调节阀边界及载荷研究

沙壤土

前言

料流调节阀是高炉无料钟炉顶布料系统中的关键设备之一，又称流量调节阀。其主要作用是调节料流的大小，即通过开口度的变化实现对料罐内炉料流量按高炉炉况随意控制，使高炉在理想状态下正常运行。由于高炉炼铁是持续进行的，因此设备要求必须安全可靠，结构简单并易于维修或更换。目前运用比较广泛的是瓜型料流调节阀，其料闸形状为瓜型，两个闸板由两根同心的内外轴分别带动，同心轴结构稍显复杂。本文介绍了一种适用于5000m3级大型高炉的结构简单、使用可靠的新型平行轴式料流调节阀，对其开阀全过程进行了有限元仿真，找出在开阀过程中各主要部件的应力应变的变化趋势，进而较为精确的得出该新型设备的强度及刚度，为结构的优化提供理论依据，从而保证设备工程应用的可靠性。

1 计算模型

平行轴式料流调节阀主要由箱体、阀板、阀板摆臂、传动轴、连杆、驱动摇臂及驱动油缸组成，多体分析功能并结合多分析步的方法对该设备的整体模型进行分析，即采用运动副模拟各构件真实工况，在分析步中定义阀板开度，当分析步变化时，阀板将按照定义的开度打开，从而使得分析模型充分接近实际工况，保证结果的准确性，又能快速的得到各个主要零部件在阀板在不同开度的应力及位移结果。图1、图2为料流调节阀三维模型，在此基础上进行网格划分得到有限元分析模型，见图3、图4。

图1 料流阀结构 图2 料流阀内部结构

1—箱体；2—中心导料管；3—驱动油缸；4—驱动摇臂；

5—连杆Ⅰ；6—连杆Ⅱ；7—传动轴；8—阀板摆臂；9—阀板

图3 整体网格模型

图4 内部网格模型

2 边界及载荷研究

计算了料流调节阀开口度从0°到68°的应力应变变化情况（当阀板开到44°后，阀板已达到全开状态，但实际操作时阀板还要继续打开一定角度，以便将阀板上的余料全部放完）。

边界条件：在实际工况下，料流调节阀的上下法兰分别与称量料罐与波纹管连接，因此，计算模型中将料流调节阀的上下法兰接触面进行全约束。

工况载荷：工况载荷处理是该仿真的难点，因为阀板在开阀过程中，阀板上的垂直作用力以及物料与阀板之间的摩擦阻力作用在阀板上的面积是不断变化的，有限元分析结果作为结构设计优化的理论依据，就需要力求准确。因此采用如下手段进行仿真计算：运用静力分析模块计算，分别得到开阀中间各开度时的应力应变值，具体为0°到68°的开阀过程平均分为18个不同的开口角度值共计18个仿真分析步，开度值分别为0°，4°，……，64°，68°。

料流调节阀在开阀过程中受到的主要载荷包括：各零部件的重力、阀板上的垂直作用力、物料与阀板之间的摩擦阻力、箱体内表面受到的炉内压力。其中从0°到44°变化时的受载包括各零部件的重力、阀板上的垂直作用力以及物料与阀板之间的摩擦阻力，并且在料流调节阀开口度不断变化的过程中，其受力面积是不断变化的；而从45°到68°变化时只受到重力的作用。

由以上分析可知，在0°到44°间的各分析步中，需将阀板上的垂直作用单位压力、物料与阀板间的摩擦单位阻力根据开度不同施加在阀板相应的受力面积上，例如图5为0°时阀板的载荷加载面域，而图6为28°时阀板的载荷加载面域；45°到68°间的各分析步则不受以上两个力的作用；0°到68°所有分析步中重力与炉内所受压力0.375MPa则维持不变。

3 仿真结果分析

完成有限元前处理步骤后，将模型提交计算，即可得到各个零部件的计算结果。以阀板开度36°仿真结果为例，图7为阀板开度36°时整体Mises应力分布云图，图8为阀板开度36°时料流调节阀内部Mises应力分布云图。图9、图10为箱体的Mises应力及箱体变形的随阀板开度变化曲线图，图11、图12为驱动摇臂及阀板摆臂的Mises应力随阀板开度变化曲线图。

图5 阀板开度为0°时加载面域

图6 阀板开度为28°时加载面域

图7 整体应力分布云图

图8 内部应力分布云图

图9 箱体Mises应力变化

图10 箱体位移变化

图11 驱动摇臂Mises应力变化

图12 阀板摆臂Mises应力变化

由仿真结果可知：箱体、驱动摇臂以及阀板摆臂三个主要构件的受力情况较弱。箱体Mises应力随着开度的增大先微弱减小后增大，在开度为68°时达到最大值41.71MPa，但应力值变化不大，其原因是箱体产生应力主要来源于自身所受的炉内压力，而炉内压力一直维持不变，而应力值的波动则是开度不同导致传动构件对箱体的作用有所差异引起。箱体的位移（变形）随着角度的增大略微变小，但数值变化极小，最大值为0.2673mm。因此在正常工况下箱体最大应力为41.71MPa，小于本身材质为Q235的屈服强度[3]235MPa的30%，位移（变形）为0.2673mm，满足箱体耐压强度要求。

驱动摇臂的Mises应力随着开度的增大先减小后增大，而初始位置即开度为0°时应力达到最大值为52.46MPa，说明在初始位置时由于阀板上的垂直作用力、物料与阀板之间的摩擦阻力作用在阀板上的面域最大，从而使驱动摇臂受力最大，随着开度的不断增大，两者作用在阀板上的面域逐渐变小，驱动摇臂受力也逐渐减小，当接近44°后达到最小，随后随着开度的继续增大，阀板对转轴产生的力矩逐渐增大，使得驱动摇臂受力也逐渐增大，应力相应增加。对于阀板摆臂，Mises应力变化趋势和驱动摇臂基本一致，在开度为0°的初始位置应力达到最大值为54.5MPa。以上分析结果表明驱动摇臂及阀板摆臂的应力值均小于其本身材质Q235的屈服强度[2]235MPa的30%，能很好的满足设计要求。

4 结论

通过Abaqus有限元软件多体分析功能结合多分析步的方法建立切合实际工况的料流调节阀整体仿真分析模型，真实地模拟了开阀过程中的载荷不断变化的工况。通过仿真准确地得到开阀过程中的应力位移变化曲线，为设计及结构优化提供了可靠的依据。该新型平行轴式料流调节阀设计合理可靠，目前已用于工程实际，使用效果良好。上述多体分析功能结合多分析步的分析方法亦可用于其他领域需要进行全运动过程仿真、具有多工况特性的设备。