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)

摘 要:三偏心蝶阀广泛的应用于多种多样的工业，如水量分配#下水道#石油与天然气发电厂等等，而三偏心蝶阀中的蝶板和阀杆的振动在其结构设计和应用中起着重要的作用，且目前关于三偏心蝶阀中蝶板和阀杆的振动特性的研究较少$在蝶阀工作中，若蝶板的固有频率与流过蝶板后产生的卡门涡的脱落频率过于接近，则二者就会产生共振而毁坏三偏心蝶阀甚至影响整台机器正常运行$为了比较三偏心蝶板和阀杆的振动频率与流过蝶板产生的卡门涡的脱落频率的大小，运用了\;:Z:有限元分析方法结合实验验证的方式计算出三偏心蝶板和阀杆的固有频率，再根据计算卡门涡的脱落频率的经验公式得出流过蝶板后产生的卡门涡的脱落率，得出二者不发生共振的充分条件，此外，也论述了蝶板和阀杆的振动对蝶阀密封性的影响$

关键词:三偏心蝶阀;蝶板和阀杆;固有频率;卡门涡

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。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。

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.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.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4.2MPa，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，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。

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

图2 三偏心蝶板和阀杆的二维结构和三维计算模型

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μ=0. 27密度ρ=7. 85 x 103 kg/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。