基于敏度分析的三偏心蝶閥密封特性.pdf

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1、428化工機(jī)械2010鏈基于敏度分析的三偏心蝶閥密封特性余龍+俞樹榮(蘭州理工大學(xué))摘要利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的敏度響應(yīng)分析理論。結(jié)合三偏心蠑閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)。通過對(duì)敏度泛函進(jìn)行迭代運(yùn)算，得出改變?nèi)牡y密封面主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封比壓的敏度值。找到對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較大的參數(shù)，針對(duì)其對(duì)密封效果的影響規(guī)律進(jìn)行分析，刪除影響程度較小的參數(shù)，減少分析過程中的干擾因素。關(guān)鍵詞三偏心蝶閥敏度密封比壓設(shè)計(jì)參數(shù)中圖分類號(hào)TQ055．8+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0254-6094(2010)04-0428-05三偏心蝶閥通過改變

2、空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，影響閥桿控制下的蝶板啟閉軌跡，從而使其具有密封效果好、啟閉力矩小及適用范圍廣等特點(diǎn)。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，三偏心蝶閥在密封面靠近軸兩端的位置，最易出現(xiàn)泄漏。筆者通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中使用的結(jié)構(gòu)敏度分析方法，研究三偏心蝶閥各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其密封比壓的影響程度，找出導(dǎo)致三偏心蝶閥泄漏的主要原因和應(yīng)對(duì)措施。1三偏心蝶閥密封結(jié)構(gòu)特征三偏心蝶閥的密封副為斜圓錐面，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中O點(diǎn)為三偏心蝶板回轉(zhuǎn)中心，o7點(diǎn)為參照坐標(biāo)系原點(diǎn)，母為圓錐半角，3個(gè)偏心參數(shù)分別為偏心蝶板回轉(zhuǎn)中心O與流道中心線聾軸的徑向偏心c、偏心蝶

3、板回轉(zhuǎn)中心O與蝶板中面的軸向偏心e以及圓錐軸線石’與流道中心線并的角度偏心口。b為蝶板密封面厚度，角度y為蝶板密封面與流道中心線茹的夾角，該角度沿著密封面的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化。三偏心蝶閥的密封面為空間曲面，如圖1中．gO’=面與蝶板密封面相交形成兩條直線邊，其余與．gO’z面平行且存在距離的平面與蝶板密封面相交形成的線段均為曲線，由于在啟閉過程中蝶板圍繞回轉(zhuǎn)中心O旋轉(zhuǎn)，因此蝶板密封面上各點(diǎn)在蝶板啟閉過程中運(yùn)動(dòng)軌跡所形成的平面與．gO’=面平行或重合。曲線的曲率與角度偏心a以及圓錐半角口有關(guān)，且越接近蝶板密封面軸端兩側(cè)

4、，曲線曲率越大，蝶板密封面靠近軸端兩側(cè)的密封性能對(duì)蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)程度反應(yīng)越敏感。朋．】If，匡耄心／●八＼～、／J＼t／夸惑}。／，／Ill’●／e一既勿y廠～—p匿刊7H7肘圖1三偏心蝶閥蝶板結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，三偏心蝶閥正常關(guān)閉后密封面完全接觸，可達(dá)到設(shè)計(jì)的密封效果，蝶板與閥座密封面中線均與軸線MM重合。但在實(shí)際關(guān)閉過程中，三偏心蝶閥蝶板的關(guān)閉位置并不能保證在幾何上完全密封。當(dāng)三偏心蝶閥蝶板處于過關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，蝶板密封面中線圍繞三偏心蝶板回轉(zhuǎn)中心·余龍，男，1976年7月生，講師。甘肅省蘭州市，730050。第37卷第4

5、期化工機(jī)械429o點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至軸線肘’M’處，軸線MM與M’肘’間的夾角為閉合偏角妒。當(dāng)閉合偏角為0時(shí)，三偏心蝶閥在幾何上完全關(guān)閉；不為0時(shí)，則需要考慮妒角對(duì)蝶閥密封性能的影響。如圖1所示，當(dāng)閉合偏角妒>0時(shí)，三偏心蝶閥處于過關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)閉合偏角p<0時(shí)，則三偏心蝶閥處于未關(guān)閉狀態(tài)。由于蝶板密封面的尺寸相對(duì)于閥座密封面存在一定的過盈量，因此當(dāng)閥門完全關(guān)閉后，蝶板密封面受壓變形提供一定的密封比壓。如果對(duì)介質(zhì)壓力和閥桿扭矩等因素導(dǎo)致的密封面不均勻變形不予考慮，則理論上在完全閉合狀態(tài)下，蝶板密封面在垂直于密封面方向上的變形量

6、相同，所以蝶板上密封面由過盈導(dǎo)致的變形所提供的密封比壓基本相同。為了便于分析，僅考慮介質(zhì)壓力和蝶閥閉合偏角對(duì)密封性能的影響。由于主要探討三偏心蝶閥關(guān)閉后密封面靠近軸兩端位置的泄漏現(xiàn)象，因此這種泄漏需要考慮過關(guān)閉狀態(tài)(p>0)的影響。2結(jié)構(gòu)參數(shù)敏度結(jié)構(gòu)敏度分析是通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，將各參數(shù)的擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響程度進(jìn)行評(píng)估的方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要基礎(chǔ)?。結(jié)合結(jié)構(gòu)敏度分析，可合理地選取與三偏心蝶閥密封結(jié)構(gòu)有關(guān)的主要參數(shù)作為分析的設(shè)計(jì)參數(shù)，從中找出對(duì)三偏心蝶閥密封性能影響較大的參數(shù)，得到導(dǎo)致三偏心蝶閥密封失效的主要因素以及

7、解決方案。首先應(yīng)選定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定三偏心蝶閥密封面上表面力分布，求出密封面上應(yīng)力與密封比壓之間關(guān)系，通過響應(yīng)敏度與應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系式，最終確定在該結(jié)構(gòu)參數(shù)變化條件下，以密封比壓為目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)敏度值。三偏心蝶閥密封面上的表面力與應(yīng)力之間的關(guān)系可表達(dá)為下式：．．△，f?盯#2蹈蔬(1)式中礦。，——應(yīng)力；△，，——在_『方向的表面力；△A；——在i方向的受力面積。而三偏心蝶閥密封面上的密封比壓可表示為：，．△FN，^、qN2墚。瓦“，式中g(shù)?！芊獗葔?；AF?！怪庇诿芊饷娴谋砻媪?；△A。——密封面的受力面積

8、。Fj、A；和F。、A。與蝶板密封面與流道中心線石的夾角y存在函數(shù)關(guān)系心】：ft=以Fw，y)?【A。=g(A。，y)通過式(1)～(3)聯(lián)立，可確定三偏心蝶閥密封面上分布的應(yīng)力與密封比壓間的函數(shù)關(guān)系。在形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，采用積分表示的應(yīng)力、位移、撓度、固有頻率和振幅等參數(shù)，都可作為設(shè)計(jì)變量表示的導(dǎo)出量，筆者采用應(yīng)力型泛函的敏度分析。將三偏心蝶閥密封面的密