1 概述
阀门作为管道系统中的控制设备,常用来调节流量或开启和关闭管路。三偏心蝶阀性能优异、结构简单、质量轻、便于安装,广泛应用于工业生产中。目前该类阀门的主轴有2种设计,即单轴和双轴。单轴的优点在于其强度高,能更可靠的传递扭矩。双轴阀门流量系数高,对管道系统流量的影响较小。本文在双轴三偏心蝶阀的基础上,增加了单轴的设计,以满足某些特定工况要求,并且对单轴与双轴强度进行计算分析,确保单轴设计的安全性。
2 结构要求
三偏心蝶阀设计改型涉及到的主要部件为蝶板、轴、轴承和销钉,结构分为双轴和单轴(图1),蝶板与轴之间由销钉固定,无相对转动。其强度设计要求如表1。
表1 阀门强度设计要求
(a)双轴结构(b)单轴结构
图1 三偏心蝶阀
在阀门关闭的过程中,轴端由气缸带动进行转动,从而控制蝶板的转动,进而实现阀门的开启与关闭(密封)。由于在阀门开启时,蝶板前后存在最大压差,所以阀门开启扭矩大于关闭扭矩。因此结构强度计算时,选择开启扭矩进行计算。
蝶阀原设计是双轴,并且在实际应用过程中表现良好,强度完全满足实际工况的需要,因此改型后单轴设计强度,以双轴的强度为基础,利用限元分析软件ANSYSWorkbench,进行计算,确保单轴设计的安全可靠性。
3 模型分析
原设计主要用于3种工况,因此对比分析也针对这3种工况进行计算。对所有工况计算整体等效应力值(第四强度理论)并进行比较。并且,比较工况一和工况二蝶板的法向方向变形值,比较工况三轴的切向变形量。
①工况一阀门完全关闭状态。固定轴承在蝶板的A面施加1.5倍的蝶板最大压力。A面是图1中蝶板的左面。
②工况二阀门完全关闭状态。固定轴承在蝶板的B面施加1.5倍的蝶板最大压力。B面是图1中蝶板的右面。
③工况三蝶板密封面完全固定。在阀杆末端施加1.5倍的开启扭矩,固定轴承。
4 计算结果
(1)蝶板以及轴的等效强度对比
计算结果如表2所示。计算云图如图2~图7所示。
图2 双轴结构———蝶板与轴的整体等效应力云图(工况一)
图3 单轴结构———蝶板与轴的整体等效应力云图(工况一)
图4 双轴结构———蝶板与轴的整体等效应力云图(工况二)
图5 单轴结构———蝶板与轴的整体等效应力云图(工况二)
图6 双轴结构———蝶板与轴的整体等效应力云图(工况三)
表2 蝶板以及轴的等效强度对比 MPa
根据计算结果及分析云图得出,最大应力所在位置基本相同。对于工况一与工况二,其最大应力在轴与蝶板连接处。单轴结构等效强度计算结果小于双轴结构,单轴设计优于双轴设计。对于工况三,最大应力均发生在轴的加工阶梯处,单轴等效强度计算的结果略大于双轴应力,但是远小于材料的许用应力。所以可以认为单轴结构设计是安全的。
(2)蝶板法向最大变形量对比
计算结果如表3所示。计算云图如图8~图10所示。
表3 蝶板法向最大变形量对比 mm
从蝶板的法向变形云图可以得出,工况一、工况二及工况三结果与双轴结构的蝶板相比,单轴结构变形量更小。
图7 单轴结构———蝶板与轴的整体等效应力云图(工况三)
(a)双轴结构(b)单轴结构
图8 蝶板法向变形云图(工况一)
(3)轴切向最大变形量对比
计算结果如表4所示。计算云图如图11~图13所示。
表4 轴切向最大变形量对比 mm
从轴的切向变形云图可以得出,工况三结果与双轴结构相比,单轴结构的轴切向变形量更小。
图9 双轴结构———蝶板法向变形云图(工况二)
图10 单轴结构———蝶板法向变形云图(工况二)
图11 双轴结构———长轴切向变形云图(工况三)
图12 双轴结构———短轴切向变形云图(工况三)
图13 单轴结构———轴切向变形云图(工况三)
5 结语
通过有限元软件ANSYSWorkbench辅助模拟分析可以看出,三偏心金属蝶阀的单轴设计可以满足与双轴设计相同的应力强度要求。单轴设计的阀门可适用于某些工况石油管线的特定要求,丰富了三偏心金属蝶阀的种类,开拓了该类阀门的市场。
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