Duże, trójelementowe metalowe motylkowe zawory o uszczelnieniu twardego są szeroko stosowane w przemyśle naftowym, chemicznym, metalurgicznym, energetycznym i innych dziedzinach przemysłu. Posiadają one zwartą konstrukcję, doskonałe właściwości uszczelniające, wysoką odporność na wysoką temperaturę i ciśnienie oraz silną odporność na korozję. Wykazują one szczególne zalety zwłaszcza w zastosowaniach o dużych średnicach. Jednakże, w miarę zwiększania się średnicy zaworu, siła wywierana przez płyn na zawór wzrasta gwałtownie, a problem drgań spowodowany sprzężeniem płyn-struktura staje się bardziej oczywisty. Te drgania nie tylko wpływają na stabilność pracy zaworu, ale mogą również powodować uszkodzenia zmęczeniowe struktury i skracać jego żywotność. CHNLGVF | 中国大乾閥門 przeprowadził badania charakterystyk drgań sprzężenia płyn-ciało stałe dużych, trójelementowych metalowych motylkowych zaworów o uszczelnieniu twardego w odpowiedzi na te problemy i zaproponował strategię optymalizacji strukturalnej, aby dostarczyć podstaw teoretycznych i praktycznych wskazówek dla rozwoju i produkcji wysokiej jakości zaworów motylkowych.

W porównaniu z tradycyjnymi zaworami motylkowymi, zawory motylkowe o trzech ekscentrycznych osiach mają trójwymiarowy ekscentryczny design, obejmujący osiową ekscentryczność i promieniową ekscentryczność wału zaworu względem środka siedziska zaworu, a także geometryczną ekscentryczność powierzchni stożka siedziska zaworu i płyty motylkowej. Ten design pozwala na kontakt między płytą motylkową a siedziskiem zaworu tylko w bardzo małym obszarze podczas procesu otwierania i zamykania zaworu, co redukuje tarcie i zużycie oraz wydłuża żywotność zaworu.

Zasada działania potrójnego motylkowego zaworu ekscentrycznego opiera się głównie na efekcie trójwymiarowej geometrii ekscentryczności. Gdy zawór się otwiera, płyta motylkowa szybko oddziela się od siedziska zaworu, zmniejszając opór tarcia; podczas procesu zamykania płyta motylkowa stopniowo styka się z stożkowym siedziskiem zaworu, tworząc jednolitą siłę uszczelniającą. Projekt potrójnego ekscentryka skutecznie poprawia wydajność uszczelniania i pracę zaworu motylkowego, zwłaszcza utrzymując stabilny efekt uszczelniania w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia.

Duże przewody motylkowe mają wielkie zalety w procesie transportu i kontroli płynów, ale wraz z zwiększaniem średnicy siła wywierana przez płyn na zawór znacząco wzrasta. Te siły obejmują siłę uderzenia, moment obrotowy i drgania, które stawiają poważne wyzwania dla stabilności konstrukcyjnej, uszczelnienia i żywotności zaworu motylkowego. Dlatego optymalizacja konstrukcji zaworów motylkowych w warunkach dużej średnicy i redukcja drgań spowodowanych sprzężeniem płyn-ciało stałe stanowi pilny problem do rozwiązania.

Charakterystyka pola przepływu dużego trójelementowego motylkowego zaworu o dużej średnicy stanowi ważną podstawę do badania sprzężenia drgań struktury płynu. Przy wysokich prędkościach przepływu wiry, turbulencje i lokalne zmiany ciśnienia generowane podczas przepływu płynu przez zawór spowodują siły uderzeniowe i drgania indukowane na korpusie zaworu i płycie zaworu. Charakterystyka pola przepływu obejmuje głównie:

Rozkład prędkości płynu: Pole prędkości płynu przechodzącego przez zawór jest nierównomierne, zwłaszcza w pobliżu płyty motylkowej, co generuje silne wirowania i gradienty ciśnienia, co spowoduje niestabilne siły działające na zawór.

Rozkład ciśnienia i różnica ciśnień: Istnieje duża różnica ciśnień między wejściem a wyjściem dużych zaworów o dużym średnicy. Szczególnie podczas lokalnego procesu otwierania i zamykania, lokalne zmiany ciśnienia w polu przepływu zmieniają się drastycznie, powodując, że płyta zaworu jest poddana dużym wahaniom ciśnienia, powodując wibracje.

Technologia CFD (Dynamika Obliczeniowa Płynów) może dokładnie symulować charakterystyki pola przepływu dużych trójekcentrycznych zaworów motylkowych w różnych warunkach pracy i analizować zmiany pola przepływu zaworu w stanach otwartym, zamkniętym i różnych stanach otwarcia. Te dane stanowią ważne odniesienie dla późniejszej analizy drgań.

Interakcja płyn-struktura (FSI) odnosi się do dynamicznego procesu interakcji między płynem a strukturą. W dużych zaworach motylkowych, wpływ płynu na płytę zaworu i korpus zaworu spowoduje elastyczną deformację struktury. Deformacja struktury z kolei wpływa na stan przepływu płynu. Obydwa elementy współpracują, tworząc zjawisko drgań. Główne objawy sprzężenia płyn-struktura obejmują następujące aspekty.

Wibracje indukowane turbulencją: Turbulencja powstająca podczas przepływu płynu przez zawór motylkowy wywiera niestabilną pulsującą siłę na płytę zaworu, powodując jej okresowe wibracje. Te wibracje mogą powodować koncentrację naprężeń w strukturze i prowadzić do uszkodzeń zmęczeniowych struktury.

Fluktuacja ciśnienia i rezonans: Gdy częstotliwość przepływu płynu jest bliska naturalnej częstotliwości ciała zaworu lub płytki zaworu, zostanie wywołany rezonans strukturalny. Rezonans wzmacnia amplitudę drgań i w ciężkich przypadkach może spowodować uszkodzenie struktury zaworu.

Wysoka wydajność przepływu może prowadzić do zjawisk wzbudzenia płynu w lokalnych obszarach zaworu, zwłaszcza do samowzbudnych drgań spowodowanych przez zrzucanie wirowe, co stanowi wyzwanie dla stabilności konstrukcyjnej płyty motylkowej i korpusu zaworu.

W wyniku działania wysokociśnieniowej cieczy, kluczowe części dużych zaworów motylkowych o trzech ekscentrycznych osiach, takie jak płyta motylkowa, siedzisko zaworu i korpus zaworu, będą poddane złożonym naprężeniom mechanicznym. Te naprężenia obejmują głównie naprężenia ścinające, naprężenia ściskające spowodowane ciśnieniem hydrodynamicznym oraz koncentrację naprężeń spowodowaną własnym ciężarem konstrukcji. Koncentracja naprężeń może spowodować lokalne odkształcenia plastyczne, zwłaszcza podczas długotrwałego użytkowania, uszkodzenia zmęczeniowe będą bardziej oczywiste.

Analiza metodą elementów skończonych (MES) może dokładnie symulować rozkład naprężeń i odkształceń struktury zaworu. Analizując rozkład naprężeń w różnych warunkach pracy, możemy zlokalizować obszar skupienia naprężeń i zmniejszyć wpływ skupienia naprężeń na żywotność zaworu poprzez optymalizację konstrukcji i dobór materiałów.

Rezonans jest jednym z kluczowych problemów wibracji zaworu motylkowego. Gdy częstotliwość naturalna zaworu jest bliska częstotliwości pobudzenia płynu, może wystąpić rezonans w strukturze. Rezonans może znacząco zwiększyć amplitudę drgań, prowadząc do uszkodzenia zmęczeniowego elementów zaworu lub awarii uszczelnienia. Dlatego w projektowaniu zaworu motylkowego konieczne jest rozważenie sposobów unikania problemów z rezonansem.

Naturalna częstotliwość zaworu motylkowego można uzyskać poprzez analizę modalną, a połączona z analizą dynamiki płynów, można obliczyć częstotliwość pobudzenia indukowanego przez płyn. Aby uniknąć rezonansu, parametry konstrukcyjne korpusu zaworu i płytki zaworu można dostosować, aby ich naturalne częstotliwości były znacznie oddalone od częstotliwości pobudzenia płynu, aby uniknąć wystąpienia rezonansu.

Aby zmniejszyć wpływ drgań sprzężenia płyn-struktura na wydajność zaworu motylkowego, optymalizacja kształtu płyty zaworu jest jedną z ważnych strategii. Sterowana aerodynamicznie konstrukcja płyty zaworu może skutecznie zmniejszyć wpływ płynu na płytę zaworu i zmniejszyć generowanie wirowania i turbulencji. Ponadto, zwiększenie sztywności i rozsądne rozłożenie masy płyty zaworu może poprawić jej właściwości antywibracyjne.

Wybór materiałów ma istotny wpływ na charakterystyki drgań dużych trójekcentrycznych zaworów motylkowych o dużym średnicy. CHNLGVF | China Dagangyangmao wprowadza materiały stopowe o wysokiej wytrzymałości, aby zwiększyć sztywność korpusu zaworu i płyty zaworu, poprawiając tym samym ich odporność na wibracje. Jednocześnie stosowanie nowych materiałów kompozytowych może zmniejszyć wagę zaworu i zmniejszyć wpływ płynu na strukturę, co z kolei zmniejsza amplitudę drgań.

Aby dalej zmniejszyć efekty wibracji zaworów motylkowych, można dodać materiały tłumiące do wnętrza korpusu zaworu lub na powierzchni płyty motylkowej. Te materiały tłumiące mogą skutecznie absorbować energię wibracji i zmniejszać transmisję wibracji. Jednocześnie dodanie elastycznych podpór lub amortyzatorów do kluczowych części może również skutecznie złagodzić problemy z wibracjami spowodowane sprzężeniem płyn-struktura.

W celu poprawy charakterystyk pola przepływu dużego trójelementowego motylkowego zaworu o dużej średnicy, można zmniejszyć fluktuacje ciśnienia i tworzenie turbulencji płynu podczas przepływu przez zawór poprzez optymalizację projektu wewnętrznego kanału przepływu zaworu. Na przykład odpowiednio zaprojektowana płyta prowadząca lub otwór prowadzący może prowadzić płyn przez zawór płynnie, zmniejszając lokalne wirowanie i rozdzielanie przepływu, co z kolei zmniejsza ryzyko drgań.

Rozwój i produkcja dużych, trójelementowych zaworów motylkowych wymagają wysoko precyzyjnej technologii obróbki. CHNLGVF丨中國大乾閥門 wprowadził zaawansowane technologie produkcyjne, takie jak obróbka CNC i drukowanie 3D, aby zapewnić dokładność obróbki kluczowych części zaworu. Szczególnie podczas obróbki płyty zaworu i siedziska zaworu, używane są wysoko precyzyjne narzędzia CNC, aby zapewnić ich chropowatość powierzchniową i dokładność geometryczną, oraz zapewnić dobrą koordynację powierzchni uszczelniających.

W celu zweryfikowania charakterystyk wibracyjnych i stabilności konstrukcyjnej zaworu motylkowego, CHNLGVF丨中國大乾閥門 przeprowadził rygorystyczne testy i weryfikację eksperymentalną. Obejmuje to testy pola przepływu, analizę modalną, testy naprężeń i odkształceń, itp. w laboratorium, aby zasymulować stan pracy zaworu w różnych warunkach pracy. Dzięki tym testom można nie tylko zweryfikować racjonalność projektu zaworu, ale także dostarczyć dane do optymalizacji w kolejnych etapach.

W badaniach i rozwoju dużych trójelementowych metalowych motylkowych zaworów uszczelniających CHNLGVF丨中國大乾閥門 zastosował zaawansowaną analizę dynamiki płynów i strategie optymalizacji strukturalnej w celu rozwiązania problemu sprzężenia płyn-ciało stałe. Poprzez optymalizację projektu płyty zaworu, doboru materiałów i kontroli pola przepływu znacznie poprawia się wydajność antywibracyjną i żywotność zaworu. W przyszłości, dzięki ciągłemu postępowi w inteligentnym wytwarzaniu i naukach o materiałach, wydajność i niezawodność zaworów motylkowych zostaną dalej poprawione, co przyczyni się do szerokiego zastosowania technologii zaworów motylkowych w różnych głównych dziedzinach przemysłu.