基于操作力矩的三偏心蝶閥動作特性研究

龍威，郁學軍，董成，周星宇，3，俞經虎，3

(1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214013；2.無錫斯考爾自動控制設備有限公司，江蘇無錫 214013；3.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇無錫 214013)

0 前言

隨著工業技術的不斷發展，蝶閥因結構簡單且低壓工況下密封性良好應用越來越廣泛，尤其是在石油化工、天然氣和其他流體管道輸送系統中。三偏心蝶閥在執行開關動作時，流經閥體的流體產生的動水力矩、三偏心蝶閥蝶板自身重心力矩、軸承扭矩等都會隨著蝶閥開度變化而改變[1]，使蝶閥動作到一定開度時出現驅動力矩不足的情況，導致閥軸運動不平穩、卡澀等故障。

蝶閥動水力和動水力矩有多種版本計算式，各版本之間結果差異較大[2]。肖而寬等[3]分析了不同版本的計算式之間出現數百倍差值的原因，建立了量綱一致的修正計算式，提出由靜水力直接推算最大動水力和最大動水力矩的簡化計算方法。劉華坪等[4]對4種常見閥門流動進行了動態數值模擬，得到了開關過程中的流動狀態與閥體受力情況，結果表明閥門的開啟過程與關閉過程并非簡單的反過程。韓志杰等[5]提出對三偏心蝶閥進行內部流場數值模擬，通過改變閥門的3個偏心值研究偏心與流通性能間的關系。季雷雷、何世權[6]根據現有研究得到的動水力矩曲線，利用CFD、Fluent等軟件對桁架過流式三偏心蝶閥的動水力矩進行了模擬計算，并通過優化有效地降低了動水力矩。以上研究充分表明有限元仿真的方法用于閥門流場研究的可行性。

本文作者通過有限元軟件Fluent對三偏心蝶閥內部流場進行仿真分析，計算動水力矩，并通過動水力矩公式推算蝶閥動水力矩系數，通過AMESim模擬單作用氣動執行器活塞的運動，以此來研究三偏心蝶閥閥軸的運動狀態。

1 操作力矩原理與仿真建模

1.1 有限元仿真模型

三偏心蝶閥相對于普通中線蝶閥增加了3個偏心值。圖1所示為三偏心蝶閥偏心原理，其中α為軸向偏心，表示軸中心線偏離閥體和閥板的幾何中心，此偏心使得密封能夠完全緊密環繞接觸整個閥座；b是密封面偏離軸中心線的距離；角度θ表示密封面的錐面軸線偏離于閥板幾何中心，可在關閉和開啟過程中減小摩擦作用。三偏心蝶閥在機械磨損、密封性能、使用壽命、耐熱耐腐蝕等方面都有明顯的優勢[7-8]。

圖1 偏心原理Fig.1 Eccentric principle

文中以DN400、PN10(口徑為400 mm，公稱壓力為1 MPa)的三偏心蝶閥為研究對象，其偏心值為α=4 mm，b=44 mm，θ=14°。為了得到內部流場的真實流動情況，保證仿真結果的準確性，在三維建模軟件中直接對蝶閥實際模型以布爾求差的方式抽取流道，并依據GB/T 30832推薦，流體入口延長段取5倍蝶板直徑，出口延長段為10倍。

1.2 三偏心蝶閥操作力矩原理

蝶閥操作扭矩由蝶板位置及閥門安裝類型等幾個要素組成，這些要素對閥門操作扭矩影響的計算式如下。

開閥扭矩：

Tt=Tb+Tcg+Td+Tp

(1)

式中：Tb為軸承扭矩；Tcg為重心扭矩；Td為動水力矩；Tp為填料與輪轂摩擦力矩。

軸承扭矩Tb是閥軸與軸承之間摩擦產生阻力矩，計算公式為

(2)

式中：Dd為蝶板直徑；d為閥軸直徑；Cf為軸和軸套之間靜態摩擦因數；Δp為蝶板上壓降。

重心扭矩Tcg是蝶板重心偏移導致的，當閥軸位于水平面安裝時，出現此扭矩，計算公式為

Tcg=WCgcosθ

(3)

式中：W為蝶板重力；Cg為重心到蝶板關閉狀態時距離；θ為實際通過閥板重心的垂直線與軸心線之間角度。

動水力矩Td是蝶閥設計中一個重要參數，與打開蝶閥所需要的扭矩值有著重要關聯[9]，量綱一化后的蝶閥動水力矩表達式[10]為

(4)

式中：Ct為以動壓為基準的閥門動水力矩系數；ρ為流體密度；v為流體流速；D為管道直徑。

填料與閥軸摩擦力矩Tp是蝶閥填料與閥軸之間摩擦產生的力矩，計算公式[11-12]為

Tp=0.6πpd2fh

(5)

式中：p為管道中流體介質壓力；f為填料摩擦因數；d為閥軸直徑；h為填料高度。

1.3 網格劃分及邊界條件

為了更容易地控制網格大小和節點密度，采用非結構化網格劃分，對蝶板附近及細小特征處的網格進行加密處理，四面體網格總數量在250萬～300萬之間，蝶閥網格劃分如圖2所示。在三偏心蝶閥最大許用壓差條件下設置邊界條件，壓力入口分別為0.05、0.1、0.3 MPa，壓力出口為0 MPa，參考壓力為一個標準大氣壓，流體介質為水(密度為998.2 kg/m3，黏度為0.001 003 kg/(m·s))，湍流模型為標準κ-ε模型，求解方式用二階迎風格式SIMPLE，從入口開始進行初始化，收斂條件為殘差小于10-3。

圖2 三維流域網格Fig.2 3D watershed grid

1.4 單作用氣動執行器建模

危險工況下，帶有彈簧復位的單作用執行器的最大優勢在于斷電后可以通過彈簧復位關閉閥門，降低危險系數，因此通常作為三偏心蝶閥的驅動機構。其常用撥叉機構傳動如圖3所示，力臂L始終保持不變，可以將隨開度變化的操作力矩轉化成施加在活塞右側的力。

圖3 單作用執行器傳動機構Fig.3 Single acting actuator drive mechanism

文中重點研究動水力矩對開閥動作影響，通過AMESim軟件對單作用執行器進行建模仿真，建模主要用到機械模塊庫、HCD(液壓元件)庫和PCD(氣壓元件)庫[13]，模型如圖4所示。

圖4 單作用氣動執行器Fig.4 Single acting actuator

氣動系統介質為空氣，通過溢流閥3控制進入氣缸的壓力不超過0.45 MPa，信號源4控制三位三通閥右位工作，單作用執行器6活塞直徑為350 mm，活塞桿直徑為40 mm，活塞初始速度為0，長度為330 mm，彈簧剛度為8 000 N/m，活塞7質量為33.7 kg，并通過位移傳感器8將位移轉化成信號，最后通過元件9和10將信號再轉化成隨位移變化的力。

2 結果與分析

2.1 流場仿真結果分析

對三偏心蝶閥流場進行三維定常數值仿真計算，設定不同閥板開度，得到蝶閥在10°、20°、30°、40°、50°、60°、65°、70°、80°、90°開度下管道內部流場情況、蝶板動水力矩及其系數的變化規律。當入口壓力為0.1 MPa時，在10°、40°、65°、90° 4個典型開度下蝶閥對稱面速度云圖如圖5所示。可以看出：入口段的流速小于出口段流速，隨著蝶板開度的增大，平均流速及最大流速都在增加，但流動狀態更平穩，流速分布更加均勻。同時在65°開度之前，流道內存在漩渦，對動水力矩平穩性有較大影響；在65°開度之后，漩渦明顯減少甚至消失，對平穩性的影響減小。當蝶板開度較小時，蝶板密封面處的速度較大，密封面沖刷嚴重；隨著蝶板開度增加，密封面的沖刷減弱。

圖5 速度云圖Fig.5 Speed cloud maps

當入口壓力為0.1 MPa時，在10°、40°、65°、90°開度下蝶閥對稱面壓力云圖如圖6所示。可以看出：入口段壓力始終大于出口段，隨著蝶板開度的增大，流動狀態更平穩，入口往出口方向的壓力變化也更加平緩。除90°開度外，其他開度下蝶板上部的壓力大于下部，使蝶板有關閉的趨勢。隨著開度增大，壓差增大，壓差產生使蝶閥關閉的力矩，因此蝶閥在此力矩的作用下，閥門開啟過程與關閉過程并非簡單反過程。

圖6 壓力云圖Fig.6 Pressure cloud maps

2.2 三偏心蝶閥力矩實驗與分析

動水力矩測量實驗就是將三偏心蝶閥安裝在實驗管路中，驅動機構采用齒輪齒條式執行機構，通過測量不同開度下閥軸總操作力矩，減去空載時的閥軸力矩，得到不同開度下動水力矩。實驗閥門及裝置如圖7所示。

圖7 動水力矩實驗Fig.7 Dynamic hydraulic moment experiment

在0.05、0.1、0.3 MPa入口壓力條件下，三偏心蝶閥動水力矩及其系數模擬結果、實驗結果如表1所示。在同一入口壓力的不同開度下，仿真模擬動水力矩的結果與實驗結果的變化趨勢一致，動水力矩的方向總是與蝶閥關閉方向相同，使蝶閥有關閉的趨勢。

表1 動水力矩結果Tab.1 Dynamic hydraulic moment results

從表1可以看出：隨著蝶閥開度增加，動水力矩特性總是呈現先單調遞增后單調遞減的趨勢，在0.05、0.1、0.3 MPa入口壓力下，模擬動水力矩分別在70°、65°、60°開度時取最大值。隨著壓力增大，動水力矩最大值出現的開度在往小開度方向偏移；在不同入口壓力下，三偏心蝶閥壓差越大，其蝶板上受到動水力矩的數值也相應增大，但是它和開度變化趨勢和幅度相同，在0.05、0.1、0.3 MPa入口壓力下，在10°～90°開度之間時，動水力矩最大值是最小值的4.5、4.6、4.7倍。

利用公式(4)計算出以動壓為基準的閥門動水力矩系數，它隨開度增加而減小，不同壓差下無明顯變化。

由公式(1)-(5)得到不同壓差下蝶閥操作力矩隨開度的變化曲線。如圖8所示：開度越大，動水力矩在總操作力矩中占比越大，0.1 MPa時動水力矩占總操作力矩56.2%，0.3 MPa時為64.83%。閥軸垂直安裝的三偏心蝶閥操作力矩，在0.1 MPa壓差下開閥過程中最大操作力矩在60°開度時出現，當壓差增大，同開度下動水力矩在操作力矩中占比減小。

圖8 三偏心蝶閥開閥操作力矩(0.1 MPa壓差下)Fig.8 Triple eccentric butterfly valve open valve operating torque (under 0.1 MPa pressure difference)

2.3 蝶閥運動狀態分析

文中通過研究單作用執行器活塞的位移及速度變化來探究運動平穩性，圖9所示為三偏心蝶閥分別在0、0.1、0.3 MPa入口壓力下，操作力矩對單作用執行器活塞運動的影響曲線，通過活塞的運動狀態反映三偏心蝶板的運動情況。從圖9(a)單作用執行器活塞行程中可以看出：當三偏心蝶閥空載沒有動水力矩時，單作用執行器在16 s后走完全程，在0.1 MPa動水力矩下需要16.7 s，在0.3 MPa下則需要17.7 s。隨著壓差的增加，蝶閥的操作力矩隨之增大，在此影響下，單作用三偏心蝶閥的開閥動作時間增加，且活塞位移平穩性下降，尤其在操作力矩最大處附近。

圖9 單作用執行器活塞運動狀態Fig.9 Single acting actuator piston movement state：(a) displacement；(b)speed

從圖9(b)活塞速度中可以明顯看出：在開閥過程中，當閥門處于空載無動水力矩狀態時，活塞運動速度接近于線性變化，活塞運動平穩，三偏心蝶閥蝶板轉動也較為平穩；當蝶閥受到操作力矩作用時，活塞運動呈現先減速后加速的過程，且隨著壓差的增大，速度變化更加劇烈。研究操作力矩可知：動水力矩在三偏心蝶閥操作力矩中占比較大，導致三偏心蝶閥動作的不平穩性，蝶板轉速先減小，當蝶板轉過最大動水力矩出現的開度后，蝶板轉速快速上升，隨著壓差增加，動水力矩作用帶來的不平穩性變得更加劇烈，0.1 MPa壓差下動作時間增加4.4%，0.3 MPa下增加了10.7%。

除操作力矩外，單作用執行器結構參數對開閥動作過程也影響顯著，文中探究了執行器氣缸尺寸和彈簧剛度對其開閥動作的影響，圖10所示為0.1 MPa壓差下，不同結構參數對活塞速度的影響。增加單作用執行器活塞直徑以及彈簧剛度會使得蝶閥動作過程總時長增加，但能使蝶閥開閥過程更平穩。

3 結論

(1)利用有限元分析軟件Fluent分別對10個不同開度下的三偏心蝶閥進行仿真計算，快速準確地獲得了包括動水力矩、蝶板壓差等閥門內部的流場信息。通過對同一模型不同入口邊界條件下動水力矩的研究可知：隨著入口壓力增大，動水力矩增大，它和開度變化的趨勢一致，此蝶閥模型的動水力矩的最大值在60°～75°開度之間，且隨著壓差增大向小開度偏移，因此蝶閥工作時不能長期處在動水力矩最大的開度。

(2)對三偏心蝶閥在動作過程中操作力矩進行數值計算，得到操作力矩隨開度變化曲線，結果表明：動水力矩對蝶閥操作力矩影響較大，尤其是當壓差較大時，0.1 MPa時動水力矩占總操作力矩的56.2%，0.3 MPa時為64.83%。

(3)對單作用氣動執行器進行氣動系統建模，通過活塞的運動狀態反映三偏心蝶板的動作特性。結果表明：在0.1、0.3 MPa壓差下，三偏心蝶閥動作時間比空載時分別增加了4.4%、10.7%。操作力矩使閥軸速度在整個動作過程中出現先減小后增加的趨勢，且隨著操作力矩的增大，速度變化更加明顯，增加單作用執行器活塞直徑以及彈簧剛度可使蝶閥開閥過程更加平穩。