大口径闸阀主密封的分析研究
李树勋,李连翠,侯英哲,周世豪  
(1.兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州 730050 2.机械工业泵及特殊阀门工程研究中心，甘肃 兰州730050)

摘要: 针对某大口径闸阀密封面顶部在密封试验时发生的泄漏问题，阐明了密封接触问题的理论依据，介绍了密封机理，建立了阀体与闸板一体化的三维非线性有限元模型，对闸阀及其优化模型的密封面进行了有限元分析模型接触应力分布情况及密封面的比压分布规律进行了研究、结果表明:数值模拟结果与密封试验结果基木一致有限元分析的适用性;合理改善阀体与闸板加强筋的布置，阀门的密封性得到了有效改善，为闸阀加强筋的设计手供了一定的参考依据。

关键词: 大口径闸阀;接触应力;加强筋;数值模拟

大口径闸阀广泛用于供水和工业管道上，其外型尺寸较大，密封面易磨损，纵横交错的加强筋对闸阀的刚度和密封性能的影响较大。目前国内外对于闸阀加强筋如何具体布置缺少相关的理论研究和规范指导。国内某阀门公司DN1000,PN10的闸阀根据GB/T 13927-2008《工业阀门压力试验》的相规定进行密封试验时，出口端密封面发生泄漏，针对此泄漏J清况，文中应用ANSYS中的接触单元，对密封面进行了非线性有限元分析，并提出合理的优化方案，为大口径闸阀加强筋的设计和优化提供理论依据，缩短了开发周期。

1 接触非线性问题的求解分析

接触问题的复杂性是由边界条件的高度非线性所引起的，文中采用接触单元的增广拉格朗日法进行分析[l]。结合接触力平衡条件与位移连续性条件，被动体A、主动体B两物体的接触可归纳为3种情况。

(1) 开式接触:两物体是分离的，此时接触约束释放;

(2) 粘式接触:两物体接触且无相对滑移;

(3) 滑移接触:两接触体相接触，且沿接触面的切面有相对滑移。

增广拉格朗日乘子法是改变了罚因子后，寻找拉格朗日乘子的迭代过程，其中，构造修正的势能泛函是很直接的一种方法。

式中:

Ⅱ*—修正的泛函势能;

Ⅱ-泛函势能;

Ⅱ_c—接触势能。

Ⅱ_p—惩罚势能;

随接触状态的变化，式(1)取变分及驻值，得相应的控制方程为:

式中:K—刚度矩阵;

U—位移场;

F—响应的载荷向量;

λ—拉格朗口乘子;

g₀—转静件间初始瞬态间隙值。

根据拉格朗日乘子的物理意义，可用接触点对的接触应力来代替它，经过迭代得到正确解。当进行迭代计算时，收敛速度会相应提高。

2 闸阀的有限元分析

2.1 闸阀结构及网格划分

将闸阀的三维模型导入到ANSYS中(图1)，采用自适应网格划分技术对模型进行网格划分，且对密封面接触区的网格作进一步细分，如图2所示，共得到393901个节点，225705个单元。设置边界条件，然后进行运算。

2.2 分析结果

闸阀密封面及密封面顶部接触应力分布如图3,图4所示。闸阀密封面顶部有部分区域的接触应力小于必需比压(3.33 MPa)，不能形成沿密封面连续分布的密封比压环带，密封面的密封比压环带断开处可能发生泄漏。

图3 闸阀接触应力分布云图

图4 闸阀顶部接触应力分布云图