三偏心蝶阀偏心值对密封面密封比压的影响分析

　　摘要：三偏心蝶阀因其特殊的偏心设计，适用于高温高压工作环境，并广泛应用于各种工业领域。针对三偏心蝶阀不同偏心值的设计方案，对其密封性能进行对比研究。本文建立了三组设计方案下的三偏心蝶阀模型，通过有限元仿真分析，深入研究了不同关闭扭矩下、不同偏心参数的蝶阀密封面密封比压分布情况、密封圈变形量和密封面间隙分布情况。结果表明，在相同的边界条件下改变第三偏心的双斜面蝶阀，密封面密封比压和平均密封比压均高于其他方案，且密封带形状有所不同。通过对比多组方案蝶阀的仿真结果，为蝶阀结构的设计工作提供参考依据。
 

　　关键词： 三偏心蝶阀；密封性能；密封比压；建模与仿真
 

　　1   概述
 

　　三偏心蝶阀采用金属硬密封，阀板中间的密封圈在扭矩作用下与阀座接触，通过接触面之间产生的密封比压形成密封。相较于中线蝶阀、单偏心蝶阀和双偏心蝶阀，三偏心蝶阀在高温高压下具有更好的密封性能，其在能源化工等工业领域具有广泛的应用前景。
 

　　针对三偏心蝶阀的密封性能，当前已有许多学者进行了相关分析研究。徐滟等针对三偏心蝶阀的密封面接触非线性问题进行分析，通过数值仿真计算了密封面密封比压的分布，对优化双向零泄漏三偏心蝶阀的结构设计具有指导意义。凌晓通过理论计算研究了蝶板尺寸参数之间的函数关系，并通过计算分别阐述了三偏心蝶阀的轴向偏心距、径向偏心距和角偏心对密封面摩擦力矩的影响。李树勋等使用有限元仿真方法对三偏心蝶阀在高温工况下的密封性能展开研究，通过参数化方法与响应面优化对蝶阀密封结构进行优化设计，调整结构尺寸后的三偏心蝶阀密封性能得到有效提升。Wang等通过拓扑优化和响应面优化两种方案对三偏心蝶阀的结构安全性和密封性能进行优化，以实现阀内件的轻量化设计，降低等效应力。
 

　　本文通过ANSYS Workbench数值仿真软件针对DN300三偏心蝶阀的密封性能展开分析，研究蝶阀的偏心参数对密封面处密封比压分布情况的影响，为阀门的设计和优化方案提供可靠依据。
 

　　2   密封副结构与仿真原理
 

　　2.1   结构原理
 

　　三偏心蝶阀的结构原理如图1所示，其中偏心为轴向偏心，第二偏心为径向偏心，第三偏心为角偏心。偏心使蝶阀在关闭状态下受流体介质作用力时，密封圈与阀座接触更加有效。第二偏心使蝶阀在打开时密封圈能够快速与阀座分离，减少密封圈与阀座之间不必要的过度挤压或者摩擦现象，降低磨损和开启扭矩。第三偏心改变了蝶阀的密封结构，由位置密封转变为扭矩密封，依靠密封圈与阀座接触面之间的密封比压实现密封，使蝶阀在高压下能够保持良好的密封性。
 

图1   三偏心蝶阀密封结构
 

　　为研究蝶阀偏心参数对密封面密封比压的影响，本文建立了三组方案的蝶阀计算模型，分别调整蝶阀结构，使其具备不同的偏心参数。三组方案的蝶阀偏心参数如表1所示，第二组方案针对蝶阀的偏心角进行了修改，在相较于第一组方案蝶阀模型密封圈斜锥面角度不变的情况下，将直边面调整为小斜锥面，即组与第三组方案蝶阀为单斜面设计，第二组方案蝶阀为双斜面设计。
 

　　表1   三组方案蝶阀模型偏心参数
 

2.2   密封比压
 

　　密封比压定义为施加在密封面上的压力与密封面面积之比，即密封面单位面积上受到的平均压力。密封比压是影响阀门密封性能的重要因素，可在阀门设计阶段对其进行精确计算和调整。
 

　　保证阀门达到密封的最小比压称为必须比压，常用qb表示。必须比压的大小受密封结构材料、流体介质温度的影响，根据实用阀门设计手册可知，当密封结构材料为钢质合金、流体介质为常温液体时，适用的必须比压计算公式为：
 

式中   P——阀门公称压力，MPa
 

　　bM——密封面宽度，mm
 

　　三组设计方案下的三偏心蝶阀公称压力为5 MPa，密封面宽度为10.64 mm，根据式(1)计算可得阀门的必须比压为8.24 MPa。除必须比压外，许用比压也是阀门设计工作中需要考虑的重要参数，其定义为阀门密封面单位面积所能承载的压力值，一般用[q]表示。对于密封结构材料为不锈钢或硬质合金的阀门，在密封面间无滑动情况下，其许用比压一般取为250 MPa。
 

　　3   边界条件
 

　　‌3.1   前处理与网格划分
 

　　本文重点关注蝶阀密封面上的密封比压分布，根据仿真分析模型简化原则，对阀门计算模型采用局部分析法，仅保留蝶板、压盖、密封圈和阀座等部件，由边界约束条件等效替代舍弃部分结构对密封副的限制作用。在SpaceClaim中对三偏心蝶阀模型进行简化处理，去除部分区域模型、表面多余线条及部分微小特征，如图2(a)所示。将处理后的蝶阀模型导入Workbench静态结构模块中，网格划分采用四面体网格，其中阀座、密封圈网格尺寸为8 mm，其余部件的网格尺寸为12 mm，并对阀座密封面和密封圈密封面处网格进行加密，以提高计算精度，网格总数为670068。图2(b)为三偏心蝶阀计算区域网格模型，该网格模型共有668323个单元、990371个节点。蝶阀各部件所使用材料及材料参数如表2所示，其中阀座表面具有碳化钨涂层，在静态结构模块中通过插入“表面涂层”进行设置。
 

(a)
 

(b)
 

　　图2   蝶阀仿真模型示意图
 

　　表2   三偏心蝶阀部件材料
 

3.2   接触与载荷约束
 

　　根据接触对中接触面的定义原则，将密封圈面定义为接触面，阀座面定义为目标面。在实际工况中，蝶板和压盖由多组螺栓固定连接，由于螺栓和螺栓孔的受力变形情况不在研究范围内，因此直接将蝶板和压盖接触面之间设置为绑定接触、MPC法，以提高计算效率。蝶阀密封问题在有限元分析中属于接触非线性问题。因此对其他接触设置为摩擦接触、扩展拉格朗日法，其中由于密封圈与阀座的接触面打磨较为光滑，其摩擦系数设置为0.15，其他摩擦接触的摩擦系数设置为0.2。
 

　　蝶阀仿真模型的压力及载荷设置如图3所示。对阀门在关闭工况下密封情况进行分析，在蝶板阀杆侧施加流体介质压力载荷，大小为5 MPa；在蝶板键槽处施加6000 N·m力矩，方向为顺时针方向，模拟驱动机构对蝶板施加的关闭扭矩；在阀座外侧添加固定支撑，模拟阀体对阀座的限制作用，防止阀座整体位移。由于蝶板整体受到阀杆、固定销等部件的限制作用，不会在轴向上发生位移，因此需要对蝶板添加轴向位移约束，其余方向上的自由度不做约束。
 

图3   仿真模型载荷条件与约束条件
 

　　为模拟真实的关闭密封工况，将整个仿真分析过程设置为两个时间步，扭矩载荷和流体压力载荷分别在不同的时间步进行加载。在时间步只加载扭矩，并在之后的时间步内保持不变，在第二个时间步开始加载压力。
 

　　4   仿真结果与分析
 

　　4.1   6000 N·m关闭扭矩
 

　　图4为三组三偏心蝶阀在5 MPa压力和6000 N·m扭矩下密封圈与阀座接触面的密封比压分布云图。由图4(a)可知，蝶阀密封圈斜锥面大部分区域密封比压都高于必须比压，分布在10~50 MPa之间，说明该区域密封圈与阀座接触紧密，达到了密封效果。斜锥面接触状态良好的密封区域在大径端的分布长度较短，整体上呈梯形分布，在密封圈小径侧和大径侧都达到了密封要求。直边面密封比压的分布情况较为复杂，在靠近上、下过渡面的部分形成了Z字形过渡区域，上、下过渡面的密封比压集中在小径侧，经过Z字形过渡区域后在直边面区域中密封比压集中在大径侧。直边面的大径侧密封比压分布在10~80 MPa之间，说明密封圈直边面在大径侧接触充分，起到了密封效果，密封部位宽度约占接触面宽度的1/3；中径和小径侧大部分区域的密封比压接近于0，表明这些区域的密封效果较差。在第一组蝶阀中，密封圈接触面上分布的密封比压均未超过250 MPa，低于密封圈材料的许用比压。
 

　　由图4(b)可以看出，第二组蝶阀密封圈上的密封比压分布情况与组有着显著的区别。第二组蝶阀在大斜锥面上的密封比压集中分布在中径与大径侧，大小为30~150 MPa，由接触状态良好的区域所形成的密封带宽度约占密封圈宽度的一半。与组蝶阀相比，改变了第三偏心参数的第二组蝶阀密封圈大斜锥面上分布的密封比压数值较高，但形成的密封带宽度较小。在小斜锥面中径到大径侧的大部分区域密封比压为0，小径侧密封比压大小分布在10~110 MPa之间，密封带宽度约占接触面宽度的1/3，但密封带形状与组直边面的密封带形状不同。在第二组蝶阀中，密封圈接触面上极小部分区域的密封比压大小超过了材料的许用比压。由此可知，改变第三偏心后的蝶阀在密封面上的密封比压分布情况发生了较大的变化，密封带形状发生变化，在大斜锥面和小斜锥面处的密封宽度缩小，分布的密封比压大小升高。
 

　　图4(c)中第三组蝶阀在斜锥面与直边面区域密封比压的分布情况与组基本一致，无论是形成的密封带形状还是密封比压大小都十分接近，这表明在一定范围内修改第一偏心参数对三偏心蝶阀的密封面上的密封比压分布状况不会产生明显影响。因此，以下针对组和第二组进行进一步对比分析。
 

(a)
 

(b)
 

(c)
 

　　(a)方案1   (b)方案2   (c)方案3
 

　　图4   三组密封面密封比压分布云图
 

　　图5为组、第二组密封圈在Z向的变形云图，在关闭扭矩作用下，密封圈受到阀座的挤压作用力产生了弹性变形且向内收缩，两组蝶阀密封圈都是斜锥面的变形量大于直边面(小斜锥面)。对比图5(a)和(b)可知，第二组密封圈的整体变形量大于组，这说明在改变第三偏心参数后蝶阀密封圈在相同扭矩下的受力变形情况发生了变化，导致第二组蝶阀的密封圈与阀座的接触受力增加，密封面处的密封比压大小升高。
 

(a)
 

(b)
 

　　(a)方案1   (b)方案2
 

　　图5   密封圈定向变形云图
 

　　图6为组和第二组蝶阀密封接触面之间的间隙云图，数值大小代表两个互相接触的面相对于初始状态产生的间隙距离，其中红色区域表示接触面之间的间隙接近0，即密封圈与阀座接触状态良好。从图中可以看出，红色密封区域在两组蝶阀的密封面上都能够形成连续的密封带，满足密封要求。
 

(a)
 

(b)
 

　　(a)方案1   (b)方案2
 

　　图6   蝶阀密封配合面间隙云图
 

　　4.2   5000 N·m关闭扭矩
 

　　改变组和第二组三偏心蝶阀的关闭扭矩，将扭矩载荷降低为5000 N·m，其他边界条件不变，对两组蝶阀密封面的密封比压分布情况再次进行分析计算，结果如图7所示。
 

　　对比图4(a)和图7(a)可以发现，改变扭矩大小后，组蝶阀密封面上的密封比压大小略有下降，但仍能形成稳定的密封，且所形成的密封带形状基本没有发生变化。对比图4(b)和图7(b)可知，在减小关闭扭矩后，第二组蝶阀密封面上的密封比压分布状况发生了较为明显的变化。其中，大斜锥面中段处密封带由小径侧扩大到中径，密封带宽度增加，约占接触面宽度的1/2；小斜锥面中段处大部分区域密封比压分布在10~40 MPa之间，这说明小斜锥面区域在小径端和大径端都达到了密封效果，密封带宽度变化较为明显。
 

(a)
 

(b)
 

　　(a)方案1   (b)方案2
 

　　图7   减小扭矩后密封面密封比压分布云图
 

　　图8为组和第二组蝶阀密封圈与阀座接触面之间的间隙云图。分别对比图6(a)与图8(a)、图6(b)与图8(b)可以看出，关闭扭矩的变化对第二组蝶阀密封面的接触间隙产生了较为明显的影响，扭矩由6000 N·m降低为5000 N·m后，第二组蝶阀在大、小斜锥面处的红色密封区域面积增加。由此可知，第三偏心参数不同的两组蝶阀的密封状态受扭矩变化的影响有明显区别。在一定范围内改变关闭扭矩，组蝶阀只有密封比压受到一定的影响，跟随扭矩大小的增加而增加，但密封比压的分布范围和所形成的密封带形状没有发生明显变化。将直边面改为小斜锥面后，第二组蝶阀在较低关闭扭矩下反而具有更大宽度的密封带，在较高关闭扭矩下虽然密封比压会增加，但在大、小斜锥面处的密封带宽度会缩小。
 

(b)
 

(b)
 

　　(a)方案1   (b)方案2
 

　　图8   减小扭矩后密封配合面间隙云图
 

　　5   结语
 

　　根据以上对三组偏心参数的三偏心蝶阀模型进行仿真分析，可以得到以下结论：
 

　　(1)偏心和第二偏心对蝶阀密封面的密封比压分布影响较小，第三偏心对蝶阀密封面的密封比压分布影响，通过将密封圈直边面改为小斜锥面调整偏心角度后，密封面的平均密封比压增大，密封带形状发生改变。
 

　　(2)在相同的载荷与约束条件下，相较于单斜面三偏心蝶阀，双斜面三偏心蝶阀密封状态受关闭扭矩大小的影响更加复杂。扭矩由6000 N·m降低为5000 N·m后，双斜面蝶阀密封面上的密封带宽度增加。
 

　　通过有限元仿真计算，在三偏心蝶阀的设计阶段分析不同偏心参数的设计方案对密封性能的影响，为阀门的优化设计提供依据。