重介質管路平板閘閥的結構優化分析

魏云平

(唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063020)

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重介質管路平板閘閥的結構優化分析

魏云平

(唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063020)

摘要：為提高重介質管路平板閘閥的使用壽命，針對重介質管路的特點，改進了平板閘閥的結構，并利用ANSYS有限元分析軟件，建立了閥體和閘板的流體動力學分析和結構應力分析三維模型，數值模擬分析它們的受力狀況及邊界條件，并對結構改進前后的受力進行了對比分析，驗證了設計的可靠性。

關鍵詞：重介質管路；平板閘閥；結構改進；流體動力學；結構應力

平板閘閥廣泛應用于煤炭、冶金等行業中。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重，使得重介質管路平板閘閥的使用壽命縮短，同時也大大影響了系統運行的穩定性。為此學者們對此類閥門的研究越來越重視。筆者對閘閥的結構進行了改進，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力學分析和結構應力分析三維模型，對結構改進前后的閘閥進行數值分析。

1平板閘閥的結構改進

目前銷售的重介質管路中的陶瓷閥門多是以粘貼或鑲嵌陶瓷片為主。因重介質管路存在著硬度較高的礦物質，與零件表面接觸后會產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——閥體和閘板進行了結構改進：閥體的過流部位改成了方形結構，為解決粉料堆積問題，由雙向閥改成單向閥，設計了大口進、小口出的結構，改進后的閥體結構如圖1所示；閘板的下部采用了直線形結構，既可克服舊式閘板下沿圓弧尖處磨損嚴重的缺陷，又可提高自動控制的線性關系，改進后的閘板結構如圖2所示；為提高整個閘閥的耐磨性，把閥體和閘板的易磨損處設計成了鑲嵌陶瓷環的結構[1]。

圖1　改進后的閥體結構

圖2　改進后的閘板結構

2閘閥結構改進前后的有限元分析

根據平板閘閥的三種工況作分析：一是在閘閥閉合時作靜態分析，可驗證強度設計是否符合要求；二是在閘閥工作狀態，即開度為50%時，作流體動力和結構應力分析；三是在閘板開啟和關閉瞬間，閘閥所受壓力和沖擊載荷力最大時，作瞬態動力學分析，此時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分析[1]。為驗證結構改進后的優化性能，本文針對第二種工況對閥體進行對比分析，針對第三種工況對閘板進行對比分析。

2.1模型建立及網格劃分

利用Pro/e進行三維造型，通過數據接口導入ANSYS。選用FLUID142三維流體單元模型。對閥體、閘板和陶瓷環分別進行造型后導入，進行布爾運算，實體相加后采用映射網格劃分單元格，閥體應力分析采用Solid186單元，閘板應力分析采用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壓力為0.9 MPa。分析計算介質的流速對閥體的壓力為梯形，最大值為0.42 Pa，遠遠小于閥門的試驗壓力，故忽略不計。

2.3輸入材料參數并求解

閘板選用的材料為2Cr13，閥體材料為ZG40Cr，輸入各自參數求解，得到結構改進前后的應力云圖，如圖3-16，數值比較見表1，表2。

圖3　改進前閥體X方向應力分布圖

圖4　改進后閥體X方向應力分布圖

圖5　改進前閥體Y方向應力分布圖

圖6　改進后閥體Y方向應力分布圖

圖7　改進前閥體Z方向應力分布圖

圖8　改進后閥體Z方向應力分布圖

圖9　改進前動力學分析受力分布圖

圖10　閘閥瞬態動力學分析受力分布圖

圖11　改進前閘板X方向受力分布圖

圖12　改進后閘板X方向受力分布圖

圖13　改進前閘板Y方向受力分布圖

圖14　改進后閘板Y方向受力分布圖

圖15　改進前閘板Z方向受力分布圖

圖16　改進后閘板Z方向受力分布圖

MPa

3結論

由應力分布云圖可以看出，閘板的最大拉應力和最小壓應力均出現在其下邊緣部分；閥體的最大拉應力和最小壓應力均處于其下側內壁表面上。

由表1，表2可看出，結構改進后，閥體和閘板的最大拉應力和最小壓應力的數值均有所減小。根據強度理論，可得改進后閘板的等效應力為σeq=48.57 MPa，閥體的等效應力為σeq=19.41 MPa。查閥門設計手冊，取安全系數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，閘閥所受的應力遠遠小于材料的許用應力，由此提高了重介管路中平板閘閥的使用壽命。

參考文獻：

[1]魏云平，肖春英，孫希躍.重介質管路中平板閘閥結構改進[J].唐山學院學報，2006(3)：106-108.

[2]何家勝，胡潔文，魏衛，等.天然氣平板閘閥的有限元應力分析及結構改進[J].武漢工程大學學報，2013，35(10)：57-62.

[3]楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

(責任編校：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，主要從事機械設計與制造研究。

中圖分類號：TH134；TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0009-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.003