三偏心蝶阀的结构设计及优化要点

江力

三偏心蝶阀的结构设计及优化要点

江力

（九牧厨卫股份有限公司，福建 厦门 361000）

为了优化三偏心蝶阀结构，通过仿真分析，挖掘三个偏心与流量特性之间不协调问题。针对此问题，采取正交试验方法，设计蝶阀结构优化设计方案。试验及仿真结果表明，在满足蝶阀不泄漏、不干涉要求情况下，角度偏心为4.5°，径向偏心为11 mm，轴向偏心为135 mm为最佳结构设计方案。

三偏心蝶阀；优化分析；结构设计；密封性能

蝶阀作为管道输送的重要组成部分，其内部结构性能在一定程度上决定了输送介质、管道系统的控制效果，关乎着中国航空航天、医疗器械、石油化工等多个领域的发展[1]。三偏心蝶阀是继双偏心结构之后推出的新型结构，因结构设计方案不成熟，容易发生形变，其结构设计方案仍需进一步完善。本文以三个偏心与流量特性之间不协调问题作为重点研究内容，提出结构优化方案。

1 三偏心蝶阀的结构分析

三偏心蝶阀结构是在双偏心结构基础上添加1个倾角，调整各个接触应力，使其均匀分布，并提高密封性能，从而达到改善蝶阀结构性能的目的。

以蝶板中心作为参照，蝶板回转中心与其形成的轴向偏心距，记为；以蝶板中心作为参照，蝶板回转中心与其形成的径向偏心距，记为；阀体通道轴线与蝶板锥面轴线形成角偏心，记为。

虽然三偏心蝶阀存在轴向偏心距离，提高了蝶阀密封面的连续性，降低了设备加工制造难度，但是蝶板密封面回转半径远远超出封面部位设定半径，导致密封表面无法进入阀座，出现了“干涉”情况。为了避免此问题对装置性能造成影响，必须对蝶阀结构进行优化处理。

2 三偏心蝶阀的有限元分析

在构建蝶阀三维模型时，施加载荷和约束条件，完成蝶阀网格划分，从而提高有限元分析精度。本文利用ANSYS有限元分析软件，对三偏心蝶阀结构进行仿真分析。蝶面变形仿真结果如图1所示。通过观察图1可知，蝶阀表面出现了严重变形问题，说明蝶阀流量存在较大问题，因三个偏心与流量特性之间不协调，导致蝶阀作业过程中流阻系数较大，影响了蝶阀形态。

3 三偏心蝶阀的结构设计及优化要点

3.1 三偏心蝶阀的结构优化

为了解决蝶阀结构形变问题，本文从控制流量角度出发，通过调节流量与三个偏心角间的关系，采取正交化优化试验，通过仿真分析，检验蝶阀结构优化设计方案的可靠性。

图1 蝶面变形仿真结果

密封副接触点对应的旋转半径大于P1点对应的旋转半径，通过将蝶板旋入阀座，使得蝶阀得以接触密封。另外，副接触点对应的旋转半径小于P4点对应的旋转半径，以此控制蝶板切入密封位置，提高阀门密封性能，形成零泄漏结构。实际上，这种优化方案的思想是通过调节角度偏心、径向偏心、轴向偏心，来控制流量系数，从而解决阀门流量受阻问题。按照此优化方案设计原理，对蝶阀参数进行优化试验设计。本研究采用正交试验法，合理规划试验方案，从而选取最佳参数设置方案。本试验以角度偏心、径向偏心、轴向偏心作为正交试验因素，以流阻系数、流量系数作为性能指标。设计值：角度偏心=5°，径向偏心距15 mm，轴向偏心距140 mm，设定4个水平变化范围，开启正交试验。通过布设正交试验体系，并计算不同情况下的流量系数及流阻系数，根据计算结果，选取最佳优化方案。

通过观察计算结果可知，测试编号为5的试验所得流阻系数计算数值最小，流量系数计算数值最大，此次试验参数为最佳配置。为了进一步确定，本文还对优化目标采取极差分析，通过计算极差，对影响因素进行排序，为蝶阀设计方案优化研究提供参考依据。流量系数极差分析结果如表1所示，流阻系数极差分析结果如表2所示。

综合对比表1和表2中的计算结果可知，径向偏心对蝶阀结构流通影响最大，轴向偏心对其造成的影响最小。如果以流量系数为判断依据，最优组合为212；如果以流阻系数为判断依据，最优组合为112。

表1 流量系数极差分析

序号因素 角度偏心φ径向偏心b轴向偏心a A10.607 740.614 760.609 74 A20.613 490.612 010.610 74 A30.610 740.606 490.608 99 A40.607 010.605 740.609 49 极差R0.006 510.009 010.001 74 因素影响顺序径向偏心b>角度偏心φ>轴向偏心a 优先水平φ2b1a2

表2 流阻系数极差分析

序号因素 角度偏心φ径向偏心b轴向偏心a A130.963 6830.942 9930.963 49 A231.051 5931.092 9130.963 82 A331.138 9231.089 8330.963 79 A431.038 4931.041 7930.963 79 极差R0.175 210.450 790.000 29 因素影响顺序径向偏心b>角度偏心φ>轴向偏心a 优先水平φ2b1a1

3.2 仿真结果分析

考虑到三偏心蝶阀作业作用中不可以存在泄漏、干涉等情况，综合对比组合212和组合112的各项因素，选取212为最佳方案。

为了进一步验证最佳参数的设计方案，本文采用了仿真分析法，从软件中读取数据，对优化前后流通性能再次进行分析。

仿真结果表明，优化处理的流量系数增加了0.011，流阻系数降低了1.992 m3/h。由此可以判断，本文选定的212方案可以有效改善蝶阀结构性能，符合优化处理要求。

4 结论

本文围绕三偏心蝶阀结构问题展开研究，通过有限元分析，选取三个偏心与流量特性之间不协调问题作为研究方向，以角度偏心、径向偏心、轴向偏心为因素，设计正交试验。试验结果表明，在满足蝶阀不泄漏、不干涉要求的情况下，212为最佳方案。

另外，本文采取仿真分析法，对比优化前后的流量系数、流阻系数，再次确定优化方案，即角度偏心为4.5°，径向偏心为11 mm，轴向偏心为135 mm。

［1］石路也，曹国峰，谢龙宝，等.南宁万达茂主题乐园钢结构优化设计要点浅析［J］.建筑结构，2017（Suppl 2）：185-187.

TH134

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.041

2095－6835（2019）24－0096－01

江力（1985—），男，福建上杭人，本科，中级工程师，主要研究方向为卫浴新型结构的创新、整装卫浴系统工程。

〔编辑：张思楠〕