油煤漿調節閥閥桿扭矩成因分析及結構優化

朱學軍,楊方元,田小青,李虎生

(1.寧夏大學機械工程學院,寧夏 銀川 750021; 2.吳中儀表有限責任公司,寧夏 吳中 751100)

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油煤漿調節閥閥桿扭矩成因分析及結構優化

朱學軍1,楊方元1,田小青1,李虎生2

(1.寧夏大學機械工程學院,寧夏 銀川 750021; 2.吳中儀表有限責任公司,寧夏 吳中 751100)

用Solidworks建立油煤漿調節閥的三維實體模型,通過對閥桿機構的扭矩作用分析,應用CFX流體分析軟件對流道內介質在不同壓力下的流動進行仿真,研究調節閥扭矩產生的原因.以減小扭矩為優化目標,對調節閥閥芯及填料結構進行優化改進,為調節閥的優化設計提供參考方案.

調節閥; CFX; 扭矩; 結構優化

能源是社會和經濟發展的重要物質基礎,煤炭是我國的主要能源,在未來的相當長的時間內,我國能源以煤炭為主的格局是不會改變的.因此,立足于我國能源資源的特點,開發“煤代油”技術,對于我國的經濟建設和能源安全具有戰略意義[1-2].油煤漿就是一種以成本較低的煤來部分代替石油的新型節油燃料,可用于燃油鍋爐和氣化爐燃料的替代產品.油煤漿是由煤粉、油和少量添加劑制成的混合物,具有石油類似的流動性,可以像石油那樣運輸、泵送、霧化、燃燒,而且節約了石油的用量.因此是一項具有可行性的新型燃料油.

隨著有煤漿的廣泛運用,調節閥在油煤漿的制備和運輸中起著至關重要的作用.油煤漿調節閥對流量的控制是通過改變節流的方式來達到,為了使高壓的油煤漿在輸送中降為低壓狀態,需要對調節閥的節流大小進行控制.實現這一過程是需要通過控制閥桿扭矩大小來調節閥門開口大小來完成的.隨著壓差的不同變化,扭矩大小也應隨之改變,以確保整個閥門系統的穩定性和出口油煤漿壓力的恒定不變.如何通過減小調節閥的扭矩,來降低執行機構的能耗,方便調節閥的操作，是本文想要解決的問題.

1 調節閥及流道模型的建立

文中采用的是一種ARC高壓油煤漿調節閥,其閥門公稱直徑為DN80,ANSI2500,介質為油煤漿.流量特性為近似等百分比,Cv=17%(Cv為流量系數),行程90°,采用RB254-DA氣缸活塞執行機構.ARC調節閥的結構特點是,采用角行程方式,由調節閥的氣動執行機構提供扭矩,通過閥桿帶動閥芯在0°～90°范圍內旋轉來調節閥門流量的大小.

1.1 調節閥建模

采用Solidworks軟件進行調節閥三維建模,先對零部件進行建模,為了減少閥門出口的壓力和流速,在閥座的下方添加了導流座和兩組節流件.為了使模型與實際保持一致,建模過程中的所有數據與設計圖紙保持一致.對建好的三維零件模型,在Solidworks組裝界面進行組裝.在組裝過程中應注意,零件之間的裝配位置和配合關系,確保組裝后的裝配體與實際的閥門一致.裝配好的閥門總裝圖如圖1所示.

圖1 調節閥總裝剖視圖

1.2 流道建模及網格劃分

調節閥扭矩與流道內介質壓力有關,需要對調節閥的流道單獨進行建模.通過前面建好的調節閥三維模型,在Solidworks中采用組合、連接重組等命令將ARC調節閥流道的三維模型分離出來.針對閥芯不同開度分別建模,采用CFD的前處理模塊ICEM CFD對流道模型進行網格劃分,不同開度的網格劃分方法相同.調節閥90°開度時的流道圖及網格劃分圖如圖2,3所示.

圖2 90°開度流道三維模型圖

圖3 90°開度流道網格劃分圖

2 調節閥扭矩分析

ARC調節閥閥桿扭矩由兩個方面產生:機構內零部件的摩擦和介質壓力的作用.

2.1 機構的扭矩作用分析

通過對ARC調節閥機構的分析可以發現ARC調節閥中主要產生扭矩部件在閥門的兩個部分.其中一個是閥芯與閥座之間的摩擦力產生的扭矩,閥芯與閥座的結構圖與平面圖如圖4所示.

圖4 閥芯與閥座的結構圖

閥芯與閥座之間的扭矩MF為

(1)

式中:F為彈簧預緊力;S1為介質與閥芯之間的作用面積;S為閥芯與閥座之間的接觸面積;P為介質的內部壓力;μ為閥芯與閥座之間的摩擦力(合金鋼之間的摩擦系數取值為0.15)；r1為閥芯底部圓弧缺口處內部小圓直徑；r2為閥芯底部輪廊的大圓直徑；t為直徑r的積分變量.

另一個是閥桿與填料之間產生的摩擦扭矩,閥桿與填料的結構平面圖如圖5所示.

圖5 閥桿與填料的結構平面圖

閥桿與填料之間的扭矩MT為[3]

(2)

式中:QT為閥桿與填料之間摩擦力；dF為填料作用在閥桿上的直徑.

(3)

式中：μT為填料與閥桿的摩擦系數(石墨的摩擦系數取值為0.15)；hT為填料的總高度;P為介質作用車閥芯上的壓力.

故閥門中閥桿扭矩M為

(4)

由于閥門內部還有部分較小的扭矩沒有考慮到,還有在實際工況中的各種不可預測的因素影響.因此在選擇執行機構的大小時,其輸出的扭矩應該是計算扭矩的1.5倍左右,這樣才能保證調節閥的正常運作.所以減小調節閥的扭矩可以從MF，MT兩個方面進行考慮.

2.2 調節閥介質壓力作用分析

采用CFX流體分析軟件對不同壓力、不同開度時的流道內介質壓力特性進行數值模擬仿真,研究內部流場的分布情況[4-6].試驗介質為油煤漿:固體煤含量為57%,油煤含量53%,工作密度為1 090 kg·m-3,動力黏度v=587 mPa·S,溫度25℃.

2.2.1 40 MPa壓差下全開時流場模擬仿真分析

對在40 MPa壓差下90°開度時的調節閥進行數值模擬仿真,得到調節閥流道中心面處的壓力云圖，如圖6所示.

從圖6可以看出,壓力壓降階梯形表現比較明顯,進出口壓差較大,分別為40.86 MPa和0.79 MPa,流道的壓降主要用于克服調節閥節流元件的阻力.

2.2.2 不同壓差下不同開度時流場模擬的仿真結果分析

試驗設定壓差5，23.35，40 MPa3種情況,在0°～90°之間分6組等間距開度進行流道數值模擬仿真,仿真過程與40 MPa壓差全開度時的過程相同,對仿真結果的數據統計如表1所示.

圖6 90°開度壓力圖

表1 調節閥仿真結果數據統計

從表1中的數據可以看出,油煤漿調節閥在同一壓差時,隨著開度的增大,流道中的最大壓力和閥門扭矩速都是呈現先增加后減小的趨勢.在調節閥中間開度45°時壓力和扭矩都達到最大值.而對于同一開度不同壓差時,流道中的最大壓力和閥門扭矩都隨這壓差的增大而增大.所以在考慮到延長調節閥的使用壽命時,可以在滿足流量的要求時盡量避開中間開度和高壓差下使用調節閥.

3 調節閥的優化改進及比較

根據上面分析出來的扭矩產生的原因,對調節閥的機構進行優化改進[7-10],降低閥門的扭矩并減少執行機構的能耗,具體優化方案如下.

3.1 優化方案一

通過閥芯扭矩公式發現扭矩產與介質作用在閥芯上的接觸面積有關.可以通過在增加閥芯桿部的直徑,來減小介質與閥芯之間的接觸面積.為了防止閥芯桿部直徑過大阻礙介質的流通,優化后閥芯直徑取56 mm.優化前后的閥芯結構如圖7，8所示.

圖7 原閥芯結構圖

圖8 優化后閥芯結構圖

通過計算,得到優化后的閥芯扭矩和原扭矩的數值對比，如表2所示.

表2 閥芯扭矩計算結果

根據表2的數據,發現優化后的閥芯扭矩與原閥芯扭矩相比,在介質壓力為23.8 MPa情況下扭矩都減小了7.87%,明顯降低了閥芯扭矩的大小.

3.2 優化方案二

圖9 原填料結構圖

圖10 優化后原填料結構圖

通過計算,得到優化后的閥桿與填料的摩擦扭矩和原扭矩的數值對比，如表3所示.

表3 閥桿與填料的摩擦扭矩計算結果

根據表3的數據,發現優化后的閥芯扭矩與原閥芯扭矩相比,在介質壓力為23.8 MPa的情況下扭矩都減小了25.32%，減小很多,因此這種優化方案比較理想.

3.3 優化方案三

在保證調節閥進、出口壓力不變的情況下,可以通過何降低閥芯出的介質壓力的方法來減小調節閥的扭矩.通過將閥座流道口進行向上切除拔模2°來實現,優化前后閥座的三維圖如圖11，12所示.

圖11 原閥座三維圖

對優化后的調節閥按照前面的處理方法進行數值模擬仿真,為了減少計算，本次優化只針對實際工況壓差23.35 MPa下15°，45°,90°3個有代表性的開度進行仿真,然后計算優化后的調節閥扭矩大小,數據統計結果如表4所示.

圖12 修改后閥座三維圖

開度/(°)原閥芯扭矩/(N·m)優化后的閥芯扭矩/(N·m)變化率/%15313.52312.87-0.2145332.17326.92-1.5890316.20313.51-0.85

從表4可以看出,優化后的調節閥扭矩(在3個開度下)比原來的扭矩都有所降低,雖然降低的不是很多,但這種閥座流道口的優化方案為調節閥降低閥門扭矩提供了一種可行的參考方案.

4 結論

本文以減小扭矩為優化目標,通過研究調節閥扭矩產生的原因,對調節閥閥芯及填料結構進行了優化改進,實現了優化目的,并且該優化方法對其他類閥門的優化也具有一定的參考價值.

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Torque causation analysis and structural optimization on oil-coal slurry valve stem

ZHU Xue-jun,YANG Fang-yuan,TIAN Xiao-qing,LI Hu-sheng

(1.College of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Wuzhong Instrument Co.，Ltd.，Wuzhong 751100，China)

Based on the 3D solid modeling via SolidWorksTM for oil-coal slurry valve, the torque effect on valve-stem mechanism is first analyzed.Then, the causation analysis is postulated using CFX method for flow simulation on internal media under different pressures.To reduce the torque, the regulator valve core and packing structure are improved to provide a reference to valve optimal design.

control valve; CFX; torque; structural optimization

朱學軍(1970-),男，教授.E-mail:zxjxu@sohu.com

V 214.1

A

1672-5581(2016)03-0239-05