【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种三偏心蝶阀，尤其涉及一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构及其优化设计方法。
技术介绍
1、三偏心硬密封蝶阀为偏心金属密封结构，密封形式包括金属对金属密封、可调换金属密封圈对金属密封、不锈钢板与石墨复合板密封圈对金属密封等。三偏心硬密封蝶阀的驱动形式包括电动、手动、蜗轮杆传动、气动等。三偏心硬密封蝶阀的蝶板安装于阀体中管路的直径方向。在蝶阀阀体圆柱形通道内，圆盘形蝶板绕着轴线旋转，旋转角度为0°～90°之间，旋转到0°时，阀门呈全闭状态；旋转到90°时，阀门呈全开状态。
2、三偏心硬密封蝶阀具有耐磨、耐高温、耐腐蚀等特点，正在逐渐取代切断阀和调节阀，广泛应用于新建的核电站、煤化工设备和空分分离装置等设备中。目前，全球三分之一的阀门故障均是由于密封故障造成的，三偏心蝶阀的密封失效问题一直是亟待解决的技术难题。
3、在流固耦合的作用下，阀内件会产生较大的应力和变形，对三偏心蝶阀的密封性能产生重要影响。阀内件的结构形状和尺寸参数影响其应力分布，所以，研发一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，以及提出一种以结构强度和密封性能为目标，同时改善阀内件结构尺寸参数和材料分布的多目标优化方法十分必要。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构及其优化设计方法，对阀内件的尺寸参数和材料分布进行优化，从而改善了三偏心蝶阀的结构安全性和密封性能。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
3、一种三偏心蝶阀的金属硬
4、进一步的，所述金属密封环与阀板之间设石墨垫圈，石墨垫圈设于环形凹槽内开设的安装槽中。
5、进一步的，所述阀板压盖与阀体之间通过沿周向均布的多个螺钉连接。
6、进一步的，从靠近阀轴一端看，所述圆锥面的竖直截面沿逆时针方向具有2个特征点，即位于0°坐标处的大斜面特征点，位于180°坐标处的小斜面特征点；对应的，0°坐标点±45°以内的圆锥面为大斜面，180°坐标点±45°以内的圆锥面为小斜面；连接大斜面与小斜面的上部圆锥面为上过渡面，连接大斜面与小斜面的下部圆锥面为下过渡面；阀轴平行于90°坐标点～270°坐标点连接方向设置；从阀板上方看，阀板的开启方向为顺时针方向。
7、进一步的，所述阀板的非对称结构，是指阀板以阀轴为界面积较大一侧具有材料从阀轴均匀过渡至阀板边缘的大斜坡结构，以及阀板以阀轴为界面积较小一侧具有的“小斜坡+平面”结构；同时对应3个阀板结构参数，即大斜坡的高度a、小斜坡的高度b，以及小斜坡最低点至阀轴中心线的距离c。
8、进一步的，所述阀板与阀轴之间通过沿阀轴轴向设置的多个圆柱销固定连接，阀轴与阀体之间设密封填料。
9、一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构的优化设计方法，包括如下步骤：
10、步骤一，阀板的3d拓扑优化；
11、1)建立三偏心蝶阀的初始有限元模型，划分六面体和四面体混合网格，对密封面附近网格进行加密处理；通过有限元网格独立性实验，确定划分网格的数量；
12、2)以阀板最大等效应力不超过其材料的许用等效应力作为约束条件；设置阀板的优化区域和非优化区域；设定包括三偏心蝶阀的两端法兰端面固定、允许阀轴旋转在内的边界条件，设定以正向流体压强为负载；
13、3)对阀板的等效应力进行有限元仿真计算，以阀板的轻量化作为优化目标，对阀板进行拓扑优化，经过多次迭代，确定最合理的阀板材料分布方案；
14、步骤二，对经3d拓扑优化后的阀板进行平滑化处理，对影响阀板强度的参数进行简化，对阀板材料分布后确定的3个形状尺寸特征参数作为变量，参与下一阶段响应面优化；
15、步骤三，以三偏心蝶阀阀内件的等效应力分布及密封面上的密封比压，作为评价密封结构安全性和密封性能的指标；利用响应面法的中心组合设计方法，以最大等效应力和密封面最大密封比压为响应值，得到包括阀板结构参数、阀轴直径、阀座厚度在内的最优参数匹配方案；
16、步骤四，利用有限元仿真分析法，对优化前模型及优化后模型的阀内件等效应力分布和密封面上的密封比压进行验证。
17、进一步的，所述步骤三具体包括如下过程：
18、1)设定拓扑优化后的3个形状尺寸特征参数a、b、c，阀轴直径d及密封面宽度e作为优化的设计参数变量；设定阀内件最大等效应力y和密封面上最大密封比压x作为多目标响应值；
19、2)开展单因素实验，初步确定设计参数变量的取值范围；
20、3)利用有限元仿真试验提供实验数据样本，利用design-expert软件进行实验设计和数据分析，利用响应面法的中心组合设计方法，采用最陡爬坡法在实验区域内选择新的中心点和方向来指导实验点的选择；
21、4)利用二阶设计模型在设定考察范围内精确逼近响应面的最优值，剔除对响应值影响不显著的交互项和二次项，得到最优参数匹配方案。
22、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
23、1)采用通过3d拓扑优化得到的非对称结构阀板，在实现轻量化设计的基础上合理分布阀板材料，避免阀轴位置因偏心形成的应力分布不均衡问题，防止产生应力集中现象；
24、2)本专利技术所述三偏心蝶阀采用金属密封环与阀座形成密封结构，开关阀门时无干涉，且金属密封环与阀座之间可瞬间分离或瞬间接触，从而减小密封面的磨损，提高密封可靠性，并且适应不同温度的流体介质环境；
25、3)本专利技术提供了一种多目标优化方法，同时对阀内件的材料分布和结构尺寸进行优化；优化后的轻质阀内件的最大等效应力显著下降，密封比压在合理的范围内，保证长期有效的密封性能；
26、4)本专利技术将3d拓扑优化和响应面法的中心组合设计相结合，利用有限元仿真实验提供实验数据样本，利用design-expert软件进行专业的实验设计和数据分析，寻优效率高，且精确逼近响应面的最优值；
27、5)通过对优化后三偏心蝶阀模型进行有限元仿真分析，证明优化后阀内件应力分布合理，金属密封环的最大等效应力降低62.86％，满足强度要求；最大密封比压下降60.52％，其值小于许用密封比压，且在密封面上形成连续的周向密封区域，具有良好的密封效果。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，包括阀体、阀座及阀板；阀座设于阀体内，阀板由阀轴带动转动；其特征在于，金属硬密封结构还包括金属密封环及阀板压盖；所述阀板在远离阀轴的外端面边缘开设环形凹槽，金属密封环设于环形凹槽中，金属密封环的外沿突出于阀板外沿，阀板的外侧设阀板压盖将金属密封环压紧固定；金属密封环与阀座间形成金属硬密封副，金属密封环与阀座之间的密封面为相配合的圆锥面；所述阀板为非对称结构；蝶阀处于完全关闭状态时，阀轴、金属密封环及阀板压盖沿阀体内液体流动方向依次设置，阀板中心线与阀轴中心线之间存在轴向偏心b，金属密封环轴向中间截面与阀轴旋转中心之间存在径向偏心a，圆锥面的圆锥角中心线与阀体中心线之间存在偏心角
2.根据权利要求1所述的一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，其特征在于，所述金属密封环与阀板之间设石墨垫圈，石墨垫圈设于环形凹槽内开设的安装槽中。
3.根据权利要求1所述的一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，其特征在于，所述阀板压盖与阀体之间通过沿周向均布的多个螺钉连接。
4.根据权利要求1所述的一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，其特征在于，从
5.根据权利要求1或4所述的一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，其特征在于，所述阀板的非对称结构，是指阀板以阀轴为界面积较大一侧具有材料从阀轴均匀过渡至阀板边缘的大斜坡结构，以及阀板以阀轴为界面积较小一侧具有的“小斜坡+平面”结构；同时对应3个阀板结构参数，即大斜坡的高度A、小斜坡的高度B，以及小斜坡最低点至阀轴中心线的距离C。
6.根据权利要求1所述的一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，其特征在于，所述阀板与阀轴之间通过沿阀轴轴向设置的多个圆柱销固定连接，阀轴与阀体之间设密封填料。
7.如权利要求1～6任意一项所述三偏心蝶阀的金属硬密封结构的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构的优化设计方法，其特征在于，所述步骤三具体包括如下过程：
...【技术特征摘要】
1.一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，包括阀体、阀座及阀板；阀座设于阀体内，阀板由阀轴带动转动；其特征在于，金属硬密封结构还包括金属密封环及阀板压盖；所述阀板在远离阀轴的外端面边缘开设环形凹槽，金属密封环设于环形凹槽中，金属密封环的外沿突出于阀板外沿，阀板的外侧设阀板压盖将金属密封环压紧固定；金属密封环与阀座间形成金属硬密封副，金属密封环与阀座之间的密封面为相配合的圆锥面；所述阀板为非对称结构；蝶阀处于完全关闭状态时，阀轴、金属密封环及阀板压盖沿阀体内液体流动方向依次设置，阀板中心线与阀轴中心线之间存在轴向偏心b，金属密封环轴向中间截面与阀轴旋转中心之间存在径向偏心a，圆锥面的圆锥角中心线与阀体中心线之间存在偏心角
2.根据权利要求1所述的一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，其特征在于，所述金属密封环与阀板之间设石墨垫圈，石墨垫圈设于环形凹槽内开设的安装槽中。
3.根据权利要求1所述的一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，其特征在于，所述阀板压盖与阀体之间通过沿周向均布的多个螺钉连接。
4.根据权利要求1所述的一种三偏心蝶阀的金属硬密封结构，其特征在于，从靠近阀轴一端看，所述圆锥面的竖直截面沿逆时针方向具有2个特征点，即位于0°...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐东涛，马赫利，王成龙，张浩，王阔鑫，张兴富，
申请(专利权)人：辽宁科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。