雷吉平 ，鄂加強(qiáng)，陳健美，張銀，曾恩齊，陳浩澤，劉浩，郭林，粟鍵鑫

(1. 湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082；2. 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410205；3. 三一重工泵送事業(yè)部，湖南 長(zhǎng)沙，410151)

閥門作為“管路的咽喉”，在工業(yè)生產(chǎn)、航天航空、交通運(yùn)輸和人民日常生活等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。大口徑閥門是流體管道中能耗很高的流體機(jī)械，目前對(duì)大口徑閥門實(shí)施節(jié)能及高性能優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為大口徑閥門技術(shù)研究的焦點(diǎn)之一[3-6]。但現(xiàn)有的大口徑閥門仍存在能耗較高、壓力損失較大、密封性能較差等缺點(diǎn)，因此，研究開發(fā)出一種能耗低、壓力損失小、密封性能好的大口徑閥門顯得十分緊迫。新型雙向硬密封旋球閥是大口徑閥門中唯一的真正實(shí)體硬密封雙向流閥門，具有蝶閥、半球閥、閘閥、截止閥、球閥和全功能閥所具有的強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)。新型雙向硬密封旋球閥不但能在正向壓力下可靠地關(guān)斷，而且在反向壓力或反向壓力遠(yuǎn)大于正向壓力的情況下同樣能可靠地關(guān)斷。在密封副的2個(gè)密封面上，可根據(jù)不同的硬度要求，運(yùn)用以太激光濺射、真空保護(hù)滲復(fù)堆焊等先進(jìn)工藝形成馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、硬質(zhì)合金等梯度功能材料；能自動(dòng)找正中心，自動(dòng)越程補(bǔ)償磨損，自動(dòng)補(bǔ)償極高密封比壓，瞬間關(guān)閉與打開。密封副間無摩擦，打開時(shí)閥芯投影不斷內(nèi)縮，關(guān)閉時(shí)閥芯投影不斷膨脹并前進(jìn)。其結(jié)構(gòu)短、體積小等特點(diǎn)具備制造出大口徑、特大口徑、超大口徑閥門，并且其閥門質(zhì)量小，運(yùn)輸、安裝、維護(hù)檢修方便和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，所以，近年來對(duì)新型雙向硬密封旋球閥的研究已成為其熱點(diǎn)問題之一[9-10]，但對(duì)于新型雙向硬密封旋球閥的密封性能研究，目前尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。密封性能(即指密封面上的密封比壓)是評(píng)價(jià)新型雙向硬密封旋球閥的一項(xiàng)最重要的指標(biāo)[11]，在實(shí)際工程中，新型雙向硬密封旋球閥的密封比壓采用近似公式計(jì)算。由于該計(jì)算式是由新型雙向硬密封旋球閥密封面平均直徑得出的平均密封比壓，不能反映新型雙向硬密封旋球閥密封面的密封比壓分布[12-14]，而若用數(shù)學(xué)分析方法分析新型雙向硬密封旋球閥密封面上的密封比壓，又太繁瑣而不易得出結(jié)果。隨著有限元分析技術(shù)的開發(fā)與拓展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析也進(jìn)一步深入。在此，本文作者采用對(duì)稱罰函數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)新型雙向硬密封旋球閥的密封性能進(jìn)行有限元分析。

1 新型雙向硬密封旋球閥工作機(jī)理

新型雙向硬密封旋球閥由閥體總成(包括閥體和閥座)和閥板總成(閥板、閥桿和閥桿端密封件、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))構(gòu)成，其正向和反向密封原理如圖1所示，在反向壓力或反向壓力大于正向壓力時(shí)也能使之密封。當(dāng)正向壓力作用時(shí)，介質(zhì)壓力推動(dòng)閥板向前移動(dòng)，閥桿變形，閥板密封面緊貼閥座密封面?zhèn)鬟f壓力，將閥座推向閥體臺(tái)階，使之密封；當(dāng)反向壓力作用時(shí)，介質(zhì)壓力推動(dòng)閥板向后移動(dòng)，介質(zhì)壓力同時(shí)推動(dòng)閥座向后移動(dòng)，閥座密封面緊貼閥板密封面?zhèn)鬟f壓力，將閥座推向閥桿極限變形位置，使其密封。

圖1 正、反向密封閥示意圖Fig.1 Diagrams of double direction sealing

2 新型雙向硬密封旋球閥密封性能有限元分析

2.1 新型雙向硬密封旋球閥密封性能數(shù)值計(jì)算方法

對(duì)于新型雙向硬密封旋球閥的密封性能，采用罰函數(shù)法進(jìn)行有限元分析。其基本原理是：在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)首先檢查各從節(jié)點(diǎn)是否穿透主面，若沒有，則對(duì)其穿透不進(jìn)行任何處理；若穿透，則在該從節(jié)點(diǎn)與被穿透主面間引入1個(gè)較大的界面接觸力，其大小與穿透深度、主面的剛度成正比。這在物理上相當(dāng)于在兩者之間放置1個(gè)法向彈簧，以限制從節(jié)點(diǎn)對(duì)主面的穿透。接觸力稱為罰函數(shù)值。對(duì)稱罰函數(shù)法在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)對(duì)從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)循環(huán)處理1遍，算法相同。

新型雙向硬密封旋球閥密封性能的有限元分析實(shí)現(xiàn)過程如下。

(1) 如圖 2所示，在碰撞體中選取任意1個(gè)從節(jié)點(diǎn)nS，搜索與其最靠近的主節(jié)點(diǎn)mS。

(2) 檢查與主節(jié)點(diǎn)mS有關(guān)的所有主單元面，確定從節(jié)點(diǎn)nS穿透主表面時(shí)可能接觸的主單元表面。若主節(jié)點(diǎn)mS與從節(jié)點(diǎn)nS不重合，則當(dāng)滿足不等式(1)時(shí)，從節(jié)點(diǎn)nS與主單元面Si接觸。

式中：Ci和Ci+1分別為主單元面上在mS點(diǎn)的2條邊矢量；矢量S為矢量g在主單元面上的投影；g為主節(jié)點(diǎn)mS指向從節(jié)點(diǎn)nS的矢量。

圖2 從節(jié)點(diǎn)與最近主節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系Fig.2 Position relationship between node and nearest master node

對(duì)于主單元面Si，m為：

若nS接近或位于2個(gè)主單元面的交線上，則式(1)可能不確定。在這種情況下，若nS位于2個(gè)主單元面的交線上，則S取極大值，即(3) 確定從節(jié)點(diǎn)nS在主單元面Si上的接觸點(diǎn)c的位置。主單元面Si上任一點(diǎn)位置矢量為：

式中： xj為單元第 j節(jié)點(diǎn)的 xi坐標(biāo)值；

若l≥0，則表示從節(jié)點(diǎn)ni沒有穿透主單元面，即2個(gè)物體沒有發(fā)生碰撞和接觸，不需進(jìn)行任何處理。從節(jié)點(diǎn)ni處理結(jié)束，開始搜索下一個(gè)從節(jié)點(diǎn) ni+1。從節(jié)點(diǎn)與主單元面的關(guān)系如圖3所示。

圖3 從節(jié)點(diǎn)與主單元面的關(guān)系Fig.3 Relationship between node and main unit side

(5) 若從節(jié)點(diǎn)穿透主面，則在從節(jié)點(diǎn)nS和接觸點(diǎn)c之間施加法向接觸力為：

式中：ki為主單元面的剛度因子。Ki為接觸單元的體模量；Ai為主單元面面積；Vi為主單元體積；Li為板殼單元最大對(duì)角線長(zhǎng)度；f為接觸剛度比例因子。當(dāng)f取值過大時(shí)，可能導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定，除非縮短時(shí)間步長(zhǎng)。

在從節(jié)點(diǎn)nS上附加法向接觸力fS，再根據(jù)牛頓第三定律，在主單元面的接觸點(diǎn)c上作用1個(gè)反方向的力-fS，按照式(10)將c點(diǎn)的接觸力等效分配到主單元面Si的4個(gè)主節(jié)點(diǎn)上，記為fjm(其中，j為單元節(jié)點(diǎn)數(shù)，j=1，2，3，4)。

式中：φj( ξc, ηc)為主單元面上的二維形函數(shù)，且在接

(6) 摩擦力計(jì)算。從節(jié)點(diǎn)nS的法向接觸力為fS，則它的最大摩擦力為 FY=μ|fS|(其中，μ為摩擦因數(shù))。設(shè)在上一時(shí)刻tn從節(jié)點(diǎn)nS的摩擦力為Fn，則當(dāng)前時(shí)刻tn+1可能產(chǎn)生的摩擦力(試探摩擦力)F*=Fn-kΔe。其中：k為界面剛度；

當(dāng)前時(shí)刻tn+1的摩擦力Fn+1由式(11)確定：

按照作用力與反作用力原理，計(jì)算主單元面上 4個(gè)主節(jié)點(diǎn)的摩擦力。若靜摩擦因數(shù)為μS，動(dòng)摩擦因數(shù)為μd，則用指數(shù)插值函數(shù)來使兩者平滑過渡：

式中：V=Δe/Δt；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；c為衰減因子。

(7) 將接觸力矢量fS和fjm(j=1，2，3，4)和摩擦力矢量投影到總體坐標(biāo)軸方向，得到節(jié)點(diǎn)力總坐標(biāo)方向向量，組集到總體載荷矢量P中，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

2.2 新型雙向硬密封旋球閥密封性能評(píng)價(jià)模型

由于介質(zhì)的滲透和毛細(xì)管等物理現(xiàn)象，介質(zhì)將進(jìn)入密封面之間，但不會(huì)從密封面外緣泄漏，在設(shè)計(jì)計(jì)算中取密封面的平均直徑作為介質(zhì)終止的界限[15]，從而推導(dǎo)出新型雙向硬密封旋球閥的密封比壓q的近似計(jì)算式：

式中：q為密封比壓，MPa；N為閥芯對(duì)密封面的法向力，N；FMN為密封環(huán)帶面積，mm2；DMW為閥座密封面外徑，mm；DMN為閥座密封面內(nèi)徑，mm；p為介質(zhì)工作壓力，MPa；L1和L2為閥芯密封面球心至密封面的距離，mm。

由式(13)可知：新型雙向硬密封旋球閥是依靠工作介質(zhì)壓力來實(shí)現(xiàn)密封要求的，壓力通過關(guān)閉件全部傳給出口端的密封副。

2.3 新型雙向硬密封旋球閥密封比壓分析

2.3.1 新型雙向硬密封旋球閥密封比壓提取

將新型雙向硬密封旋球閥的三維模型圖導(dǎo)入到ANSYS軟件中，設(shè)置邊界條件和受力模型，然后進(jìn)行運(yùn)算，得出密封比壓的有限元節(jié)點(diǎn)數(shù)值。

圖4 閥座位置及流向Fig.4 Valve seat location and flow

設(shè)置閥座的各個(gè)坐標(biāo)位置如圖4所示。流向?yàn)閤軸正向，故此為出口閥座的二維坐標(biāo)圖。在流道x軸方向上，劃分成4等分，斷面坐標(biāo)點(diǎn)分別為x1，x2，x3，x4和 x5；密封面環(huán)向上，劃分成4等分，斷面坐標(biāo)點(diǎn)依次坐標(biāo)點(diǎn)為y1，y2，y3，y4和y5。

將從ANSYS中生成的密封比壓Excel數(shù)據(jù)表導(dǎo)入比壓提取程序中，提取節(jié)點(diǎn)密封比壓并進(jìn)行計(jì)算，提取新型雙向硬密封旋球閥密封比壓的流程圖如圖 5所示。

圖5 新型雙向硬密封旋球閥密封比壓提取流程Fig.5 Extraction flow of sealing ratio pressure on new type rotating ball valve with double direction metal sealing

2.3.2 新型雙向硬密封旋球閥密封比壓分析實(shí)例

新型雙向硬密封旋球閥型號(hào)為DN800，公稱壓力PN為1.6 MPa，閥板密封面球半徑為404 mm，密封環(huán)內(nèi)、外半徑分別為Dmn=330 mm和Dmw=382 mm，密封面x軸中心距分別為L(zhǎng)1= 215 mm，L2=195 mm；2種密封面材料均為奧氏體不銹鋼。則密封比壓的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：

式中：qMF為最小密封臨界比壓，MPa；q為實(shí)際密封比壓，MPa；[q]為密封面材料的許用比壓，MPa。

因此，最小密封臨界比壓為 qMF=1.2×PN=1.92 MPa，而[q] =150 MPa (奧氏體不銹鋼，密封面無滑動(dòng))。由密封比壓理論公式(1)得出q=4.886 MPa，滿足密封面材料為奧氏體不銹鋼時(shí)的密封比壓要求。

從程序中得出新型雙向硬密封旋球閥密封環(huán)面上的密封比壓分布變化如圖 6(a)和圖 6(b)所示。從圖 6可見：新型雙向硬密封旋球閥密封環(huán)面上沿軸向和徑向密封比壓的變化大體相同，在兩側(cè)密封比壓很大，而在中部比壓較小，整體呈拋物線型分布；在軸向上，新型雙向硬密封旋球閥密封比壓沿軸向中心面呈中心對(duì)稱分布，在中心面上密封比壓最小，而在兩端密封比壓最大；在徑向上，新型雙向硬密封旋球閥密封比壓也在徑向中心處最小，而在密封面內(nèi)徑處密封比壓最大。

在周向面上，新型雙向硬密封旋球閥周向密封比壓變化如圖7所示。將新型雙向硬密封旋球閥密封面圓周沿環(huán)向劃分成3部分，每部分取1個(gè)環(huán)面，分別是新型雙向硬密封旋球閥密封面外徑、內(nèi)徑與中心環(huán)面，在每環(huán)上取6個(gè)點(diǎn)，這里分別取0°，60°，120°，180°，240°和300°的點(diǎn)。從圖8可以看出：在密封面內(nèi)外徑處，周向的密封比壓分布曲線變化比較大，密封比壓總體上比較大；而在密封面中心部分，密封比壓的分布曲線變化很小，總體恒定在一定的范圍內(nèi)，且比較小。

圖6 新型雙向硬密封旋球閥密封環(huán)上密封比壓變化Fig.6 Change of sealing ratio pressure on seal ring of new type rotating ball valve with double direction metal sealing

圖7 新型雙向硬密封旋球閥周向密封比壓變化Fig.7 Change of circumferential sealing ratio pressure on seal ring of new type rotating ball valve with double direction metal sealing

通過圖6和圖7得出：在新型雙向硬密封旋球閥密封面的軸向和徑向上，密封比壓分布規(guī)律基本相同，兩頭較大而中間較??；在周向上，越靠近密封面中部，密封比壓分布越均勻，越靠近端部，密封比壓分布波動(dòng)較大，但整體恒定在一定的范圍內(nèi)；在軸向密封面斷面上，x1，x5和x3處密封比壓分別是10.895，10.763和5.496 MPa，滿足要求。在徑向密封面斷面上，Dmw，Dmn和(Dmw+Dmn)/2處密封比壓分別為 9.624，10.056和4.617 MPa，滿足要求。在周向密封面環(huán)面上，密封面外徑處密封比壓最大值為14.076 MPa，內(nèi)徑處密封比壓最大值為10.619 MPa，密封中心面處密封比壓最大值為5.356 MPa，最小值為5.252 MPa，各個(gè)極值點(diǎn)處都滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

在新型雙向硬密封旋球閥密封過程中，由于閥體與密封環(huán)外徑有很小間隙，而閥體與密封環(huán)端面相對(duì)固定，不能運(yùn)動(dòng)，故經(jīng)過壓縮后，密封環(huán)的內(nèi)徑軸向相對(duì)于中部變形裕量小，受到的擠壓力較大；密封環(huán)的徑向相對(duì)于中部變形裕量大，受到的擠壓力也較小。此外，雖然閥芯與閥座接觸，但由于存在毛細(xì)現(xiàn)象而有流體介質(zhì)存在，當(dāng)球體沿流向有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥芯與閥座更加緊密接觸，從密封面邊緣到中部的流體介質(zhì)越來越少，所以，密封面邊緣處在介質(zhì)與閥芯的雙重作用下，受力略比密封面中部的大。因此，在密封面軸向和徑向上，密封比壓呈倒拋物線分布，在周向面上，每個(gè)環(huán)面都受力相同，整體曲線變化不大；在邊緣環(huán)面，由于受預(yù)緊力、介質(zhì)施加力和閥芯密封面綜合作用，產(chǎn)生有波動(dòng)的變化曲線，尤其在密封面外徑處影響更大，所以，密封面的密封比壓應(yīng)該在內(nèi)徑處最大，在外徑處略比中部的大。由于受毛細(xì)現(xiàn)象的影響，取密封面中部的密封比壓作為整個(gè)浮動(dòng)球閥的密封比壓是合理的，新型雙向硬密封旋球閥的密封比壓理論計(jì)算公式按密封面平均直徑求解得出的值是可信的。

3 結(jié)論

(1) 新型雙向硬密封旋球閥密封環(huán)面上沿軸向和徑向密封比壓呈拋物線型分布，密封比壓在兩側(cè)較大，而在中部其密封比壓分別為5.496 MPa和4.617 MPa，相比兩側(cè)密封比壓較小，且大于最小密封臨界比壓(1.92 MPa)，密封效果良好。

(2) 新型雙向硬密封旋球閥密封環(huán)面在內(nèi)、外徑處，周向面上的密封比壓相對(duì)其密封環(huán)面中心部分的密封比壓大，且分布曲線變化較大；而在密封面中心部分，密封比壓的分布曲線變化很小，總體恒定在一定的范圍內(nèi)，其最小密封比壓為5.252 MPa，大于最小密封臨界比壓，滿足密封要求。

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