三偏心蝶阀振动特性分析

王海民， 孔祥帅， 刘 欢(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)

蝶阀是流体输送管路系统中重要的开关元件，由于其结构简单，流动阻力小，因而得到了广泛应用。蝶板在蝶阀中起到开关和密封作用，在工作参数不高的条件下，由于密封面结构不合理或者压力边界破坏造成的内泄漏是最常见的问题[1]。为了克服这些问题,蝶阀的结构经历了中线蝶阀、单偏心蝶阀、双偏心蝶阀的发展过程。在一些严苛工况下，三偏心结构蝶阀逐渐得到应用[2]。

三偏心蝶阀结构如图1所示，三偏心蝶阀中最重要的结构是三偏心蝶板，三偏心蝶板在结构上存在着三个偏心位置，第一个偏心是指蝶板的回转中心相对于蝶板中心在蝶板的轴向上存在着偏心距b，第二个偏心是指蝶板的回转中心相对于蝶板的中心径向上存在偏心距a，第三个偏心是指蝶板锥面轴线与阀体通道轴线形成的偏心角β[3]。三偏心结构蝶阀的密封面为斜置锥面， 蝶板与阀座的密封面均为连续完整封闭的空间曲面，蝶板和阀座密封副的密封比压大于必须密封比压，这能保证蝶阀主密封副在360°圆周上达到密封要求。在最小压力角大于由密封材料所决定的摩擦角的条件下，就会杜绝两者之间相互夹持卡塞的现象。

当蝶阀处于全开状态时，流体流经蝶板时产生涡的脱落，涡的脱落会撞击蝶板使其产生振动，特别是在输运高温高压蒸汽时，这种振动会对三偏心蝶板结构产生破坏，尤其是卡门涡的脱落频率与蝶板形成共振时，对三偏心蝶板的结构影响会更大[4]。因此对三偏心蝶阀的振动特性进行研究。由于蝶阀中的蝶板和阀杆是通过螺栓固定成为一个整体，因此把蝶板和阀杆作为一个整体进行研究。

图1 三偏心蝶阀结构示意图

本文的研究对象三偏心蝶阀是用于高温高压蒸汽管道中，其工作压力为4.2 MPa，工作温度为255 ℃。本文首先利用有限元分析方法，研究蝶板和阀杆的各阶振动特性，然后利用试验方法测试三偏心蝶板和阀杆的固有频率，并将前面得到的两种结果与卡门涡街的脱落频率进行对比[5]，验证三偏心蝶板和阀杆结构的合理性。

1 振动特性的数值模拟

1.1 建立三维模型

对蝶阀中蝶板和阀杆进行数值模拟，需要建立准确可靠的实体模型，这是应用有限元进行结构力学仿真的前提。其主要结构尺寸如图2中(a)所示，本文选择专业的三维建模软件UG来建立蝶板和阀杆的三维模型，如图2中(b)所示，材料为WC9高温碳钢。

1.2 构建网格

总体来讲，ANSYS的网格划分有两种：自由网格划分(Free Meshing)和映射网格划分(Mapped Meshing)。

自由网格划分主要用于划分边界形状不规则的区域，它所生成的网格相互之间是呈不规则排列的。对于复杂形状的边界常常选择自由网格划分。自由网格对于单元形状没有限制，也没有特别的应用模式。缺点是分析精度往往不够高[6]。

映射网格的特点是具有规则的形状，并且明显的成行排列。

一般来说映射网格往往比自由网格划分得到的结果要更加精确，而且在求解时对CPL和内存的需求也相对要低些。如果用户希望用映射网格划分模型，创建模型的几何结构必须由一系列规则的体或面组成，这样才能应用于映射网格划分。ANSYS支持的单元网格类型，见表1。

(a) 主要结构尺寸图

(b) 三维模型图

Fig.2 Two-dimensional structure and the tri-dimensional calculation model of the three-eccentric butterfly valve disc and valve rod

表1 ANSYS支持的单元形状与网格

由于蝶板是不规则的形状，所以选用自由网格进行划分，将建立的三维模型导入ANSYS软件中，选取整个蝶板和阀杆结构为计算模型，对蝶板进行模态分析，蝶板的材料性能常数为：弹性模量E=2.06 GPa，泊松比v=0.27，密度ρ=7.85×103kg/m3，全部采用实体的六面体Solid95单元划分网格。得到如图3所示的网格图形。

1.3 蝶阀的蝶板和阀杆的约束方式

由于蝶板在蝶阀工作方式时是处于快速打开和快速关闭，在快速打开和快速关闭过程中，蝶板和阀杆所受到的约束会有所不同，进而影响数值模拟过程中计算所得到的固有频率的大小[7]，然而，在实际的工程项目中，需要的是在蝶阀处于标准工作状态下蝶板和阀杆的固有频率(蝶板与中心轴成180°即平行状态)，在三维模型时，蝶板和阀杆被建立为一个整体，因此在运用ANSYS进行数值模拟计算的过程中[8]，主要限制阀杆的上下移动和以其中心轴旋转蝶板这两个自由度，来实现对蝶板和阀杆的外在约束，从而得到标准工作状态下蝶板和阀杆的固有频率。

图3 三维计算网格图

1.4 蝶阀蝶板和阀杆的固有频率和谐响应分析

运用ANSYS软件对计算模型进行数值模拟计算，得到的蝶板和阀杆的固有频率第1阶到第10阶的计算结果，其中前6阶的振型如图4～图9所示。

Fig.4 The first order vibration mode of the butterfly disc and valve rod structure

Fig.5 The second order vibration mode of the butterfly disc and valve rod structure

蝶板和阀杆的弯曲变形分别会发生在轴向方向和径向方向，由图4～图9可知，蝶板和阀杆不仅在轴向方向上发生了弯曲变形，也在径向方向上发生弯曲变形。由图4和图5，我们可以清晰地看到，此时蝶板和阀杆仅在轴向方向上发生弯曲变形，由表2知，其所对应的固有频率分布在1 000～1 300 Hz之间，而由图6和图7可知，蝶板阀杆仅在径向方向上发生弯曲变形，由表2可知，其固有频率分布在1 300～1 700 Hz之间，图8和图9可以看到，蝶板和阀杆不仅在轴向而且还在径向均发生了弯曲变形，即扭曲变形[9]，此时的固有频率较大，结合此三种蝶板和阀杆的弯曲变形，不难发现，在径向方向上蝶板和阀杆的弯曲变形所对应的固有频率大于其在轴向方向上，且振动形式随着振动模态阶数越高，也变得越复杂，为了得到哪种变形在蝶板和阀杆的振动中占主导地位，对此蝶板和阀杆施加一个正弦变化的激励力[10]，运用ANSYS模拟计算，在不同大小的激励力条件下，前六阶所对应的固有频率中，哪一阶固有频率使蝶板和阀杆消耗的能量较大。参考表2中计算结果，在此，激励力大小设置在0～2 000 Hz，子步数为10，利用ANSYS对蝶板进行谐响应分析。

图6 蝶板和阀杆结构第3阶振型

Fig.6 The third order vibration mode of the butterfly disc and valve rod structure

Fig.7 The forth order vibration mode of the butterfly disc and valve rod structure

Fig.8 The fifth order vibration mode of the butterfly disc and valve rod structure

Fig.9 The sixth order vibration mode of the butterfly disc and valve rod structure

表2 三偏心蝶板和阀杆的固有频率特性

通过ANSYS计算得出的结果如图10所示。

图10 三偏心蝶板和阀杆谐响应分析曲线图

Fig.10 Harmonic response analysis graph of the tri-eccentric butterfly disc and valve rod

由图10可知，蝶板和阀杆消耗的能量随激励力的大小在一定范围内增大，一定范围内减小，中间出现四次峰值，分别对应的激励力大小为300 Hz,1 100 Hz,1 200 Hz和1 700 Hz，且当施加激励力的频率大小为1 200 Hz左右时，此时蝶板和阀杆的振幅达到最大为0.009 mm，结合上述可知，蝶板和阀杆在此激励力条件下发生了轴向弯曲变形，此时所对应的蝶板和阀杆振动模态处于第一阶和第二阶之间，因此可以得出轴向方向上的弯曲变形在蝶板和阀杆振动中占主导地位。

2 固有频率测试

在上述过程中，通过ANSYS软件计算了蝶板和阀杆的振动模态并对其进行了谐响应分析，得出三偏心蝶板和阀杆起主导作用的振动模态下的固有频率，但由于此两种方式自身的局限性，因此，需要另外通过实验的方法，测试蝶板和阀杆自身的固有频率，具体方法如下。

2.1 测试对象

测试对象所采用的三偏心蝶板和阀杆与计算模型一致，蝶板和阀杆的材质是WC9的高温碳钢。根据实际应用和数值模拟所采用的约束方式，将其按照如图11所示的方式对阀杆进行约束，阀杆通过4个螺栓固定蝶板。通过锤击法，根据锤击力的不同，测试蝶板和阀杆的固有频率。

测试时，首先将加速度传感器通过其自身的磁性吸附在蝶板上，然后连接至数据采集卡；力锤的一端连接在数据采集卡上，另一端敲击蝶板。利用锤击法时，采用橡胶头力锤，单点锤击，锤击方向垂直于锤击点处的蝶板面。每次锤击测试，系统默认一定的测试时长(即反应时间)，在该时间段内，力锤不可以再次锤击，否则会造成测试失败。因此锤击速度要快，力锤接触蝶板面的时间要短。理论上选择蝶板面上的任意点锤击均不会影响测试效果[11]，为了更加符合实际情况，将锤击点选在蝶板的前边缘处，此锤击点与上述谐响应分析的施力点在同一位置，相同的施力点可以更好的对上述结果进行验证[12]。测试结果如下。

图11 通过对阀杆上端进行下压和加紧来固定阀杆

Fig.11 Through the stem top down and stepped up to a fixed stem and butterfly disc

2.2 数据处理

将振动分析的测试数据导入到Signalpad软件进行处理，数据拟合后得到的固有频率的曲线图,如图12所示。

图12 蝶板和阀杆固有频率曲线图

从图12中可以看出，图中出现4次波峰，4次波峰对应的频率分别为1 280 Hz，2 200 Hz，2 800 Hz，3 500 Hz。从表2中的得出，小于2 093 Hz是对蝶板和阀杆的频率研究的主要范围。大于2 093 Hz的频率属于高阶频率，对蝶板振动影响不大，不在研究范围之内。由图12可以得出，在0～2 093 Hz范围内，当锤击力频率在1 280 Hz时，蝶板振动的振幅达到为0.012 mm，此时蝶板的固有频率与橡胶头力锤锤击的频率发生共振从而蝶板和阀杆消耗的能量达到最高，因此，蝶板和阀杆的固有频率等于此时橡胶头力锤锤击力的振动频率，为1 280 Hz，此值接近于上述运用ANSYS模拟计算的方法所得出的频率1 300 Hz。

3 卡门涡脱落频率的计算和分析

由于三偏心蝶阀在高温高压的苛刻工况下工作[13]，高温高压蒸汽绕过三偏心蝶板时，在三偏心蝶板的尾部左右两侧产生成对的、交替排列的、旋转方向相反的反向漩涡，此涡即为卡门涡，而在三偏心蝶阀结构设计过程中，为了有效的防止当高温高压蒸汽绕流三偏心蝶板后产生的卡门涡的脱落频率与蝶板的固有频率较接近时共振现象的发生，需要得到此卡门涡的脱落频率，在这里，根据卡门涡脱落频率的经验计算公式[14]计算出其脱落频率Fk，具体方法如下。

对于50 mm厚的蝶板，根据经验公式[1]可以计算出其卡门涡的脱落频率Fk为

(1)

式中:Fk为卡门涡的脱落频率(Hz);St为斯特罗哈数;v为流经蝶板的水流流速(m/s);T为出水边厚度(m)。

根据以上的经验公式，代入数据可以得出卡门涡的脱落频率为308 Hz，综上所述，蝶板和阀杆的固有频率接近于1 300 Hz，因此可以得出，当高温高压蒸汽绕流三偏心蝶板后产生的卡门涡不会和蝶板发生共振现象。

4 结果的对比分析

通过以上针对三偏心蝶板和卡门涡进行的数值模拟计算，试验测试和理论计算，对其结果进行探讨和分析，以此更深入的了解三偏心蝶板和阀杆的振动特性。

4.1 三偏心蝶板和阀杆数值模拟计算和试验测试的对比分析

对比图11和图12可知，两张图中曲线的最高点对应的频率分别为1 200 Hz和1 280 Hz。但是在峰值前后两张图的曲线走势差别比较大，出现这种现象的原因是多方面的，其中一个最重要的因素是对三偏心蝶板和阀杆施加激励力时施加点的位置不同;图11中的曲线是在理想的情况下，根据蝶板在蝶阀中实际的受力情况，进行简化处理，将激励力施加在蝶板的实际受力点(即三偏心蝶板的后边缘处)，由于软件的局限性，软件的程序中对蝶板振动的影响因素与现实相比就会减少很多，施加的激励力对于蝶板在轴向方向的振动就更加具有针对性，所以就会出现一个相对明显的峰值。图12是在有限的试验条件下对蝶板和阀杆进行的试验测试，其一由于试验条件和人工施力误差；其二由于锤击点的方向的偏差，锤击力会被分解成轴向和径向方向，或更多的方向，会引起更多振型的共振。以上两点原因导致图12曲线出现了更多的峰值。总体来讲，对于本文需要的蝶板和阀杆固有频率的结果影响不大。

4.2 卡门涡的脱落对蝶板振动的影响

由第3节可知蝶板和阀杆的固有频率基本是卡门涡脱落频率的4倍，因此两者不会发生共振。但是三偏心蝶板工作时，卡门涡会持续的脱落，卡门涡产生回旋时会对蝶板形成撞击，同时在蝶板后边缘处出现前后压差，这种压力差会使蝶板在阀体轴向方向产生挤压，这种对蝶板长时间的撞击和挤压会使蝶板在关闭状态时密封性变差，以此对三偏心蝶板的改进提供依据和参考。

5 结 论

本文研究对象三偏心蝶阀是用于高温高压蒸汽的流道中，运用ANSYS数值模拟和试验的方法，得出三偏心蝶板和阀杆的固有频率，再根据卡门涡脱落频率的经验计算公式计算卡门涡脱落频率的大小，通过对比两者之间的大小，从而得出以下结论：

(1) 由ANSYS数值模拟计算所得的三偏心蝶板和阀杆的固有频率处于其一阶和二阶振动模态之间，且随着振动模态阶数的增大，三偏心蝶板的振动形式越复杂。

(2) 当高温高压蒸汽绕流三偏心蝶板的过程中，由于卡门涡的脱落频率与三偏心蝶板和阀杆的固有频率相差较大，因此在此过程中，两者不会发生共振现象。

(3) 在三偏心蝶板和阀杆谐响应分析中，三偏心蝶板和阀杆在不同大小激励力的作用下，分别在轴向方向上和径向方向均发生不同程度的变形，但其在轴向方向上的弯曲变形在蝶板和阀杆振动中占主导地位。

(4) 实验方法测得得三偏心蝶板和阀杆的固有频率与ANSYS数值模拟所得的结果较接近，因此，在以后的研究过程中，可以采用ANSYS软件的数值模拟的方法作为参考。

(5) 由振型图可知，对三偏心蝶板和阀杆振动影响最大的就是三偏心蝶板和阀杆的弯曲变形，为此可以在三偏心蝶板和阀杆的两面加上两块加强筋，使三偏心蝶板的固有频率更加远离共振频率，依次来达到减振的目的，同时也避免共振对三偏心蝶板的结构和

蝶阀的密封性造成的不利影响。为三偏心蝶板进一步的动力学分析提供理论基础。

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