三偏心蝶阀密封特性.doc

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1、三偏心蝶阀密封特性   中国泵业网 三偏心蝶阀通过改变空间结构参数，影响阀杆控制下的蝶板启闭轨迹，从而使其具有密封效果好、启闭力矩小及适用范围广等特点。但是在实际工程应用中，三偏心蝶阀在密封面靠近轴两端的位置，最易出现泄漏。笔者通过结构优化设计中使用的结构敏度分析方法，研究三偏心蝶阀各结构参数对其密封比压的影响程度，找出导致三偏心蝶阀泄漏的主要原因和应对措施。   1三偏心蝶阀密封结构特征   三偏心蝶阀的密封副为斜圆锥面，其结构如图1所示，图中o点为三偏心蝶板回转中心，o’点为参照坐标系原点，β为圆锥半角，3个偏心参数分别为偏心蝶板回转中心o与流

2、道中心线x轴的径向偏心c、偏心蝶板回转中心o与蝶板中面的轴向偏心e以及圆锥轴线xc与流道中心线x的角度偏心a。b为蝶板密封面厚度，角度C为蝶板密封面与流道中心线x的夹角，该角度沿着密封面的旋转方向发生变化。   三偏心蝶阀的密封面为空间曲面，如图1中xo’z面与蝶板密封面相交形成两条直线边，其余与xo’z面平行且存在距离的平面与蝶板密封面相交形成的线段均为曲线，由于在启闭过程中蝶板围绕回转中心o旋转，因此蝶板密封面上各点在蝶板启闭过程中运动轨迹所形成的平面与xo’z面平行或重合。曲线的曲率与角度偏心A以及圆锥半角β有关，且越接近蝶板密封面轴端两侧，

3、曲线曲率越大，蝶板密封面靠近轴端两侧的密封性能对蝶板转动程度反应越敏感。图1三偏心蝶阀蝶板结构图   如图1所示，三偏心蝶阀正常关闭后密封面完全接触，可达到设计的密封效果，蝶板与阀座密封面中线均与轴线MM重合。但在实际关闭过程中，三偏心蝶阀蝶板的关闭位置并不能保证在几何上完全密封。当三偏心蝶阀蝶板处于过关闭状态时，蝶板密封面中线围绕三偏心蝶板回转中心o点旋转至轴线M’M’处，轴线MM与M’M’间的夹角为闭合偏角φ。当闭合偏角为0时，三偏心蝶阀在几何上完全关闭；不为0时，则需要考虑φ角对蝶阀密封性能的影响。如图1所示，当闭合偏角φ>0时，三偏心蝶阀处

4、于过关闭状态；当闭合偏角φ   由于蝶板密封面的尺寸相对于阀座密封面存在一定的过盈量，因此当阀门完全关闭后，蝶板密封面受压变形提供一定的密封比压。如果对介质压力和阀杆扭矩等因素导致的密封面不均匀变形不予考虑，则理论上在完全闭合状态下，蝶板密封面在垂直于密封面方向上的变形量相同，所以蝶板上密封面由过盈导致的变形所提供的密封比压基本相同。为了便于分析，仅考虑介质压力和蝶阀闭合偏角对密封性能的影响。由于主要探讨三偏心蝶阀关闭后密封面靠近轴两端位置的泄漏现象，因此这种泄漏需要考虑过关闭状态（φ>0）的影响。   2结构参数敏度   结构敏度分析是通过改变结

5、构参数，将各参数的扰动对系统响应的影响程度进行评估的方法，是结构优化的重要基础。结合结构敏度分析，可合理地选取与三偏心蝶阀密封结构有关的主要参数作为分析的设计参数，从中找出对三偏心蝶阀密封性能影响较大的参数，得到导致三偏心蝶阀密封失效的主要因素以及解决方案。   首先应选定相应的结构参数，确定三偏心蝶阀密封面上表面力分布，求出密封面上应力与密封比压之间关系，通过响应敏度与应力的函数关系式，最终确定在该结构参数变化条件下，以密封比压为目标函数的响应敏度值。   三偏心蝶阀密封面上的表面力与应力之间的关系可表达为下式：    式中   σij--应力；

6、   ΔFj--在j方向的表面力；   ΔAi--在i方向的受力面积。   而三偏心蝶阀密封面上的密封比压可表示为：    式中    qN--密封比压；   ΔFN--垂直于密封面的表面力；   ΔAN--密封面的受力面积。    Fj、Ai和FN、AN与蝶板密封面与流道中心线x的夹角γ存在函数关系：        通过式（1）～（3）联立，可确定三偏心蝶阀密封面上分布的应力与密封比压间的函数关系。   在形状优化设计过程中，采用积分表示的应力、位移、挠度、固有频率和振幅等参数，都可作为设计变量表示的导出量，笔者采用应力型泛函的敏度分析。将三偏心

7、蝶阀密封面的密封比压作为目标函数，可表示密封比压随结构参数变化的约束泛函ψk，对约束泛函ψk求解极值可得到设计变量对应的响应敏度。根据应力型泛函敏度计算公式，三偏心蝶阀密封面分布上的密封比压与应力相对应，可得到响应敏度δψk即：       式中   Γ--接触边界；   Φ--应力约束条件；    n--外法线向量；    V--设计速度场；   σij（）--应力张量；   εij（）--应变张量。    式（4）中的参数外法线向量n与设计速度场V是确保迭代寻优计算向收敛最快方向进行控制的条件，式中的敏度为线性对称映射，在设立循环载荷步后可求解

8、每个参数的敏度值。设计响应敏度在获得允许范围内目标点xj值集合后，最后载荷步收敛后才可完成求解，与非线性递增响应相比明显能