三偏心蝶閥密封比壓分析與研究
通過有限元軟件ANSYS Workbench 模擬分析了三偏心金屬密封蝶閥的密封原理,計(jì)算得出閥門主要密封面的密封比壓值及分布情況。給出了改進(jìn)閥門密封性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
1、概述
三偏心蝶閥廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。該類閥門的最大特點(diǎn)就是改變了蝶閥的密封構(gòu)造,不再是位置密封,而是扭矩密封。即不是依靠閥座的彈性變形,而是完全依靠閥座的接觸面壓力達(dá)到密封效果。解決了金屬閥座零泄漏的難題。因接觸面壓力與介質(zhì)壓力成正比,解決了閥門耐高壓高溫的問題。本文主要對三偏心金屬密封蝶閥密封面的密封比壓進(jìn)行計(jì)算分析。
2、三偏心金屬密封蝶閥的結(jié)構(gòu)與密封原理
三偏心金屬密封蝶閥由閥體、蝶板、閥座、壓緊環(huán)和閥桿等部件組成(圖1) 。U 形閥座處于閥體與壓緊環(huán)之間,具有間隙G。閥座可以在徑向方向移動,并且允許適度偏轉(zhuǎn)。閥座與蝶板的過盈配合值為S。閥門關(guān)閉的過程中,蝶板斜度較大的一面先接觸閥座,閥座發(fā)生適度偏轉(zhuǎn),形成兩個(gè)密封面,即閥座與蝶板之間的密封面,以及閥座與壓緊環(huán)之間的密封面(圖2) 。
閥門設(shè)計(jì)要求公稱直徑DN200,蝶板尺寸DN150,壓力等級ASME 600,閥體材料碳鋼,蝶板材料不銹鋼,閥座材料硬質(zhì)合金,壓緊環(huán)材料不銹鋼,氣測密封要求ANSI/FCI 70- 2- 2006 Class VI,水測密封要求ANSI /FCI70- 2- 2006 Class V。
圖1 三偏心金屬密封蝶閥
閥門樣機(jī)泄漏測試數(shù)據(jù)(表1) 顯示,其無法滿足密封要求。利用有限元分析軟件ANSYS Workbench,對于密封面的密封比壓分布進(jìn)行計(jì)算,尋找閥門泄漏的原因,改善設(shè)計(jì)。
圖2 密封結(jié)構(gòu)
表1 樣品泄漏測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
3、分析模型
分析模型為蝶板、U 形閥座以及壓緊環(huán)。蝶板與閥座過盈配合值S 為0.15 mm。蝶板與閥座之間和閥座與壓緊環(huán)之間為摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.1。由于閥門需要同時(shí)滿足ANSI /FCI70- 2- 2006Class VI 氣測和Class V 水測密封標(biāo)準(zhǔn),而氣測壓力很小,只需要0.35MPa,水測壓力則要達(dá)到11.25MPa。因此,真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認(rèn)為按氣測(工況一) 和水測(工況二) 兩種工況對模型進(jìn)行計(jì)算。
工況一,固定壓緊環(huán)的外端面,對蝶板施加轉(zhuǎn)動位移。轉(zhuǎn)動的起始位置是蝶板斜度最大邊與閥座產(chǎn)生接觸。結(jié)束位置是蝶板底面與水平面平行的位置。蝶板繞軸心位置轉(zhuǎn)動2.13°。在蝶板轉(zhuǎn)到結(jié)束位置后,施加0.35MPa 的壓力于蝶板上,方向?yàn)橥苿拥蹇拷y座方向。
工況二,在工況一基礎(chǔ)上,增大壓力值至11.25MPa。
4、分析及改進(jìn)
通過分析可知,三偏心蝶閥的密封比壓分布是不連續(xù)的,最小值發(fā)生在與蝶板斜度最小區(qū)域接觸的位置。兩個(gè)密封面的密封比壓差異較大。閥座與蝶板之間的密封比壓大于允許最小密封比壓,滿足密封要求,但是過大的密封比壓易造成閥座的疲勞破壞,影響閥門使用壽命。另一個(gè)密封面存在于閥座與壓緊環(huán)之間,此處局部密封比壓小于允許最小密封比壓,閥門會在此處發(fā)生泄漏。
圖6 工況二,閥座與壓緊環(huán)的密封比壓分布
依據(jù)此計(jì)算結(jié)果分析,減小了蝶板與閥座過盈量G 和間隙值S。設(shè)計(jì)改善后,試驗(yàn)結(jié)果(表5) 滿足目標(biāo)要求。
表5 改進(jìn)設(shè)計(jì)后,樣品測試數(shù)據(jù)ml/min
5、結(jié)語
在三偏心蝶閥設(shè)計(jì)中,通過采用有限元模擬分析方法查找到設(shè)計(jì)中的不足,代替了部分試驗(yàn),可以節(jié)省資源,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,提高閥門性能。