阀门仿真试验系统中蝶阀与球阀密封副的摩擦力矩分析_陈英华

作者简介:陈英华(1979-),女,化工过程机械硕士研究生。

阀门仿真试验系统中蝶阀与球阀密封副的摩擦力矩分析

陈英华,杜兆年

(兰州理工大学,甘肃　兰州　730050)

　　摘要　介绍了阀门仿真试验系统,以ANSYS 的分析结果为基础,对蝶阀和球阀的摩擦力矩进行了求解。给出了计算程序,并分析了程序对不同阀门的通用性。　　关键词　仿真;密封力;摩擦力矩;蝶阀;球阀

　　中图分类号:TH134　　　　文献标识码:A

The frictional moment analysis of butterfly valve and ball valve on the

simulation and experimentation system of the valve

CHEN Ying -hua ,DU Zhao -nian

(Lanzhou university of technology ,Lanzhou 730050,China )

A bstract :The simulation and experimentation system of valve is introduced ;the frictional moment of

butterfly valve and ball valve is calculated on base of the analy sis of ANSYS ;the prog ram of calculation is given ,and analy ze the generality of the prog ram .

Key words :simulation ;seal force ;frictional moment ;butterfly valve ;ball valve 1　概述阀门广泛应用于石油、化工、电力、水利和管道运输系统等各方面。随着阀门设计制造水平的提高,阀门的应用领域在不断扩大,高科技成果的不断应用使阀门功能型开发的前景更加广阔。一种新型阀门的开发都需经过设计、制作模具、加工装配、性能检测等工序,耗费大量的人力、物力和财力,周期长,成本高,且不能保证设计的新型阀门具有预期的性能指标。因而,近年来阀门的虚拟设计与仿真成为业内人士的一种共识。2　工作原理

阀门的仿真试验系统是利用计算机技术对所设计的阀门在制造前进行模拟实际工况条件的仿真试验,可对产品的性能给出初步评价,对设计中的缺陷进行修正,确保设计后各工序的有效性。本系统通过有限元分析计算,确定该设计阀门在实际工况下的应力场、温度场与位移场,最终给出产品密封副密封性能、流阻、阀杆扭矩、水锤以及其主要零部件的强度与变形数据和评价结论。系统采用软件ANSYS 作为主要建模和分析平台。3　摩擦力矩分析

蝶阀和球阀的转矩计算是确定驱动装置的功率及主要零件强度计算的基础。转矩大小主要取决于

摩擦力矩和介质流经阀门所产生的动水力矩。动水

力矩是由于转轴两侧动水作用力不等而引起的力矩,是在启闭件脱离阀座密封面后,在介质流动中

产生的。它和密封面间的摩擦力矩不会同时产生,在数值上一般小于密封面间的摩擦力矩。摩擦力矩一般包括:启闭件与阀座密封面之间的摩擦力矩,阀杆与填料间的摩擦转矩,阀杆与轴承之间的摩擦力矩等。其中,密封面间的摩擦力矩计算比较复杂,而其他部位的摩擦力矩已有成熟和简单的计算公式,因此仅计算密封面间的摩擦力矩。

本文通过软件对阀门密封副进行接触分析,得到应力、应变、支反力和接触压力等。通常,密封力为均布载荷,但在这里考虑到ANSYS 的分析方法是有限元法,它给出结果时,把作用在有限单元上的均布载荷集中到单元节点上,故可认为接触压力即为密封力,它的精确求解为阀门密封面间摩擦力矩的求解提供了可靠的基础。

4　蝶阀的摩擦力矩

就仿真系统而言,它对阀门性能评价的方式决定了计算并不注重启闭过程中启闭件所经历的每个位置的力矩大小,而只关心其中力矩的最大值。对于密封型的蝶阀,最大力矩一般产生在开启的最初瞬间,因而计算这一时刻的摩擦力矩,对阀杆强度

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分析和驱动力矩的确定有十分重要的意义。

近年来,为解决蝶阀在高温高压工况下的使用问题,金属三偏心蝶阀得到了广泛的使用,相关的技术问题也随之而来,对中蝶阀或单偏心蝶阀的相关公式已不再适用。本文主要以三偏心蝶阀为例,进行推导。图1为金属密封三偏心蝶阀,为方便计算力矩,将蝶板回转中心作为坐标原点

。

图1　三偏心蝶阀的结构

　　蝶板为圆锥斜截成的圆锥台。设圆锥半锥角为β,密封面宽度为b ,蝶板回转中心相对于流道中心的径向偏心为a ,回转中心相对于蝶板中面的轴向

偏心为e ,以及圆锥轴线相对于流道中心线的角度偏心为α。

由正锥方程

z ′2+x ′2

=

H

cos α

-y ′tg β坐标变换

x =x ′y =y ′·cos α+z ′·sin α+e z =z ′·cos α-y ′·sin α+α变换后,得斜圆锥方程

　[(z -a )cos α+(y -e )sin α]2+x 2=H cos α

-(y -e )cos α+(z -a )sin αtg β设密封面上任意一点为A 1(x ,y ,z ),其受力情况如图2所示。

　　x 轴为旋转轴,密封面上任一点都是绕x 轴作圆周运动。密封力的方向为该点的法线方向,摩擦力的方向与该点的母线方向平行。设在A 1点,

蝶板受密封力为N ,受最大静摩擦力f 为(当开启瞬间)

f =μ·N

由图可知,求解摩擦力对x 轴的力矩即是摩擦力矩。摩擦力是一个空间向量,由摩擦力来求摩擦力

矩时,需计算它与各坐标轴的夹角,以求出密封力在各个坐标面的分力,进而求出摩擦力矩。

图2　密封面任意点受力分析

　　设摩擦力f

的方向矢量为n

(F x ,F y ,F z ),O 1点坐标为(0,e +H ,-H tg α+a ),则

F x =-x F y =e +H -y F z =-H tg α+a -z

设摩擦力f

与x 、y 、z 轴的夹角为α、β、γ,则

|f

|=

F x 2+F y 2+F z

2

夹角为

cos α=F x

F x 2+F y 2+F z 2

cos β=

F y F x 2+F y 2+F z 2

cos γ=

F z

F x 2+F y 2+F z 2

摩擦力在各个轴的分力为

f x =f ·cos αf y =f ·cos βf z =f ·cos γ该点对L 轴的摩擦力矩为

M m =y ·f z -z f y

密封面上所有点对L 轴的力矩为

M =

∑n

i =1

M mi

5　球阀的摩擦力矩

球阀的转矩大小取决于球体与阀座间的摩擦力矩和流体流动的动力矩,其中以摩擦力矩为主。浮动球球阀转矩与开度的关系如图3〔2〕所示。　　由图3可以看出在球体开启的瞬间,转矩具有最大值。因为这时密封副受到的密封力最大(要承受最大压差及预紧力作用)。随着开度增大转矩逐

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图3　球阀转矩与开度关系

渐下降,虽然在12°～14°时又略有升高,但总的来说,最大转矩发生在开启的瞬间。因此,计算分析阀杆力矩时,按最大压差(即处于全关状态下)进行。在这一阶段,只有摩擦力矩而无动水力矩。

由ANSYS 接触分析可得密封力N ,密封面间的摩擦力为f 。密封面上任一点A 的受力状况如图4所示

。

图4　密封面上任意点受力分析

　　设密封面上任一点A 的坐标为A (x ,y ,z ),转轴L (即z 轴)的方程为

x =0

y =0

A 点到L 的距离为r =

x 2

+y

2

由几何关系分析,摩擦力的方向是沿A 点处绕轴旋转的切向方向并与旋转度方向相反,则摩擦力为

f =μ·N 摩擦力矩为M m =f ·r 摩擦总力矩为

M =

∑n

i =1

M m

i

6　程序设计

6.1　程序流程

图5为程序流程图。

图5　程序流程图

6.2　程序通用性分析

程序以三偏心蝶阀为计算模型,对于其他形式的蝶阀,出现最大扭矩的时刻也为开启的瞬间,结构上只要把偏心结构参数设置为零即可。因此,程序对任意蝶阀都适用。对于球阀而言,程序可对浮动或固定球阀的非偏心球阀进行求解。

7　结语

阀门仿真试验系统的最终功能体现在对阀门性能和对设计的整体评价。因此,建立一个力学分析与性能分析之间的桥梁是十分必要的。阀杆的转矩在性能分析中是一个重要的参数。

①通过对ANSYS 分析结果的计算,提供了一种计算启闭件摩擦力矩的方法。它可对金属密封蝶

阀和球阀进行计算,通用性好,克服了以往采用平均值计算结果不精确的缺点。

②从分析情况看,蝶阀(包括三偏心蝶阀)和球阀的受力情况必定对某一轴对称,故计算时可加以判断,只计算一半阀瓣(或球体)。

③本文的基础是建立在用ANSYS 对密封副进行分析的结果上的,因此ANS YS 分析的结果对计算结果的精确度有很大影响。故在计算前,需利用相关技术知识对ANSYS 结果的可靠性进行评定。

参

考

文

献

〔1〕　杨源泉,杜兆年等.阀门设计手册〔M 〕.北京:工业机械

出版社,1992.

〔2〕　章华友,晏泽荣等.球阀设计与选用〔M 〕.北京:北京科

学技术出版社,1994.

〔3〕　余晓庆.三偏心蝶阀的发展及应用〔J 〕.中国仪器仪表,

2001,(12):15-17.

(收稿日期:2004.08.18)

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