大口径楔式闸阀密封副结构优化设计

摘要 论述了大口径楔式闸阀密封副的结构形式和工作特点，针对DN1200楔式电动闸阀密封副结构进行设计与分析，并依据实际需求合理的优化了尺寸，结果表明设计完全能够满足所需的实际强度要求。

01 概述

闸阀在工业领域应用上最为常见。闸阀的工作原理是闸板在动力源的带动下沿着与阀体通道垂直方向移动，在输送管线中用于切断介质，即全开或全关使用，具有可靠的密封性能。闸阀流体阻力小，介质从闸阀阀体通道内经过时的流阻近于0。闸阀的闸板在启闭时，其运动过程为上下方向，与截止阀相比，闸阀开关操作省力。闸阀属于双向阀，双向流通，阀体通道内介质的流动方向不受限制，介质可以从闸阀的2侧方向任意流过，不影响闸阀的正常启闭。所以闸阀适合安装在介质的流动方向可能改变的管路中。

02 工作原理

大口径楔式闸阀主要由阀体、阀盖、阀座、闸板、阀杆及电动装置等组成（图1）。电传动装置是阀门动力源。阀门开启时，电传动装置正向转动，通过阀杆与阀杆螺母传动副将闸板沿通道垂直向上运动，达到阀门开启预设的高度时，电传动装置停止驱动，阀门达到开启状态。阀门关闭时，电传动装置反向转动，通过阀杆与阀杆螺母传动副将闸板沿通道垂直向下运动，达到阀门关闭预设的高度时，电传动装置停止驱动，阀门达到关闭状态。

图１ 楔式闸阀结构

03 密封副结构设计

3.1 阀体结构

3.1.1 中腔尺寸

阀体为整体铸造而成（图2），其上法兰设计为圆形结构，阀体上端法兰内腔设有加强筋。由于阀体中腔承压变形易引起密封面变形过大而产生泄漏，因此在阀体中腔内壁的不同位置设置横向加强筋和纵向加强筋限制阀体变形。阀体中腔内壁上部布置2条横向和3条纵向加强筋。此结构受力均匀，不易发生变形。阀体下端设计为扁圆形，阀体与阀座为一体式结构设计。阀体材料选用WCB，阀座表面堆焊硬质合金，提高耐磨性与耐擦伤能力。阀体重要尺寸为阀体壁厚与阀座楔形角度的设计。

图２ 阀体结构

其中，取设计压力为1.0MPa，阀体中腔内径为1300mm，腐蚀余量C为5mm，阀体材料许用拉压力[σＬ]为82MPa，经计算得出壁厚为17mm，为保证设计冗余，取实际壁厚为25mm。

3.1.2 阀体阀座楔角

楔式闸阀阀座密封面与垂直通道中心线有一定的倾角，常用的楔关角有2°52′和5°两种。楔半角大小对闸阀的使用性能有重要影响。角度小时关闭闸阀时所需力小但此时管道由于温度的变化而引起变形时，楔形闸板在阀体内被楔住的可能性增大。故选用楔角为5°阀座密封面形式。

3.2 闸板结构

3.2.1 结构选用

闸板是另外一个关键的部件，在阀门开启和关闭过程中具有重要作用。在关闭状态时，闸板需要承受来流介质约1.0MPa的压强，而在介质流出时几乎不受力，因此闸板很容易发生形变。对于闸板的强度、刚度都有严格的要求，且要求其密封性能好，可靠性较高。

大口径楔式闸阀密封副大多选用楔式5°双闸板结构（图3）由2块闸板组合而成，用球面顶心铰接成楔形闸板，可以自由调整角度以达到与 2端阀座的良好吻合。闸板密封楔角可由中间铰接的顶心球面自动调节，因而对闸板密封面角度精度要求较低，当温度发生变化时不易被卡住，也不易产生擦伤现象。闸板密封面磨损后可以在顶心处加垫片补偿，便于维修，同时降低了在温度升高时闸板楔住的可能性，缺点是结构复杂且尺寸偏大，结构零件较多，结构松散，闸板易脱落，可靠性差，易发生阀杆根部退刀槽或销孔处断裂、上下档板锈蚀致闸板脱落或板架断裂等故障。不适用于黏性介质。

图３ 楔式双闸板

针对楔式双闸板的缺点，DN1200mm电动楔式的闸板设计采用楔式弹性闸板结构（图4），其垂直中分面上带有一个环形沟槽，环形沟槽具有一定的弹性。当阀门关闭时，利用闸板产生的微量变形，弥补因加工制造偏差而产生与阀座的配合间隙，使闸板2侧密封面与阀座达到完全吻合，同时形成密封比压，从而实现密封。当介质温度发生变化时不易被卡塞，关闭力矩不宜过大，防止超过闸板弹性变形范围。楔式弹性闸板结构简单，楔角加工精度相对较低。当介质温度变化时不易被卡住。此种结构比楔式双闸板结构紧凑，质量轻，从而减小了阀门整体外形结构尺寸与自重。

图４ 闸板结构

3.2.2 闸板尺寸

闸板采用与阀体相同的材料WCB ，整体铸造成形（图4）。计算闸板厚tB，得

其中，取设计压力为1.0MPa，闸板密封面平均半径R为560mm，安全系数K为1.24，腐蚀余量C为5mm，闸板材料许用弯曲应力[σｗ]为102MPa。经计算得出，闸板厚度为66mm，为保证设计冗余， 实际取70mm。

弹性闸板的弹性特征，主要取决于弹性比值m， 即

其中，取闸板厚度tB为70mm，闸板弹性变形过渡直径dB为1040mm，弹性槽底部直径d为600mm，经计算得出闸板弹性比值为3.14。弹性比值过小时，对闸板的弹性变形不利，从而影响密封面的吻合度，导致阀门密封性能变差。对于公称通径1200mm的闸阀弹性变形比值在现标准中未给出规定，参考公称通径1000mm的闸阀弹性取其变形比值m为3。

04 密封副结构的分析验证

为了验证大口径楔式闸阀密封副的结构设计和使用性能，运用有限元数值模拟计算方法分别计算阀体和闸板在试验载荷下的变形量。

4.1 建立几何模型和设定材料属性

基于以上对阀体和闸板密封副结构的计算结果，进行立体建模，并将建好后的立体模型导入分析软件中。阀体和闸板的材料都为WCB，根据表1中的参数设定有限元分析模型的材料属性。

4.2 阀体的有限元分析

4.2.1 格划分

格划分是有限元分析过程中重要的一部分，在有限元计算中只有 格的节点和单元参与计算。 格的疏密程度直接影响到计算结果的精度，但是 格加密会增加CPU计算时间和更大的存储空间。理想的情况下，用户需要的 格密度是其结果不随 格的加密而改变的密度，即当 格细化后，解没有明显改变。阀体采用四面体 格划分， 格划分模型如图5所示，共包含1 132 651个节点和753 671个单元，其中单元平均质量为0.815，正交品质为0.843，阀体所划分的 格质量良好。

图５ 阀体 格划分

4.2.2 约束与边界条件

模拟计算是在闸阀关闭状态下，向腔体内部加载密封试验压力为1.1MPa。

阀门密封面上密封力FM为

阀体施加约束和边界条件后，如图6所示。

图６ 阀体约束及边界条件

4.2.3 求解过程

在确定了阀体施加的边界条件后，对阀体的有限元模型进行求解，得出阀体变形云图如图7所示。

图７ 阀体变形云图

4.3 闸板的有限元分析

闸板有限元分析过程同阀体一样，其有限元模型如图8所示，共包含511 544个节点和3 480 919单元，其中单元平均质量为0.826，正交品质为0.852，对闸板所划分的 格质量良好。

图 8 闸板 格划分

在闸板内，无论在介质入口端还是出口端，闸板与阀体密封面之间均产生摩擦力。闸板与阀体导轨之间和闸板与阀体密封面之间的摩擦不能同时起作用，所以在计算时只考虑其中一种，这里采用后者计算结果。由于装在阀杆上零件的重力与作用在闸板上的密封力相比，其值较小，可忽略不计。确定闸板上施加的边界条件后，对闸板的有限元模型进行求解，其变形云图如图9所示

图９ 闸板变形云图

4.4 有限元分析结果的讨论

由阀体变形云图可以看出，阀体密封面的变形趋势为底部的变形量最小，沿着密封面向上，变形量逐渐变大，密封面上的最大变形量为0.363mm，最小变形量约为0.030mm，中部的变形量约为0.134mm。有限元的计算结果符合阀体的实际工况。当阀体密封面处的变形量大于0.001DN时，阀门就会因阀体变形量过大而引起泄漏。因为阀体密封面的最大变形量小于0.001DN，所以阀体结构设计合理。

通过观察闸板变形云图并结合阀体变形分析后发现，闸板密封面上的变形量相对于阀体密封面上的变形量要大。分析结果可以验证，通过利用楔形闸板的弹性槽产生的微量变形可以弥补由加工制造偏差所产生的与阀座配合的间隙，使闸板2侧密封面与阀座达到完全吻合状态。

05 结语

下期论文：减压型倒流防止器泄水阀的设计