大口径楔式闸阀结构的优化设计

2021-02-05 259 上传者：管理员

摘要：通过分析大口径楔式闸阀的工作原理,提出了大口径楔式闸阀结构的优化设计方案。设计结构相应零部件的尺寸,并且以使用需求对计算尺寸进行优化,合理选择各零部件材料。通过结果表示,此设计满足强度需求。

关键词：
大口径楔式
工业设备
结构优化
闸阀结构
加入收藏

大口径闸阀的通径为350～1200mm,被广泛应用到工业管道与供水管道中。阀体属于闸阀主要零件,其参数和结构型式对总体性能具有一定的影响。因为大口径闸阀阀体受结构长度限制,容纳闸阀内腔为椭圆形、扁圆形异形容器,所以无法使用理论公式分析强度,根据工程经验优化结构。在信息技术不断发展的过程中,工程技术在传统产品开发与设计过程中使用先进设计手段。本文对大口径楔式闸阀的优化设计进行分析。

1、大口径楔式闸阀的结构

大口径楔式闸阀通过螺纹丝杠传动原理通过电动机构或手轮使力传递到闸板,从而促进楔式闸板能够上升或者下降,以此将阀门打开或者关闭。在打开闸阀时,驱动电机打开动力,利用阀杆驱动,通过一定速度向上运动,速度一般为10mm/s。为闸板设置预定高度,在其达到此高度之后,电动机构动力驱动就会停止,这个时候闸板完全打开,介质顺畅地流动。针对大口径楔式闸阀来说,能够对流量进行调节,根据闸板高度调控流动介质的流量。在关闭闸板时,会降低闸板到最低点,闸板下凹槽出现形变,具有良好的密封效果。

本文设计大口径楔式闸阀的主要模态包括打开和关闭,阀体在打开时的功能为介质传输,使其成为管道中的一部分。由于关闭时输送管道对介质作用力与抗拉应力抵抗,就要求阀体具备足够强度。阀体为主要部件,在阀门开关时尤为重要。阀体在关闭时会受到流介质压强,介质流出段并不会受力,导致进出口压差使阀体形变。在工程中对阀体强度与刚度的要求比较高,而且使其具备良好的密封性和可靠性。

2、大口径楔式闸阀的结构优化

2.1阀体强度的影响参数

通过阀体等效应力表示,阀体两侧肋板部位为阀体最大应力位置,所以外侧加强筋尺寸和中腔形状会影响到阀体强度。本文对阀体强度中腔截面和外侧加强筋结构参数考虑并且优化设计。

2.2阀座凸台截面参数优化

为了避免出现阀体应力集中的问题,使应力能够均匀分布,并且使强度需求得到满足,需要优化腔结构。此优化主要目标为阀体等效应力最大值比材料许用应力要小,通过计算结果表示,阀体中腔为应力最大值,对阀体中腔形状参数造成影响,主要参数包括R、R1与L1,所以设计变量定义为DS_R、DS_R1与DS_L初始值为1300mm、40mm、112.5mm。

因为工程实际问题,在变量选择和设计过程中要使工程实际需求得到满足,所以约束条件设计为:DS_R为900～1500mm、DS_R1为30～70mm、DS_L为101～124mm。

利用一阶优化方法进行优化,在目标函数设置罚函数,将约束多变量非线性规划问题朝着无约束进行转变,自动优化程序,在优化循环中对模型网络进行划分,优化分析以后就能够得到优化结果。通过实现阀座凸台界面尺寸有限元优化分析之后得到相应结果,DS_L对于阀体等效应力影响,表示短轴长度L为109mm的时候,等效应力最大值是最小的,在偏离此值的时候,应力能够快速上升,其他参数响应图也存在此分布规律。

2.3阀杆设计和校核

在阀杆中,阀门属于主要的零件,如果阀门在使用过程中出现变形或者断裂等问题,就会导致出现安全事故,所以要校核阀门强度,保证其能够承受一定范围中的作用力。阀门材料使用20Cr13,此材料热处理后的塑性、韧性和耐磨性良好。阀门外径设置为70mm,内径设置为52mm。闸阀具有关闭与打开2种状态,所以要实现不同状态受力分析。本文重点分析轴向力。在打开阀门的时候,阀杆所受轴向力计算公式为:

QFZ=Q+QT-QP

在关闭阀门的时候,阀杆所受轴向力计算公式为:

QFZ=Q+QP-QT

公式中的QP指的是介质对于阀门所施加轴向力,计算公式为:

QP=(π-4)dF2P=4.52kN

公式中的dF指的是阀杆直径,P指的是介质压力,QT指的是阀杆和填充料摩擦力,计算公式为:

QT=πdFhTuTP=1.36kN

公式中的hT指的是填充料总高度,uT是指填充料与阀杆的摩擦系数,通过石棉对其计算,设置摩擦系数为0.15。

通过上述公式得到阀杆关闭时轴向作用力为109.6kN,打开是轴向作用力为161.84kN。以此得到最终结果,在阀门打开或者关闭时候的轴向作用力分别为115.48kN、158.68kN。以此可以看出来,在阀杆强度校核过程中要对剪切力进行校核,全面校验阀杆头部强度是否满足实际需求。

2.4应力强度设计

在参数达到某个值的时候,应力值是最小的,得出变量优化结果,三维图形为实际响应图,从而得出的解围约束范围中全局解。通过应力设计与强度应力分析表示,本文指定设计参数的阀体两侧阀体肋板厚度、阀体厚度会影响到阀体最大应力,其次为中腔界面形状大小圆相交的倒圆半径。

3、优化结果

本文通过有限元优化程序对于阀体强度的影响进行优化,表1为阀体结构改进结果,改型后降低阀体中腔截面形状的大圆半径,增加大小圆相交倒圆半径,截面形状类似椭圆形,界面均匀受力。降低阀体外侧加强筋形状的横向长度,阀体中腔受力强度有所保证,能够使阀体应力集中情况得到降低。通过改进结果表明,此改进能够保证阀体强度,满足实际工作需求。

表1阀体结构改进结果

4、结语

本文对大口径楔式闸阀进行优化,合理选择各零部件,优化各尺寸。并且对各零部件进行应力分析,对设计标准进行强度校核,表示本文设计能够满足所需强度需求。

参考文献：

[1]张超杰,习兴华,王永宪,等.空间遥感相机大口径反射镜结构优化设计[J].红外与激光工程,2020,49(2):250-255.

[2]任天赐,邵帅,汪奎.大口径激光发射系统卷帘式密封结构优化设计[J].现代制造工程,2019(6):136-140.

[3]刘惺,何庆中,赵献丹,等.基于流固耦合楔形双闸板闸阀阀座失效分析与结构优化[J].液压与气动,2020(1):153-158.

陈永刚,陈安来,孙文.大口径楔式闸阀结构的优化设计[J].技术与市场,2021,28(02):154-155.