基于均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)的硬密封球閥密封面間隙優(yōu)化

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(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州理工大學(xué) 溫州泵閥工程研究院，浙江 溫州 325105)

引言

近年來金屬密封耐磨球閥是發(fā)展最快的閥門之一[1]。由于工作條件和工藝介質(zhì)的特殊條件，這種閥門最常見的失效形式為密封失效[2]。目前，各大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)對閥門密封進(jìn)行了大量研究，球閥軟密封的有限元分析已經(jīng)趨于成熟[3-5]，而對硬密封球閥的密封性能分析報(bào)道很少[6-8]，特別是硬密封球閥主密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有限元分析方法很少有報(bào)道。

鑒于此，本研究的研究對象為典型的硬密封球閥入口端密封結(jié)構(gòu)，建立了主密封結(jié)構(gòu)的有限元模型。研究硬密封球閥密封面間隙值與各種參數(shù)之間的關(guān)系，揭示密封結(jié)構(gòu)的密封寬度、壓力角、密封圈平均直徑與套筒外徑的比值(DMP/DJH)等因素對密封的影響，獲得密封和開合扭矩的平衡參數(shù)，完善硬密封球閥的設(shè)計(jì)理論和方法。

1 硬密封球閥主密封結(jié)構(gòu)

球閥的主要密封結(jié)構(gòu)由閥球和閥座密封面組成。密封對主要由2個平坦且光滑的密封表面擠壓，以防止介質(zhì)通過，從而實(shí)現(xiàn)密封。本研究選用球形直徑為318 mm的硬密封固定球球閥作為研究對象。該閥的密封副二維結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 主密封結(jié)構(gòu)二維模型

當(dāng)球閥完全關(guān)閉時，在入口處，球體受到來自流體介質(zhì)的靜壓和閥座的密封壓力，其中閥座受到彈簧力和流體的靜壓力。在這兩個力的作用下，閥座壓在球體上，在球體和閥座之間的接觸面上形成密封特定的壓力，簡化的計(jì)算模型如圖2所示。閥座與球體接觸面上的摩擦因數(shù)為0.2。

圖2 簡化計(jì)算模型

2 數(shù)值模擬設(shè)置

2.1 材料屬性

球體材料和閥座材料相同，都為不銹鋼材料。需要說明的是，模擬計(jì)算忽略了球體表面和閥座表面噴涂材料的影響。由于表面噴涂材料的物性與基體材料的物性不同，所以對球閥整體的變形量和密封效果會產(chǎn)生影響。

2.2 載荷與約束

根據(jù)具體的受力情況，介質(zhì)靜壓力載荷為5.7 MPa，分布在球體表面、閥座內(nèi)表面以及閥座尾部。同時，閥座尾部還受到8 kN的彈簧力。對球體上下閥桿接觸面施加固定約束。圓柱形約束被施加到閥座的外表面以限制閥座在徑向方向上的變形，并且僅允許閥座在切向和軸向方向上的位移和變形。

本研究主要對圖1中部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)為：壓力角、密封寬度以及DMP/DJH，分別表示為α，h2，k。其中DMP為密封面平均直徑(DMN+DMW)/2，DJH為套筒外徑；原模型參數(shù)尺寸:α=43.07，h2=5.6 mm，k=0.94。

3 密封面間隙優(yōu)化

3.1 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究以減小硬密封球閥密封面間隙值為優(yōu)化目標(biāo)，參數(shù)優(yōu)化范圍選為40.5°≤α≤45°，5.2≤h2≤7.0 mm，0.86≤k≤0.95，將3參數(shù)均勻劃分成10水平，選擇等級均勻設(shè)計(jì)表U10(103)，因子水平表如表1所示。X1～X3分別代表壓力角、密封寬度、DMP/DJH。

表1 因素水平表

表2為均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，通過改變閥座密封面外徑與內(nèi)徑的大小來調(diào)整壓力角、密封面寬度及DMP/DJH的比值，建立并模擬不同密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的模型。

表2 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

圖3為原結(jié)構(gòu)參數(shù)時仿真密封面間隙值云圖，均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案下仿真密封面間隙值云圖如圖4所示。因N2和N8結(jié)構(gòu)不合理，故忽略。

圖3 原結(jié)構(gòu)參數(shù)時密封面間隙值云圖

圖3中，原模型參數(shù)下硬密封球閥密封面間隙最大值為0.012306 mm。

根據(jù)圖4所示的均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案下仿真密封面間隙值云圖，得到多變量下各試驗(yàn)方案硬密封球閥密封面間隙最大值。

圖4 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案下仿真密封面間隙值云圖

3.2 回歸分析

針對每組方案中不同的參數(shù)取值，完成仿真分析，可以得到每組試驗(yàn)中密封面間隙最大值，結(jié)果如表3所示。

表3 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果

逐次回歸分析二次多項(xiàng)式，間隙值Y和因子之間的二次多項(xiàng)式回歸方程如式(1)

Y=-0.01285430626-0.006266838074X1+

0.018522798969X1X3

(1)

二次多項(xiàng)式逐步回歸分析的相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果如表4、表5所示。

表4 間隙值回歸方程的偏相關(guān)系數(shù)與T，P值

相關(guān)系數(shù)R=0.9999,調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Ra=0.9994,總體顯著性檢驗(yàn)值F=985.6356,顯著水平P值為0.0244<0.05,殘差標(biāo)準(zhǔn)差為S=0.0001，Durbin-Watson統(tǒng)計(jì)量d=1.87451577，Durbin-Watson 統(tǒng)計(jì)量等于2是正態(tài)分布。值越接近2，殘差越正態(tài)分布,模型是合適的,否則模型不合適。從這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)可以看出,該回歸方程可以很好地?cái)M合硬密封球閥的間隙值與壓力角、密封寬度和DMP/DJH之間的關(guān)系,并且可靠性高。

表5 間隙值回歸方程擬合值及擬合誤差

二次多項(xiàng)式回歸分析最低指標(biāo)時各個因素組合如表6所示。

表6 最低指標(biāo)時各個因素組合

Y/mm壓力角/(°)密封寬/mmDMP/DJH0.007700446.30.86

4 結(jié)論

以壓力角、密封寬度、DMP/DJH為變量，將降低硬密封球閥密封面間隙值作為優(yōu)化目標(biāo)，通過3因素10水平均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以及二次多項(xiàng)式逐步回歸分析得到各因子對硬密封球閥密封面間隙值的影響順序?yàn)椋簤毫?密封寬度>DMP/DJH。最終獲得當(dāng)壓力角為44°、密封寬度為6.3 mm、密封面平均直徑與進(jìn)口閥座套筒外徑比值為0.86時，硬密封球閥密封面間隙值最大值為0.007700 mm，優(yōu)化效果明顯。