高俊峰,李 偉,楊玲玲,張建斌,馮玉林,明 友

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司,安徽 合肥 230031)

0 引 言

因?yàn)橛兄?dú)特的優(yōu)勢(shì),所以全焊接球閥目前已被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)中[1-2]。若其密封結(jié)構(gòu)遭到損壞或不能滿足使用要求,整體球閥將報(bào)廢[3]。為此,對(duì)于全焊接球閥而言,其密封結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)很重要。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)全焊接球閥密封結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究。

黃曉云等人[4]采用中心組合設(shè)計(jì)法(central composite design,CCD)和響應(yīng)面法(RSM),對(duì)浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化,優(yōu)化后,其密封結(jié)構(gòu)的密封性能得到了顯著提高。柴依揚(yáng)等人[5]提出了NSGA-III算法,并以彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度和最大應(yīng)力為目標(biāo)建立了車輛的多目標(biāo)優(yōu)化模型,優(yōu)化后,車體的整體性能有了較大程度的提高。QIAN Su-xin等人[6]采用新型固態(tài)冷卻技術(shù),利用多目標(biāo)優(yōu)化方法及創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法,對(duì)壓縮熱彈性冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,增強(qiáng)了壓縮熱彈性冷卻系統(tǒng)的性能;但其缺少比較分析,無(wú)法判斷優(yōu)化設(shè)計(jì)后,該系統(tǒng)是否比其他制冷系統(tǒng)更好。WANG Xiu-ying等人[7]對(duì)氣體機(jī)械密封螺旋槽進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化,優(yōu)化后,其氣膜升程得到了顯著提高;但其未考慮實(shí)際工作條件下的溫度和壓力變化等因素。黃澤好等人[8]基于Kriging代理模型,對(duì)汽車的消聲器噪聲和背壓進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后的尾管噪聲和排氣背壓均在目標(biāo)限值以內(nèi)。REN Jie等人[9]基于Isight軟件,對(duì)VL密封圈進(jìn)行了多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化后,其結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量得到了顯著提高;但其缺乏對(duì)結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證。

綜上所述,多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可為各類結(jié)構(gòu)的性能提升奠定良好的基礎(chǔ)。

由于密封結(jié)構(gòu)對(duì)于全焊接球閥的整體質(zhì)量影響較大,筆者采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,建立球閥密封結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,對(duì)NPS16 Class600上裝式全焊接浮動(dòng)球球閥的主要密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行高效設(shè)計(jì),并研究目標(biāo)值在結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)的敏感性。

1 響應(yīng)面法

響應(yīng)面法(RSM)[10]是一種應(yīng)用廣泛而高效的優(yōu)化分析設(shè)計(jì)方法。該方法的本質(zhì)是根據(jù)設(shè)計(jì)變量得出的確定性試驗(yàn)結(jié)果,擬合出真實(shí)的響應(yīng)模型。其表達(dá)式如下:

(1)

真實(shí)的響應(yīng)模型近似代表真實(shí)的功能模型,可表示為:

z=g(x1,x2,…,xn)=0

(2)

式中:z為功能函數(shù)。

擬合模型形式的選擇,既影響著擬合精度,又決定著計(jì)算效率。筆者利用響應(yīng)面法進(jìn)行分析設(shè)計(jì),得到的結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)參數(shù)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

在實(shí)際工程中,大多采用全二階多項(xiàng)式逼近高階隱式功能函數(shù),其公式可表示為:

(3)

式中:a0,ai,aij為待定系數(shù);ε為隨機(jī)誤差。

式(3)中,待定系數(shù)個(gè)數(shù)為(n2+2n+2)/2,可根據(jù)最小二乘法獲得待定的系數(shù)矩陣。當(dāng)設(shè)計(jì)變量較多時(shí),含交叉項(xiàng)的全二階多項(xiàng)式模型求解量也隨之增加。

響應(yīng)面法的預(yù)測(cè)能力由均方差σ和決定系數(shù)R2評(píng)價(jià)標(biāo)所決定。

R2和σ可表示為:

(4)

(5)

式中:SSE為殘差平方和;SST為總平方和。

其中,SSE、SST可分別表示為:

(6)

(7)

2 球閥密封結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

2.1 密封原理

浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 球閥密封結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知:浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)主要由球體、閥座組成。

在流體介質(zhì)壓力和彈簧預(yù)緊力的共同作用下,球體與閥座相接觸的密封面處形成一定的密封比壓,可達(dá)到使球閥密封的目的。

2.2 參數(shù)化模型

在浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)中,浮動(dòng)閥座和球體的二、三維模型圖,如圖2所示。

圖2 浮動(dòng)球球閥密封結(jié)構(gòu)

圖2中,筆者選取密封面外徑D7、密封面內(nèi)徑D10、密封面大徑DA和球體的直徑d1這4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。

3 仿真分析

3.1 工況及材料參數(shù)

全焊接浮動(dòng)球球閥的密封結(jié)構(gòu)采用金屬硬密封的形式,其實(shí)際設(shè)計(jì)工況參數(shù)如表1所示。

表1 球閥工況參數(shù)表

全焊接浮動(dòng)球球閥主要結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表2所示。

表2 球閥主要零件的材料參數(shù)

3.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

為了保證求解的收斂性,并提高求解的效率,需要在進(jìn)行仿真分析時(shí),對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理。

對(duì)球閥進(jìn)行密封性能研究時(shí),主要針對(duì)的是浮動(dòng)球密封結(jié)構(gòu)部分;因此,筆者對(duì)該部分進(jìn)行簡(jiǎn)化。

首先,設(shè)置仿真分析模型僅包括浮動(dòng)閥座和球體結(jié)構(gòu);然后,刪除模型中較小的尺寸結(jié)構(gòu)(例如小孔、螺紋等設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu));最后,對(duì)簡(jiǎn)化后的分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

筆者利用ANSYS軟件,采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法和局部網(wǎng)格控制技術(shù),對(duì)浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,如圖3所示。

圖3 浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

3.3 載荷與邊界條件

筆者對(duì)閥桿槽口徑向接觸面和球體支撐槽口徑向接觸面施加固定約束;在進(jìn)口端球體介質(zhì)接觸表面和閥座第一、二階梯處施加壓力5.7 MPa,在閥座第二階梯表面施加彈簧預(yù)緊力4 kN。球閥密封結(jié)構(gòu)為沿軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu),需在球體和閥座的切割表面施加無(wú)摩擦支撐約束。

筆者在球體與閥座接觸面設(shè)置摩擦約束,應(yīng)用增廣拉格朗日接觸算法,并設(shè)置對(duì)稱接觸行為[11]。其中,球體環(huán)面為目標(biāo)面,閥座內(nèi)環(huán)面為接觸面,摩擦系數(shù)為0.15。

3.4 有限元分析結(jié)果

基于上述前處理,筆者對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行仿真分析。在后處理的結(jié)果分析部分,筆者主要關(guān)注浮動(dòng)閥座密封面上的接觸壓力和間隙值。密封面上有兩條路徑節(jié)點(diǎn),筆者將靠近流體的路徑命名為Path_In,遠(yuǎn)離流體路徑命名為Path_Out。

Path_In和Path_Out的接觸壓力分布圖如圖4所示。

圖4 接觸壓力分布圖

Path_In和Path_Out的間隙值分布圖如圖5所示。

4 試驗(yàn)及對(duì)比分析

4.1 試驗(yàn)

筆者根據(jù)國(guó)標(biāo)《工業(yè)閥門(mén)壓力測(cè)試》(GB/T 13927—2008),對(duì)該研究中的球閥進(jìn)行密封試驗(yàn)研究[12]。

該次試驗(yàn)平臺(tái)的某閥門(mén)企業(yè)的閥門(mén)試驗(yàn)裝置,如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)設(shè)備為上海增欣機(jī)電設(shè)備液壓公司生產(chǎn)的YFB-D1400型閥門(mén)試驗(yàn)臺(tái),其最大測(cè)試通徑為1 600 mm,最高密封試驗(yàn)壓力為31.5 MPa。該設(shè)備可以滿足筆者的試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)中,測(cè)試閥門(mén)利用龍門(mén)吊轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn)平臺(tái)的夾具位置,由試驗(yàn)臺(tái)夾具對(duì)其進(jìn)行固定,并接通相關(guān)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。

4.2 對(duì)比分析

密封環(huán)面試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比變化曲線,如圖7所示。

圖7 密封環(huán)面測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比

由圖7可知:試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析值最大誤差僅為4.2%,驗(yàn)證了仿真分析值的正確性。

5 密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

5.1 設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

筆者對(duì)浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化建模,采用DOE[13]和RSM對(duì)密封結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量進(jìn)行隨機(jī)抽樣,并求解相應(yīng)值,建立球閥密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

基于RSM,筆者對(duì)球閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),獲取最優(yōu)的參數(shù)組合,并采用仿真分析進(jìn)一步驗(yàn)證其優(yōu)化效果及密封性能。

5.2 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

1)設(shè)計(jì)變量

筆者根據(jù)球閥的密封分析與壓力試驗(yàn)分析結(jié)果,擬優(yōu)化閥座的D7、D10、DA和球體的d1等參數(shù),以提高球閥的密封性能。

其設(shè)計(jì)變量可表示為:

x=[x1,x2,x3,x4]T=[D7,D10,DA,d10]T

(8)

2)目標(biāo)函數(shù)

筆者以密封結(jié)構(gòu)的最小間隙量Cmin、閥座結(jié)構(gòu)的最大等效壓力S1max、密封面的平均接觸壓力Pave,及密封結(jié)構(gòu)最大形變Demin為4個(gè)子目標(biāo),其目標(biāo)函數(shù)可表示為:

(9)

3)約束條件

筆者面向全焊接浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,研究密封結(jié)構(gòu)的尺寸相關(guān)性并與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合,最終設(shè)計(jì)出變量的約束條件,如表3所示。

表3 約束條件

綜上所述,浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可表示為:

(10)

5.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

筆者使用Minitab多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件中的DOE模塊,對(duì)浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)選定的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì);并采用CCD方法[14-18]對(duì)浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),抽取其25個(gè)樣本點(diǎn)。

筆者設(shè)計(jì)變量的樣本點(diǎn)及真實(shí)響應(yīng)值數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)及真實(shí)響應(yīng)值

5.4 敏感性及響應(yīng)面分析

浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)全局敏感性分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 球閥密封結(jié)構(gòu)全局敏感性分析結(jié)果

由圖8可知:針對(duì)最小間隙值,4個(gè)輸入量對(duì)輸出參數(shù)的影響都不相同。閥座的DA、D10變量為正相關(guān),球體D1和閥座D7為負(fù)相關(guān);針對(duì)最大等效應(yīng)力,4個(gè)輸入?yún)?shù)中,除參數(shù)D10為正相關(guān),其余均為負(fù)相關(guān);浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最小間隙值的影響較大。

浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)局部敏感性分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 球閥密封結(jié)構(gòu)局部敏感性分析結(jié)果

由圖9(a)和圖9(b)可知:每條敏感性曲線都交于響應(yīng)點(diǎn)。在該點(diǎn)處,各個(gè)輸入變量的最大等效應(yīng)力值和最小間隙值的靈敏度系數(shù)均一致。

由圖9(b)可知:主要的4個(gè)密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最大等效應(yīng)力的影響較大。其中,d1和DA對(duì)最大等效應(yīng)力的影響顯著性較大。另外,D7和D10對(duì)最大等效應(yīng)力的影響顯著性較小。因此,筆者需著重關(guān)注對(duì)最大等效應(yīng)力影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

筆者采用響應(yīng)面優(yōu)化(RSO)模塊,利用全二階多項(xiàng)式可擬合出響應(yīng)面模型[19-21]。

浮動(dòng)球球閥密封結(jié)構(gòu)參數(shù)與最小間隙值擬合得到的響應(yīng)面模型,如圖10所示。

圖10 最小間隙值響應(yīng)面分析結(jié)果

由圖10(a)可知:當(dāng)球體直徑d1確定時(shí),隨著DA的增大,其對(duì)間隙值的影響顯著性程度呈先下降后增長(zhǎng)的趨勢(shì);當(dāng)DA達(dá)到75°時(shí)間隙量最小。

由圖10(a)和圖10(b)對(duì)比可知:DA與d1和D7對(duì)間隙值的影響規(guī)律近似相同。

由圖10(c)可知:改變DA和D10時(shí),對(duì)間隙值的影響較小。當(dāng)DA在60°～90°區(qū)間變化時(shí),隨著D10的增加,其對(duì)最小間隙值的影響顯著性逐漸增大;當(dāng)D10達(dá)到120 mm時(shí),其影響程度趨于平穩(wěn)。

密封結(jié)構(gòu)參數(shù)與最大等效應(yīng)力擬合得到的響應(yīng)面模型,如圖11所示。

圖11 最大等效應(yīng)力響應(yīng)面分析結(jié)果

由圖11(a)和圖11(b)可得:在DA保持不變的情況下,在局部區(qū)間內(nèi),隨著d1和D7的增大,對(duì)最大等效應(yīng)力的影響顯著性均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì);

由圖11(c)可得:在局部區(qū)間內(nèi),控制D10不變,隨著DA的增加,最大等效應(yīng)力先增加后減小;當(dāng)DA在75°時(shí),最大等效應(yīng)力最大;當(dāng)DA確定,隨著D10的增加,最大等效應(yīng)力呈逐漸增加的趨勢(shì)。

5.5 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

筆者利用RSO模塊對(duì)浮動(dòng)球球閥密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行約束賦值,并將其與目標(biāo)期望值進(jìn)行比較,得到3組優(yōu)化方案,如表5所示。

表5 浮動(dòng)球球閥密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

筆者根據(jù)表5數(shù)據(jù),綜合前文分析,對(duì)比各參數(shù)所求解的響應(yīng)值,最終確定了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Ⅱ。方案Ⅱ中,密封結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和最大變形量分別降低了8.4%、57.2%;密封面的平均接觸壓力提高了7.8%[22-23]。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)全焊接球閥密封性欠佳的問(wèn)題,以NPS16 Class600型球閥為例,筆者對(duì)其密封結(jié)構(gòu)的密封性能進(jìn)行了理論推導(dǎo)、仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試研究。

首先,筆者采用DOE法及響應(yīng)面法,建立了浮動(dòng)球球閥密封結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用ANSYS軟件分析了各參數(shù)對(duì)密封結(jié)構(gòu)密封性能的敏感性及其影響規(guī)律,并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明:

1)D10和d1密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最大等效應(yīng)力(S1)的影響顯著性明顯;D7、D10和d1密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最小間隙值(Cmin)的影響顯著性明顯;在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注D10;

2)在局部區(qū)間,采用響應(yīng)面分析可得,DA與D7密封結(jié)構(gòu)在參數(shù)耦合作用下對(duì)最小間隙值的影響顯著;DA與d1密封結(jié)構(gòu)在參數(shù)耦合作用下對(duì)最大等效應(yīng)力影響顯著;根據(jù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)需求,可合理設(shè)計(jì)耦合參數(shù);

3)經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化,密封結(jié)構(gòu)的最大變形量降低了57.2%,密封面的接觸平均壓力提高了7.8%;該研究可提高全焊接球閥密封結(jié)構(gòu)的密封性能和壽命。

在后續(xù)的研究中,筆者將根據(jù)優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu),利用Archard模型和自適應(yīng)磨損模型,對(duì)該結(jié)構(gòu)的磨損壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。