摘要：三偏心蝶閥因其特殊的偏心設(shè)計，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。針對三偏心蝶閥不同偏心值的設(shè)計方案，對其密封性能進行對比研究。本文建立了三組設(shè)計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。通過對比多組方案蝶閥的仿真結(jié)果，為蝶閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作提供參考依據(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。
 

　　針對三偏心蝶閥的密封性能，當(dāng)前已有許多學(xué)者進行了相關(guān)分析研究。徐滟等針對三偏心蝶閥的密封面接觸非線性問題進行分析，通過數(shù)值仿真計算了密封面密封比壓的分布，對優(yōu)化雙向零泄漏三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有指導(dǎo)意義。凌曉通過理論計算研究了蝶板尺寸參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，并通過計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密封面摩擦力矩的影響。李樹勛等使用有限元仿真方法對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)化對蝶閥密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，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)化兩種方案對三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)安全性和密封性能進行優(yōu)化，以實現(xiàn)閥內(nèi)件的輕量化設(shè)計，降低等效應(yīng)力。
 

　　本文通過ANSYS Workbench數(shù)值仿真軟件針對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)對密封面處密封比壓分布情況的影響，為閥門的設(shè)計和優(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，密封圈與閥座接觸更加有效。第二偏心使蝶閥在打開時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?，依靠密封圈與閥座接觸面之間的密封比壓實現(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)對密封面密封比壓的影響，本文建立了三組方案的蝶閥計算模型，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，第二組方案針對蝶閥的偏心角進行了修改，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，第二組方案蝶閥為雙斜面設(shè)計。
 

　　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)計階段對其進行精確計算和調(diào)整。
 

　　保證閥門達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)實用閥門設(shè)計手冊可知，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，適用的必須比壓計算公式為：
 

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)仿真分析模型簡化原則，對閥門計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)對密封副的限制作用。在SpaceClaim中對三偏心蝶閥模型進行簡化處理，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，并對閥座密封面和密封圈密封面處網(wǎng)格進行加密，以提高計算精度，網(wǎng)格總數(shù)為670068。圖2(b)為三偏心蝶閥計算區(qū)域網(wǎng)格模型，該網(wǎng)格模型共有668323個單元、990371個節(jié)點。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。因此對其他接觸設(shè)置為摩擦接觸、擴展拉格朗日法，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。對閥門在關(guān)閉工況下密封情況進行分析，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，方向為順時針方向，模擬驅(qū)動機構(gòu)對蝶板施加的關(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，不會在軸向上發(fā)生位移，因此需要對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
 

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

　　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)對三偏心蝶閥的密封面上的密封比壓分布狀況不會產(chǎn)生明顯影響。因此，以下針對組和第二組進行進一步對比分析。
 

(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)值大小代表兩個互相接觸的面相對于初始狀態(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，對兩組蝶閥密封面的密封比壓分布情況再次進行分析計算，結(jié)果如圖7所示。
 

　　對比圖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增加，但在大、小斜錐面處的密封帶寬度會縮小。
 

(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)以上對三組偏心參數(shù)的三偏心蝶閥模型進行仿真分析，可以得到以下結(jié)論：
 

　　(1)偏心和第二偏心對蝶閥密封面的密封比壓分布影響較小，第三偏心對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。
 

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