三偏心蝶閥密封特性.doc

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1、三偏心蝶閥密封特性???中國泵業(yè)網(wǎng)?三偏心蝶閥通過改變空間結(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，o’點(diǎn)為參照坐標(biāo)系原點(diǎn)，β為圓錐半角，3個偏心參數(shù)分別為偏心蝶板回轉(zhuǎn)中心o與流

2、道中心線x軸的徑向偏心c、偏心蝶板回轉(zhuǎn)中心o與蝶板中面的軸向偏心e以及圓錐軸線xc與流道中心線x的角度偏心a。b為蝶板密封面厚度，角度C為蝶板密封面與流道中心線x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xo’z面與蝶板密封面相交形成兩條直線邊，其余與xo’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)動軌跡所形成的平面與xo’z面平行或重合。曲線的曲率與角度偏心A以及圓錐半角β有關(guān)，且越接近蝶板密封面軸端兩側(cè)，

3、曲線曲率越大，蝶板密封面靠近軸端兩側(cè)的密封性能對蝶板轉(zhuǎn)動程度反應(yīng)越敏感。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，蝶板密封面中線圍繞三偏心蝶板回轉(zhuǎn)中心o點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至軸線M’M’處，軸線MM與M’M’間的夾角為閉合偏角φ。當(dāng)閉合偏角為0時，三偏心蝶閥在幾何上完全關(guān)閉；不為0時，則需要考慮φ角對蝶閥密封性能的影響。如圖1所示，當(dāng)閉合偏角φ>0時，三偏心蝶閥處

4、于過關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)閉合偏角φ???由于蝶板密封面的尺寸相對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)（φ>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)

5、構(gòu)參數(shù)，將各參數(shù)的擾動對系統(tǒng)響應(yīng)的影響程度進(jìn)行評估的方法，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：????式中???σij--應(yīng)力；

6、???ΔFj--在j方向的表面力；???ΔAi--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：????式中????qN--密封比壓；???ΔFN--垂直于密封面的表面力；???ΔAN--密封面的受力面積。????Fj、Ai和FN、AN與蝶板密封面與流道中心線x的夾角γ存在函數(shù)關(guān)系：????????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

7、蝶閥密封面的密封比壓作為目標(biāo)函數(shù)，可表示密封比壓隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的約束泛函ψk，對約束泛函ψk求解極值可得到設(shè)計(jì)變量對應(yīng)的響應(yīng)敏度。根據(jù)應(yīng)力型泛函敏度計(jì)算公式，三偏心蝶閥密封面分布上的密封比壓與應(yīng)力相對應(yīng)，可得到響應(yīng)敏度δψk即：???????式中???Γ--接觸邊界；???Φ--應(yīng)力約束條件；????n--外法線向量；????V--設(shè)計(jì)速度場；???σij（）--應(yīng)力張量；???εij（）--應(yīng)變張量。????式（4）中的參數(shù)外法線向量n與設(shè)計(jì)速度場V是確保迭代尋優(yōu)計(jì)算向收斂最快方向進(jìn)行控制的條件，式中的敏度為線性對稱映射，在設(shè)立循環(huán)載荷步后可求解

8、每個參數(shù)的敏度值。設(shè)計(jì)響應(yīng)敏度在獲得允許范圍內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)xj值集合后，最后載荷步收斂后才可完成求解，與非線性遞增響應(yīng)相比明顯能