魏云平

(唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063020)

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重介質(zhì)管路平板閘閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

魏云平

(唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063020)

摘要：為提高重介質(zhì)管路平板閘閥的使用壽命，針對重介質(zhì)管路的特點(diǎn)，改進(jìn)了平板閘閥的結(jié)構(gòu)，并利用ANSYS有限元分析軟件，建立了閥體和閘板的流體動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析三維模型，數(shù)值模擬分析它們的受力狀況及邊界條件，并對結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的受力進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。

關(guān)鍵詞：重介質(zhì)管路；平板閘閥；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；流體動(dòng)力學(xué)；結(jié)構(gòu)應(yīng)力

平板閘閥廣泛應(yīng)用于煤炭、冶金等行業(yè)中。由于管路中含有大量顆粒狀物料或礦砂等，對管路中閥門的磨損非常嚴(yán)重，使得重介質(zhì)管路平板閘閥的使用壽命縮短，同時(shí)也大大影響了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為此學(xué)者們對此類閥門的研究越來越重視。筆者對閘閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并利用ANSYS有限元分析軟件，建立平板閘閥閥體和閘板的流體動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析三維模型，對結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的閘閥進(jìn)行數(shù)值分析。

1平板閘閥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

目前銷售的重介質(zhì)管路中的陶瓷閥門多是以粘貼或鑲嵌陶瓷片為主。因重介質(zhì)管路存在著硬度較高的礦物質(zhì)，與零件表面接觸后會(huì)產(chǎn)生磨損率很高的硬磨料磨損，在一定的速度和壓力下，很容易將陶瓷片沖走，從而造成閥門的失效。筆者對平板閘閥的主要磨損部位——閥體和閘板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)：閥體的過流部位改成了方形結(jié)構(gòu)，為解決粉料堆積問題，由雙向閥改成單向閥，設(shè)計(jì)了大口進(jìn)、小口出的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的閥體結(jié)構(gòu)如圖1所示；閘板的下部采用了直線形結(jié)構(gòu)，既可克服舊式閘板下沿圓弧尖處磨損嚴(yán)重的缺陷，又可提高自動(dòng)控制的線性關(guān)系，改進(jìn)后的閘板結(jié)構(gòu)如圖2所示；為提高整個(gè)閘閥的耐磨性，把閥體和閘板的易磨損處設(shè)計(jì)成了鑲嵌陶瓷環(huán)的結(jié)構(gòu)[1]。

圖1　改進(jìn)后的閥體結(jié)構(gòu)

圖2　改進(jìn)后的閘板結(jié)構(gòu)

2閘閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的有限元分析

根據(jù)平板閘閥的三種工況作分析：一是在閘閥閉合時(shí)作靜態(tài)分析，可驗(yàn)證強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否符合要求；二是在閘閥工作狀態(tài)，即開度為50%時(shí)，作流體動(dòng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析；三是在閘板開啟和關(guān)閉瞬間，閘閥所受壓力和沖擊載荷力最大時(shí)，作瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，此時(shí)閘閥受力主要為管線壓力作用在閘板上的推力、密封面的壓緊力和盤根引起的摩擦力，阻尼作用和慣性力不重要，所以用靜力分析代替瞬態(tài)分析[1]。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的優(yōu)化性能，本文針對第二種工況對閥體進(jìn)行對比分析，針對第三種工況對閘板進(jìn)行對比分析。

2.1模型建立及網(wǎng)格劃分

利用Pro/e進(jìn)行三維造型，通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ANSYS。選用FLUID142三維流體單元模型。對閥體、閘板和陶瓷環(huán)分別進(jìn)行造型后導(dǎo)入，進(jìn)行布爾運(yùn)算，實(shí)體相加后采用映射網(wǎng)格劃分單元格，閥體應(yīng)力分析采用Solid186單元，閘板應(yīng)力分析采用Solid92單元。

2.2邊界條件處理和載荷情況

閥體的邊界條件和載荷包括入口、出口、液體和管壁的接觸三部分。假定入口流速均勻，為0.3 m3/s，且垂直于流場上的速度為零。在所有壁面施加無滑移邊界條件，因流體性質(zhì)為恒值，不可壓縮，所以壓力只考慮相對值[3]，在閥門入口處施加的試驗(yàn)壓力為0.9 MPa。分析計(jì)算介質(zhì)的流速對閥體的壓力為梯形，最大值為0.42 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閥門的試驗(yàn)壓力，故忽略不計(jì)。

2.3輸入材料參數(shù)并求解

閘板選用的材料為2Cr13，閥體材料為ZG40Cr，輸入各自參數(shù)求解，得到結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的應(yīng)力云圖，如圖3-16，數(shù)值比較見表1，表2。

圖3　改進(jìn)前閥體X方向應(yīng)力分布圖

圖4　改進(jìn)后閥體X方向應(yīng)力分布圖

圖5　改進(jìn)前閥體Y方向應(yīng)力分布圖

圖6　改進(jìn)后閥體Y方向應(yīng)力分布圖

圖7　改進(jìn)前閥體Z方向應(yīng)力分布圖

圖8　改進(jìn)后閥體Z方向應(yīng)力分布圖

圖9　改進(jìn)前動(dòng)力學(xué)分析受力分布圖

圖10　閘閥瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析受力分布圖

圖11　改進(jìn)前閘板X方向受力分布圖

圖12　改進(jìn)后閘板X方向受力分布圖

圖13　改進(jìn)前閘板Y方向受力分布圖

圖14　改進(jìn)后閘板Y方向受力分布圖

圖15　改進(jìn)前閘板Z方向受力分布圖

圖16　改進(jìn)后閘板Z方向受力分布圖

MPa

3結(jié)論

由應(yīng)力分布云圖可以看出，閘板的最大拉應(yīng)力和最小壓應(yīng)力均出現(xiàn)在其下邊緣部分；閥體的最大拉應(yīng)力和最小壓應(yīng)力均處于其下側(cè)內(nèi)壁表面上。

由表1，表2可看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，閥體和閘板的最大拉應(yīng)力和最小壓應(yīng)力的數(shù)值均有所減小。根據(jù)強(qiáng)度理論，可得改進(jìn)后閘板的等效應(yīng)力為σeq=48.57 MPa，閥體的等效應(yīng)力為σeq=19.41 MPa。查閥門設(shè)計(jì)手冊，取安全系數(shù)n=2.3，則閘板的[σ]=195.6 MPa，閥體的[σ]=150 MPa，比較后可明顯看出，閘閥所受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，由此提高了重介管路中平板閘閥的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏云平，肖春英，孫希躍.重介質(zhì)管路中平板閘閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(3)：106-108.

[2]何家勝，胡潔文，魏衛(wèi)，等.天然氣平板閘閥的有限元應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(10)：57-62.

[3]楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

(責(zé)任編校：夏玉玲)

An Analysis and Optimization of the Structure of the Flat Gate Valves of Dense-Medium Pipelines

WEI Yun-ping

(Department of Mechanical and Electrical Engineering， Tangshan University， Tangshan 063000， China)

Abstract：In order to increase the service life of the flat gate valves of the dense-medium pipelines， the author of this paper， in view of the characteristics of the dense-medium pipelines，has improved the structure of the flat gate valves， constructed a 3D model to analyze the fluid dynamics and structural stress of the valve bodies and gates through ANSYS，simulated their stress condition and boundary condition numerically， made a comparative analysis of the structural stress before and after the improvement on the structure， and thus demonstrated the reliability of the optimization.Key Words： dense-medium pipeline； flat gate valve； structural development； fluid dynamics；structural stress

作者簡介：魏云平(1972-)，女，河北樂亭人，教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究。

中圖分類號：TH134；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0009-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.003