上接：三偏心蝶阀振动特性分析（一）

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，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。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

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1280 Hz，2200 Hz，2800 Hz，3500Hz。从表2中的得出，小于2093 Hz是对蝶板和阀杆的频率研究的主要范围。大于2093 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0~2093 Hz范围内，当锤击力频率

在1280 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1280 Hz，此值接近于上述运用ANSYS模拟计算的方法所得出的频率1300 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，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计算出其脱落频率Fk，具体方法如下。

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

式中:F_k为卡门涡的脱落频率(Hz) ; St为斯特罗哈数μ :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1300 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1200 Hz和1280 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'险，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。