孔祥帅，王海民，刘 欢

(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)



三偏心蝶阀蝶板振动特性分析与实验研究

孔祥帅，王海民，刘 欢

(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)

为防止直径为400 mm的三偏心蝶阀蝶板与卡门涡街的脱落发生共振。利用实验测试、ANSYS数值模拟分析、和经验公式计算的3种方法进行验证。其中在实验测试中运用锤击法测得三偏心蝶板的固有频率为1 300 Hz。使用ANSYS数值模拟分析的方法对三偏心蝶板进行模态分析和谐响应分析得出其固有频率为1 280 Hz。最后利用计算卡门涡街脱落频率的经验公式得出卡门涡街的脱落频率为308 Hz。对比以上三偏心蝶板的固有频率约为1 300 Hz与卡门涡街脱落频率308 Hz，可知两种频率相差较大，因此三偏心蝶板与卡门涡街的脱落不会形成共振。

三偏心蝶阀；蝶板；固有频率；卡门涡

蝶阀是流体输送管路系统中重要的开关元件，由于其结构简单，流动阻力小，因而得到了广泛应用[1]。其中三偏心蝶阀在一些严苛工况下逐渐被得到应用[2]。由于三偏心蝶板的振动对阀门的密封性能影响较大[3]。这是设计者和用户应该关注的蝶板特性。但是，目前包括《实用阀门设计手册》在内的专业文献均没有提供有关此方面的涉及[4]。不利于工程设计和实际运用。

本文的研究对象是处在工作压力为4.2 MPa，工作温度为255 ℃工况下工作的三偏心蝶板。首先采用ANSYS数值模拟分析和实验测试分别对三偏心蝶板进行计算和测试，然后利用经验公式计算卡门涡街的脱落频率[5]，最后详细分析和总结三偏心蝶板的振动特性，为其实际应用和合理设计打下基础。

1 振动特性的数值模拟

1.1 建立三维模型

对三偏心蝶板进行ANSYS数值模拟分析。首先建立准确可靠的实体模型，这是应用有限元进行结构力学仿真的前提。其主要结构尺寸如图1 所示，选择三维建模软件UG来建立蝶板的三维模型如图2所示，材料为WC9高温碳钢。

图1 三偏心蝶板的二维结构尺寸图

1.2 构建网格

第一步模型导入，将三维模型导入ANSYS软件中；第二步，参数设置，蝶板的材料性能常数为：弹性模量E=2.06 GPa，泊松比v=0.27，密度ρ=7.85×103kg/m3；第三步，划分网格，三偏心蝶板的不规则形状，决定其需要自由网格进行划分[6]，在三偏心蝶板的拐角和凸缘处进行网格加密，全部采用实体的六面体Solid95单元划分网格如图2所示；第四步，模态分析，选取整个蝶板结构为计算模型，对蝶板进行模态分析。

图2 三维计算网格图

1.3 蝶阀蝶板的约束方式

由于蝶板在蝶阀工作时处于快速打开和快速关闭状态，在快速打开和快速关闭过程中，蝶板所受到的约束不同，因此会影响蝶板进行模态分析后求得的固有频率的结果[7]。在此选择蝶阀处于标准工作状态下，即蝶板处在完全打开的状态(蝶板与中心轴成180°状态)，运用ANSYS软件进行模态分析时对蝶板进行约束[8]，约束方式主要是限制蝶板的上下移动和以阀杆为中心轴的蝶板旋转这两个自由度，以此实现对蝶板的外在约束，从而得到蝶阀处在标准工作状态下蝶板的固有频率。

1.4 蝶阀蝶板的模态分析和谐响应分析

运用ANSYS软件对计算模型进行模态分析，得到的蝶板固有频率第1阶到第10阶的计算结果，其中第一阶、第三阶和第五阶的振型图如图3～图5所示。

表1 三偏心蝶板的固有频率特性

图3 蝶板结构第一阶振型

图4 蝶板结构第三阶振型

图5 蝶板结构第五阶振型

由图3～图5可知，蝶板不仅在轴向方向上发生了弯曲变形，也在径向方向上发生弯曲变形。由图3可以清晰地看到，此时蝶板仅在轴向方向上发生弯曲变形，由表1可知，其所对应的固有频率分布在1 000～1 550 Hz之间，而由图4可知，蝶板仅在径向方向上发生弯曲变形的固有频率分布在2 200～2 450 Hz之间，由图5可以看到，蝶板在轴向方向和径向方向均发生了弯曲变形，即扭曲变形[9]，此时的固有频率较大，结合蝶板以上发生的3种弯曲变形，可以发现蝶板仅在径向方向上弯曲变形所对应的固有频率大于其仅在轴向方向上弯曲变形所对应的固有频率，且振动形式随着模态阶数越高，蝶板的弯曲变形的形式也变得越复杂，固有频率也随之增大。为了确定哪种弯曲变形的形式在蝶板的振动中占主导地位，利用ANSYS数值模拟分析对蝶板进行谐响应分析。在进行谐响应分析时，需要对蝶板施加一个正弦变化的激励力[10]。根据以上模态分析得出的各阶固有频率的结果，将激励力频率设置在0～3 000 Hz，子步数设置为10，在不同频率的激励力下，蝶板前六阶所对应的固有频率中，比较在哪一阶固有频率下蝶板消耗的能量较大。 通过谐响应分析得出的结果如图6所示。

图6 三偏心蝶板谐响应分析曲线图

由图6可知，蝶板消耗的能量随激励力频率的增大在一定范围内增大，一定范围内减小，中间出现两次峰值，分别对应的激励力频率为750 Hz和1 300 Hz，且当施加激励力的频率约为1 300 Hz时，此时蝶板消耗的能量达到最大为375.8 kJ，结合上述模态分析可知，蝶板在此激励力频率下发生了轴向弯曲变形，此时所对应的蝶板振动模态处于第一阶和第二阶之间，因此得出蝶板轴向方向上的弯曲变形在其振动中占主导地位。

2 固有频率测试

在上述过程中，通过ANSYS软件对蝶板进行模态分析和谐响应分析，得出在三偏心蝶板各阶模态中占主导作用的固有频率的大小，由于此两种方式自身的局限性。因此，通过实验方法对以上结果进行验证，测试蝶板自身的固有频率。

2.1 测试对象

测试对象采用的三偏心蝶板的尺寸和材质与计算模型一致，蝶板的材质是WC9的高温碳钢。利用锤击法对蝶板进行实验模态分析，得出其固有频率，为了得到更加精确的实验结果，尽量避免其他外在因素对实验结果的干扰，所以对蝶板采用悬挂的方式进行放置如图7所示。

图7 根据约束方式悬挂蝶板

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。利用锤击法测试时，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。理论上选择蝶板面上的任意点锤击均不会影响测试效果[11]，但实际测试中，每次锤击测试，系统默认一定的测试时长，在该时间段内，力锤不可以再次锤击，否则会造成测试失败。由于蝶板处于悬挂状态，为了有效防止蝶板被锤击后产生转动或回弹，锤击点一般会选在靠蝶板的中间位置最为适宜[12]。

2.2 数据处理

将锤击实验的测试数据导入到Signalpad 软件进行数据处理，数据拟合后得到的固有频率的曲线如图8所示。

图8 蝶板固有频率曲线图

从图8中可以看出，当锤击力频率在1 280 Hz时，蝶板振动的振幅达到最大为0.029 mm，可知此时蝶板的固有频率与橡胶头力锤锤击的频率发生共振，从而蝶板消耗的能量达到最高，因此，蝶板的固有频率等于此时橡胶头力锤锤击力的振动频率，为1 280 Hz。此值接近于上述运用ANSYS数值模拟计算的方法所得出的频率1 300 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[13]，高温高压蒸汽流经三偏心蝶板时，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，此涡即为卡门涡街，而在三偏心蝶阀结构设计过程中，为了有效防止当高温高压蒸汽流经三偏心蝶板后产生的卡门涡街的脱落频率与蝶板的固有频率较接近时发生共振现象。因此需要求出卡门涡街的脱落频率，由于实验方法很难测出卡门涡街的脱落频率，所以根据卡门涡街脱落频率的经验公式[14]计算出其脱落频率Fk。

对于50 mm厚的蝶板，根据经验公式[14]可以计算出其卡门涡街的脱落频率Fk为

(1)

式(1)中，Fk为卡门涡街的脱落频率；St为斯特罗哈数；v为流经蝶板的水流流速；T为出水边厚度。

根据以上经验公式，代入数据可以得出卡门涡街脱落频率为308 Hz。综上所述，蝶板的固有频率接近1 300 Hz，因此可知，当高温高压蒸汽流经三偏心蝶板后产生的卡门涡街和蝶板不会发生共振现象。

4 结束语

本文研究了应用于高温高压蒸汽工况下的三偏心蝶板，运用ANSYS数值模拟分析和实验的方法，得出三偏心蝶板的固有频率，再根据卡门涡街脱落频率的经验公式计算卡门涡街脱落频率的大小，通过以上研究，对比两者之间的大小，从而得出以下结论：

(1)由ANSYS数值模拟分析计算得出的三偏心蝶板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)当高温高压蒸汽流经三偏心蝶板的过程中，由于卡门涡街脱落频率与三偏心蝶板的固有频率相差较大，故两者不会发生共振现象；

(3)在三偏心蝶板谐响应分析中，三偏心蝶板在不同频率的激励力作用下，在轴向方向和径向方向均发生不同程度的变形，根据图8中频率值所对应的峰值可以看出弯曲变形在蝶板振动中占主导地位；

(4)实验方法测得三偏心蝶板的固有频率与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数值模拟分析的方法作为参考；

(5)由振型图可知，对三偏心蝶板振动影响最大的就是三偏心蝶板的弯曲变形，为此可以在三偏心蝶板的两面加上两块加强筋，提高三偏心蝶板的固有频率，使其固有频率更加远离共振频率，以此来达到减振的目的，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。

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Analysis of the Vibration Characteristics of the Tri-eccentric Butterfly Valve Disc

KONG Xiangshuai, WANG Haimin，LIU Huan

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The resonance of the triple eccentric butterfly valve disc of a diameter of 400 mm and shedding of karman vortex street is studied by using the experimental method, ANSYS numerical simulation analysis, and experience formula. The triple eccentric butterfly disc the natural frequency is measured to be 1300 Hz by applying the method of hammer in laboratory tests. The ANSYS numerical analysis method of triple eccentric butterfly disc modal analysis and harmonic response analysis yield its natural frequency to be 1 280 Hz. And the use of the experience formula for computing the karman vortex shedding frequency gives a karman vortex street shedding frequency of 308 Hz. The above three eccentric butterfly disc around the natural frequency of 1300 Hz and karman vortex street shedding frequency 308 Hz indicates a big frequency difference, and thus a resonance of the triple eccentric butterfly disc and karman vortex street does not result.

triple eccentric butterfly valve; butterfly disc; natural frequency; karman vortex

2016- 08- 13

2014年上海市军民结合专项(26)；上海市科委科研计划基金(13DZ2260900)

孔祥帅(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：高温蒸汽作用下三偏心蝶阀蝶板的振动特性等。王海民(1971-)，男，博士，副教授。研究方向：高压调节阀内部流动特性。刘欢(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：高温蒸汽作用下三偏心蝶阀的密封性。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.020

TH113.1

A

1007-7820(2017)07-072-04