型結構，因結構設計方案不成熟，容易發生形變，其結構設計方案仍需進一步完善。本文以三個偏心與流量特性之間不協調問題作為重點研究內容，提出結構優化方案。

1 三偏心蝶閥的結構分析

三偏心蝶閥結構是在雙偏心結構基礎上添加1個傾角，調整各個接觸應力，使其均勻分布，并提高密封性能，從而達到改善蝶閥結構性能的目的。

以蝶板中心作為參照，蝶板回轉中心與其形成的軸向偏心距，記為；以蝶板中心作為參照，蝶板回轉中心與其形成的徑向偏心距，記為；閥體通道軸線與蝶板錐面軸線形成角偏心，記為。

雖然三偏心蝶閥存在軸向偏心距離，提高了蝶閥密封面的連續性，降低了設備加工制造難度，但是蝶板密封面回轉半徑遠遠超出封面部位設定半徑，導致密封表面無法進入閥座，出現了“干涉”情況。為了避免此問題對裝置性能造成影響，必須對蝶閥結構進行優化處理。

2 三偏心蝶閥的有限元分析

在構建蝶閥三維模型時，施加載荷和約束條件，完成蝶閥網格劃分，從而提高有限元分析精度。本文利用ANSYS有限元分析軟件，對三偏心蝶閥結構進行仿真分析。蝶面變形仿真結果如圖1所示。通過觀察圖1可知，蝶閥表面出現了嚴重變形問題，說明蝶閥流量存在較大問題，因三個偏心與流量特性之間不協調，導致蝶閥作業過程中流阻系數較大，影響了蝶閥形態。

3 三偏心蝶閥的結構設計及優化要點

3.1 三偏心蝶閥的結構優化

為了解決蝶閥結構形變問題，本文從控制流量角度出發，通過調節流量與三個偏心角間的關系，采取正交化優化試驗，通過仿真分析，檢驗蝶閥結構優化設計方案的可靠性。

圖1 蝶面變形仿真結果

密封副接觸點對應的旋轉半徑大于P1點對應的旋轉半徑，通過將蝶板旋入閥座，使得蝶閥得以接觸密封。另外，副接觸點對應的旋轉半徑小于P4點對應的旋轉半徑，以此控制蝶板切入密封位置，提高閥門密封性能，形成零泄漏結構。實際上，這種優化方案的思想是通過調節角度偏心、徑向偏心、軸向偏心，來控制流量系數，從而解決閥門流量受阻問題。按照此優化方案設計原理，對蝶閥參數進行優化試驗設計。本研究采用正交試驗法，合理規劃試驗方案，從而選取最佳參數設置方案。本試驗以角度偏心、徑向偏心、軸向偏心作為正交試驗因素，以流阻系數、流量系數作為性能指標。設計值：角度偏心=5°，徑向偏心距15 mm，軸向偏心距140 mm，設定4個水平變化范圍，開啟正交試驗。通過布設正交試驗體系，并計算不同情況下的流量系數及流阻系數，根據計算結果，選取最佳優化方案。

通過觀察計算結果可知，測試編號為5的試驗所得流阻系數計算數值最小，流量系數計算數值最大，此次試驗參數為最佳配置。為了進一步確定，本文還對優化目標采取極差分析，通過計算極差，對影響因素進行排序，為蝶閥設計方案優化研究提供參考依據。流量系數極差分析結果如表1所示，流阻系數極差分析結果如表2所示。

綜合對比表1和表2中的計算結果可知，徑向偏心對蝶閥結構流通影響最大，軸向偏心對其造成的影響最小。如果以流量系數為判斷依據，最優組合為212；如果以流阻系數為判斷依據，最優組合為112。

表1 流量系數極差分析

序號因素 角度偏心φ徑向偏心b軸向偏心a A10.607 740.614 760.609 74 A20.613 490.612 010.610 74 A30.610 740.606 490.608 99 A40.607 010.605 740.609 49 極差R0.006 510.009 010.001 74 因素影響順序徑向偏心b>角度偏心φ>軸向偏心a 優先水平φ2b1a2

表2 流阻系數極差分析

序號因素 角度偏心φ徑向偏心b軸向偏心a A130.963 6830.942 9930.963 49 A231.051 5931.092 9130.963 82 A331.138 9231.089 8330.963 79 A431.038 4931.041 7930.963 79 極差R0.175 210.450 790.000 29 因素影響順序徑向偏心b>角度偏心φ>軸向偏心a 優先水平φ2b1a1

3.2 仿真結果分析

考慮到三偏心蝶閥作業作用中不可以存在泄漏、干涉等情況，綜合對比組合212和組合112的各項因素，選取212為最佳方案。

為了進一步驗證最佳參數的設計方案，本文采用了仿真分析法，從軟件中讀取數據，對優化前后流通性能再次進行分析。

仿真結果表明，優化處理的流量系數增加了0.011，流阻系數降低了1.992 m3/h。由此可以判斷，本文選定的212方案可以有效改善蝶閥結構性能，符合優化處理要求。

4 結論

本文圍繞三偏心蝶閥結構問題展開研究，通過有限元分析，選取三個偏心與流量特性之間不協調問題作為研究方向，以角度偏心、徑向偏心、軸向偏心為因素，設計正交試驗。試驗結果表明，在滿足蝶閥不泄漏、不干涉要求的情況下，212為最佳方案。

另外，本文采取仿真分析法，對比優化前后的流量系數、流阻系數，再次確定優化方案，即角度偏心為4.5°，徑向偏心為11 mm，軸向偏心為135 mm。

［1］石路也，曹國峰，謝龍寶，等.南寧萬達茂主題樂園鋼結構優化設計要點淺析［J］.建筑結構，2017（Suppl 2）：185-187.

TH134

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.041

2095－6835（2019）24－0096－01

江力（1985—），男，福建上杭人，本科，中級工程師，主要研究方向為衛浴新型結構的創新、整裝衛浴系統工程。

〔編輯：張思楠〕