連桿蝶閥流固耦合的應力場(chǎng)有限元分析

　　采用ANSYS Workbench 軟件分析了連桿蝶閥型腔內流動(dòng)受阻的實(shí)況及其過(guò)流件的受力情況。流場(chǎng)分析表明，蝶板隨著(zhù)開(kāi)度的增加流阻系數逐漸降低。流固耦合分析表明隨著(zhù)開(kāi)度的增加閥門(mén)所受應力減小，開(kāi)度為20°時(shí)有小幅增加，最大應力大多發(fā)生在支撐主軸的閥體上。

1、概述

　　連桿蝶閥( 三桿閥) 具有啟閉迅速，蝶板開(kāi)啟時(shí)密封面垂直開(kāi)啟，密封副之間沒(méi)有相對滑動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)〔1〕，特別適合于介質(zhì)中含有固體顆粒的工況，如熱風(fēng)爐的煙道閥等〔2〕。但蝶閥開(kāi)啟時(shí)傳動(dòng)桿件和蝶板都處于流道內部，流體流動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生局部阻力，且局部阻力的分布復雜。為了研究連桿蝶閥的流動(dòng)阻力，以及流動(dòng)時(shí)過(guò)流件的受力情況，本文采用有限元流體分析技術(shù)，應用Workbench 軟件研究了流動(dòng)過(guò)程中的流場(chǎng)及流阻情況，同時(shí)對過(guò)流件的應力進(jìn)行了流固耦合模擬，再現了閥門(mén)過(guò)流件的受力情況，為連桿蝶閥的設計提供了理論參考。

2、工作原理

　　連桿蝶閥由液壓缸、曲柄、主軸、主動(dòng)桿、蝶板、固定桿、連桿和閥體等零部件組成( 圖1) 。

1. 液壓缸2. 曲柄3. 主軸4. 主動(dòng)桿5. 蝶板6. 固定桿7. 連桿8. 閥體

圖1 連桿蝶閥三維實(shí)體模型

　　液壓缸與曲柄相連，曲柄與主軸相連，主動(dòng)桿一端通過(guò)固定銷(xiāo)與主軸相連，另一端連接到蝶板上，固定桿通過(guò)主軸同閥體實(shí)現固結。連桿一端與固定桿連接，另一端與蝶板連接。工作時(shí)，液壓缸帶動(dòng)曲柄，曲柄帶動(dòng)主軸轉動(dòng)，主軸帶動(dòng)主動(dòng)桿，主動(dòng)桿帶動(dòng)蝶板轉動(dòng)，其中連桿在蝶板轉動(dòng)過(guò)程中起到調節作用。蝶板在開(kāi)啟瞬間即蝶板與閥門(mén)之間的角度為0°時(shí)為平動(dòng)，平動(dòng)一段距離后蝶板開(kāi)始轉動(dòng)，軌跡變成弧線(xiàn)，直至蝶板全開(kāi)( 圖2) 。

圖2 蝶板運動(dòng)軌跡

3、流體控制方程

　　流體在管路中流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。一般的可壓縮流體守恒定律控制方程為

7、結語(yǔ)

　　應用Workbench 進(jìn)行流場(chǎng)分析，得到了不同開(kāi)度時(shí)的流阻系數。模擬結果表明流阻系數隨開(kāi)度的增大而減小，達到全開(kāi)狀態(tài)后由于結構變形會(huì )導致蝶板過(guò)開(kāi)，流阻系數有所增加。流固耦合分析結果表明，隨著(zhù)開(kāi)度的增加閥門(mén)所受應力減小，開(kāi)度為20°時(shí)有小幅增加。最大應力一般發(fā)生在支撐主軸的閥體上。只有開(kāi)度為70°、75°、80°時(shí)最大應力出現在主動(dòng)桿上。全開(kāi)狀態(tài)下的最大應力出現在連桿上。