三偏心蝶閥閥板結構分析及優化

陳松華

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

三偏心蝶閥被廣泛應用于流體管道系統中，其功能主要為正常啟閉、調節介質流量、隔離設備和管道、排泄壓力等[1]。閥板作為蝶閥里的重要零件，起著十分重要的作用，它不僅可以抵擋介質流動方向的壓力，讓介質在管道里正常流動，或切斷介質，又能夠作為閥桿、密封圈、壓圈等零件安裝基體，其結構形式對閥門自身的密封性能有著重要的影響，良好的閥板性能可以讓閥門在動作時平穩可靠，安全性更高[2]。

傳統的三偏心蝶閥閥板采用平板式結構，結構單一，僅適用于低壓介質管道。當用于中高壓介質管道時，閥板會產生一定量的變形，不僅會影響閥門的密封性，還會使閥門扭矩增大，遇到緊急情況時閥門難以打開或關閉，嚴重時會危及生產安全[3]。

本文以某規格三偏心蝶閥為例，該閥閥板采用龜背式結構，該結構根據“三角形穩定”原理，本質上克服了介質壓力給閥板帶來的變形，優化結構中的重要參數如閥板偏心值(H)、龜背拱度球面半徑值(R)等，使用Solidworks軟件分析三偏心蝶閥閥板結構靜應力，得出閥板在介質載荷作用下的最大變形量，并且最大變形量越小越好，以達到優化三偏心蝶閥閥板結構的目的。

1 閥板結構分析和計算流程

1.1 建立模型

根據《實用閥門設計手冊》[4]中的計算公式，粗略計算出閥板尺寸，僅用于閥板三維建模初始數據[5]。采用Solidworks軟件繪制閥板三維簡化模型，該模型只需具有本文研究閥板時所需要的參數即可，可以避免其他參數的干擾，能夠直觀看出參數值的不同對閥板結構的影響。

1.2 約束分析

閥板可以選用靜應力分析法[6]，根據閥板實際工作狀態，假定約束條件，盡可能選擇完整約束點或者約束面，以保證模擬工況的準確。

1.3 載荷區分

根據實際工況以及設計要求，實際工況下對應的有外部載荷和內部載荷兩種。外部載荷主要有力、扭矩、壓力、軸承載荷等，內部載荷包括自身重力、摩擦力、介質阻力等。由于工況的不確定性，載荷種類多，計算復雜，評定方法也不同，所以載荷計算要有代表性。

1.4 應力分析

應力分析的方法主要有公式法和有限元法[7]。公式法使用文檔或者小程序編輯公式，輸入合適參數值，得到閥板各處相應應力值。整個計算過程邏輯性強，但靈活性差，不夠直觀，結果誤差較大。有限元法能夠清楚、直觀地表達計算過程，能夠將實物模型的每處劃分網格，尤其是對零件薄弱或者應力集中部位都能夠劃分出精細的網格，從而達到每處應力的精確計算，每一處的應力都能用數值以及圖片標識展示，缺點是計算量大時計算速度較慢。但是伴隨著計算機技術的不斷提高，有限元計算能力逐日增強。三維模型導入相關軟件里，計算速度越來越快，結果越來越準確。

1.5 結果評定

Solidworks軟件會顯示閥板實際應力值和變形量[8]，針對閥板關鍵部位進行結果評定。

2 案例應用及分析

以大口徑三偏心金屬密封蝶閥為例，閥門主要零件材料和許用應力見表1所列閥門設計滿足ASME規范要求，選取閥門公稱通徑為DN2 000，設計壓力為1.8 MPa，設計溫度為290 ℃。本文旨在研究三偏心蝶閥閥板結構設計和優化，在閥門規格選取時，為了方便操作和比較，選擇常規三偏心蝶閥即可。

表1 設計溫度下主要零件材料選取和許用應力

2.1 建立模型

三偏心蝶閥閥板動作都是角行程，由于轉動中心偏心的存在，需注意閥板在啟閉時存在的受力差[9]。根據文獻[4]中的計算公式計算出閥板A和R等粗略值。閥板結構參數值A和R示意，如圖1所示。該次優化方案主要是通過調節閥板結構參數A和R，建立的三維模型分析，從而得出閥板變形量。

圖1 閥板參數A和R示意

本文分別選用三組對比數值：A=14 mm,R=1.4 m；A=16 mm,R=1.5 m；A=18 mm,R=1.6 m,分別建立閥板三維模型。三偏心蝶閥閥板三維模型如圖2所示。

圖2 三偏心蝶閥閥板三維模型示意

該模型中筋的作用明顯，在受力過程中起到了支撐薄弱部位作用，需要在模型中體現，至于銷釘孔、螺釘孔、搬運螺釘孔等其他因素影響不大，無需體現[9]。其次要定義閥板模型材質，包括： 彈性模量、密度、泊松比、屈服強度等，不同的材質在不同工況下的力學性能不盡相同，本文定義閥板材質為鑄造碳鋼。

2.2 約束分析和載荷計算

建立閥板三維模型，然后觀察閥板結構變形，要對閥板進行模擬工況下有限元分析，檢驗閥板結構優化方案的可靠性[11]。

根據上述方案，選取A=16 mm，R=1.5 m，建立約束條件，模擬閥板工作時的狀態，固定閥桿軸頭，施加一個固定約束，軸孔所有的自由度都被限制，閥板和閥桿保持固定。隨著閥門角行程執行機構產生扭矩的輸出，閥板跟著閥桿轉動，轉動過程模擬實際工況下的閥門開啟和關閉。再模擬閥板受力面，在閥板的后表面施加壓力，該壓力要平行于管道介質流向，對閥板施加外部壓力為1.8 MPa，三維模型中模擬閥板受力如圖3所示。最后對零件受力單元劃分網格，越是薄弱環節或者重要受力部位網格劃分越要精細，計算結果才會更加精確。

圖3 三維模型中模擬閥板受力示意

2.3 結果分析

本文只考慮三偏心蝶閥閥板作業時受到介質力，忽略其他情況。上述方案閥板受力變形量如圖4 所示。由圖4看出，豎條由底往上，閥板變形量越來越大。結果顯示閥板最小變形量為1×10-30mm，無限接近于零，說明該區域沒有變形；最大變形量僅為0.148 7 mm，設計要求最大區域變形量遠小于0.2 mm，所以該閥板符合設計要求。

圖4 閥板變形量示意

當閥板處于關閉狀態時，受到介質壓力的影響最大，閥板此時的變形也最大，最大變形位置處于閥板中間邊緣，從圖4看出閥板邊緣淺灰色區域真實變形量非常小，其他部位更小，甚至沒有任何變形，由此判斷該狀態下的閥門密封效果良好。

為進一步驗證參數，繼續分析其他2組數據：A=14 mm,R=1.4 m；A=18 mm,R=1.6 m,所建立的三維模型。最后從Solidworks軟件中讀取閥板變形量結果見表2所列。

結果表明，閥板其他尺寸不變，A值對閥板變形量影響很小，甚至可以忽略。R對閥板變形量影響較大，在允許的設計范圍內，該值越小，閥板最大變形量越小，閥板越堅固。因此閥板R值是判斷閥板性能的重要參數，該參數的選取直接影響閥板性能的優劣。

表2 不同參數下閥板變形量 mm

由此可以判斷，通過減小閥板R值的方法，有效改善了三偏心蝶閥閥板的結構性能，完全符合優化要求。

3 結束語

本文圍繞三偏心蝶閥閥板結構優化展開研究，根據閥板結構特點，同時忽略其他參數值影響，通過改變A值和R值的方法建立三維模型，使用Solidworks軟件分析，比較在模擬載荷下閥板最大變形量作為研究方法。

研究結果表明，在滿足三偏心蝶閥工作時不泄漏、內件不干涉要求的前提下，適當減小閥板R值能夠有效減小閥板變形，使閥板更結實、可靠，進而優化了閥板結構，滿足閥門長久穩定使用需求。