重介质管路平板闸阀的结构优化分析

魏云平

(唐山学院 机电工程系，河北 唐山 063020)



重介质管路平板闸阀的结构优化分析

魏云平

(唐山学院 机电工程系，河北 唐山 063020)

摘要：为提高重介质管路平板闸阀的使用寿命，针对重介质管路的特点，改进了平板闸阀的结构，并利用ANSYS有限元分析软件，建立了阀体和闸板的流体动力学分析和结构应力分析三维模型，数值模拟分析它们的受力状况及边界条件，并对结构改进前后的受力进行了对比分析，验证了设计的可靠性。

关键词：重介质管路；平板闸阀；结构改进；流体动力学；结构应力

平板闸阀广泛应用于煤炭、冶金等行业中。由于管路中含有大量颗粒状物料或矿砂等，对管路中阀门的磨损非常严重，使得重介质管路平板闸阀的使用寿命缩短，同时也大大影响了系统运行的稳定性。为此学者们对此类阀门的研究越来越重视。笔者对闸阀的结构进行了改进，并利用ANSYS有限元分析软件，建立平板闸阀阀体和闸板的流体动力学分析和结构应力分析三维模型，对结构改进前后的闸阀进行数值分析。

1平板闸阀的结构改进

目前销售的重介质管路中的陶瓷阀门多是以粘贴或镶嵌陶瓷片为主。因重介质管路存在着硬度较高的矿物质，与零件表面接触后会产生磨损率很高的硬磨料磨损，在一定的速度和压力下，很容易将陶瓷片冲走，从而造成阀门的失效。笔者对平板闸阀的主要磨损部位——阀体和闸板进行了结构改进：阀体的过流部位改成了方形结构，为解决粉料堆积问题，由双向阀改成单向阀，设计了大口进、小口出的结构，改进后的阀体结构如图1所示；闸板的下部采用了直线形结构，既可克服旧式闸板下沿圆弧尖处磨损严重的缺陷，又可提高自动控制的线性关系，改进后的闸板结构如图2所示；为提高整个闸阀的耐磨性，把阀体和闸板的易磨损处设计成了镶嵌陶瓷环的结构[1]。

图1　改进后的阀体结构

图2　改进后的闸板结构

2闸阀结构改进前后的有限元分析

根据平板闸阀的三种工况作分析：一是在闸阀闭合时作静态分析，可验证强度设计是否符合要求；二是在闸阀工作状态，即开度为50%时，作流体动力和结构应力分析；三是在闸板开启和关闭瞬间，闸阀所受压力和冲击载荷力最大时，作瞬态动力学分析，此时闸阀受力主要为管线压力作用在闸板上的推力、密封面的压紧力和盘根引起的摩擦力，阻尼作用和惯性力不重要，所以用静力分析代替瞬态分析[1]。为验证结构改进后的优化性能，本文针对第二种工况对阀体进行对比分析，针对第三种工况对闸板进行对比分析。

2.1模型建立及网格划分

利用Pro/e进行三维造型，通过数据接口导入ANSYS。选用FLUID142三维流体单元模型。对阀体、闸板和陶瓷环分别进行造型后导入，进行布尔运算，实体相加后采用映射网格划分单元格，阀体应力分析采用Solid186单元，闸板应力分析采用Solid92单元。

2.2边界条件处理和载荷情况

阀体的边界条件和载荷包括入口、出口、液体和管壁的接触三部分。假定入口流速均匀，为0.3 m3/s，且垂直于流场上的速度为零。在所有壁面施加无滑移边界条件，因流体性质为恒值，不可压缩，所以压力只考虑相对值[3]，在阀门入口处施加的试验压力为0.9 MPa。分析计算介质的流速对阀体的压力为梯形，最大值为0.42 Pa，远远小于阀门的试验压力，故忽略不计。

2.3输入材料参数并求解

闸板选用的材料为2Cr13，阀体材料为ZG40Cr，输入各自参数求解，得到结构改进前后的应力云图，如图3-16，数值比较见表1，表2。

图3　改进前阀体X方向应力分布图

图4　改进后阀体X方向应力分布图

图5　改进前阀体Y方向应力分布图

图6　改进后阀体Y方向应力分布图

图7　改进前阀体Z方向应力分布图

图8　改进后阀体Z方向应力分布图

图9　改进前动力学分析受力分布图

图10　闸阀瞬态动力学分析受力分布图

图11　改进前闸板X方向受力分布图

图12　改进后闸板X方向受力分布图

图13　改进前闸板Y方向受力分布图

图14　改进后闸板Y方向受力分布图

图15　改进前闸板Z方向受力分布图

图16　改进后闸板Z方向受力分布图

MPa

3结论

由应力分布云图可以看出，闸板的最大拉应力和最小压应力均出现在其下边缘部分；阀体的最大拉应力和最小压应力均处于其下侧内壁表面上。

由表1，表2可看出，结构改进后，阀体和闸板的最大拉应力和最小压应力的数值均有所减小。根据强度理论，可得改进后闸板的等效应力为σeq=48.57 MPa，阀体的等效应力为σeq=19.41 MPa。查阀门设计手册，取安全系数n=2.3，则闸板的[σ]=195.6 MPa，阀体的[σ]=150 MPa，比较后可明显看出，闸阀所受的应力远远小于材料的许用应力，由此提高了重介管路中平板闸阀的使用寿命。

参考文献：

[1]魏云平，肖春英，孙希跃.重介质管路中平板闸阀结构改进[J].唐山学院学报，2006(3)：106-108.

[2]何家胜，胡洁文，魏卫，等.天然气平板闸阀的有限元应力分析及结构改进[J].武汉工程大学学报，2013，35(10)：57-62.

[3]杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

(责任编校：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

作者简介：魏云平(1972-)，女，河北乐亭人，教授，硕士，主要从事机械设计与制造研究。

中图分类号：TH134；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1672-349X(2016)03-0009-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.003