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三偏心金属密封蝶阀的力学特性分析及结构优化研究

邵亚雄  
【摘要】: 自70年代国外发明三偏心金属密封蝶阀以来,由于其具有启闭力矩小,采用斜锥面密封,密封性好,抗磨损,使用寿命长等优点,在工业生产中的中高压流体系统得到了非常广泛的用途。从80年代开始引入我国,到目前为止在国内只有少数厂家能够制造三偏心金属密封蝶阀,但仍然有一些关键技术没有掌握。如具有复杂空间曲面的密封副设计,不仅制造难度大,而且容易干涉,远达不到零摩擦、零泄漏以及快关要求。目前国内蝶阀密封副设计方法以经验参数设计为主,而在实际运行中流体介质的压力、温度、流速会使得蝶板的力学特性和结构发生变形。另外一方面,其结构参数不仅决定了蝶阀的运动学和静态力学特性,而且决定了三偏心蝶阀在流体系统中的开启和关闭过程中的动态力学特性。因此对三偏心蝶阀进行系统的力学特性分析,对于优化设计和提高可靠性等都是非常重要的。 本论文结合工程实际要求,以三偏心蝶阀安装在变压真空吸附制氢装置为例。根据三偏心蝶阀的实际使用工况的受力状况,使用FLOWMASTER~(?)软件对三偏心蝶阀在吸附状态下关闭时的流场进行流体动力计算,分析三偏心蝶阀蝶板在关闭过程中管路流体介质对阀门的作用力。将该流体作用力作为蝶板的部分载荷,采用ANSYS~(?)软件对蝶板在变压真空吸附制氢装置中流体介质的载荷作用下进行结构力学特性分析。分析结果表明由流体介质作用力将使三偏心蝶阀蝶板会产生约0.08mm的变形。根据蝶阀的密封结构设计和机构的运动关系建立蝶板密封面的三维数学模型,采用MATLAB~(?)编写计算机程序对密封面上每个点在蝶板机构开启时的启闭角进行计算,验证蝶板是否与阀体产生干涉。仿真结果原设计的三偏心蝶阀密封在启闭时不产生干涉,但是由于结构参数的不合理,容易在蝶板转动轴附近的密封面产生干涉。根据结构力学特性分析得到的应力和变形,与蝶板密封面的启闭角计算结果,进一步优化三偏心蝶阀的结构参数,保证启闭时蝶板不与阀体产生干涉,关闭时具有良好的密封性能。改善了三偏心蝶阀的快速动态响应特性,提高了三偏心蝶阀的运行可靠性。


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