閘閥是一種主要用于截?cái)嗷蚪油ń橘|(zhì)流動(dòng)的閥門，常見于高溫高壓和大口徑管道，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、水處理、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，作為管道系統(tǒng)中的重要啟閉裝置。針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)等工作場(chǎng)景中的閘閥，研究學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。
閘閥作為管路系統(tǒng)的關(guān)鍵啟閉元件，可以用于截?cái)喙苈穬啥说慕橘|(zhì)。因此，在深海動(dòng)物保壓轉(zhuǎn)移的工作場(chǎng)景中，閘閥可以發(fā)揮關(guān)鍵的作用。
在深海生物的采樣與轉(zhuǎn)移過(guò)程中，維持其原生環(huán)境壓力是確保生物存活和后續(xù)研究可靠性的關(guān)鍵。深海動(dòng)物長(zhǎng)期適應(yīng)高壓環(huán)境，一旦驟然暴露于常壓條件，其細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理功能會(huì)遭受不可逆損傷。因此，保壓轉(zhuǎn)移技術(shù)成為深海生物學(xué)研究中的重要環(huán)節(jié)，旨在將樣品從深海高壓環(huán)境無(wú)損轉(zhuǎn)移至水面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或加壓培養(yǎng)系統(tǒng)中。深海動(dòng)物保壓轉(zhuǎn)移的工作環(huán)境需要在此項(xiàng)任務(wù)中使用的閘閥具備特殊的性能。在這一技術(shù)體系中，閘閥用于在保壓轉(zhuǎn)移過(guò)程中精確控制艙體與外界之間的介質(zhì)通斷，確保艙體在裝載、運(yùn)輸、觀察或?qū)嶒?yàn)等各個(gè)階段能維持穩(wěn)定壓力，從而有效保障深海生物樣本的完整性與生存狀態(tài)。因此，用于深海動(dòng)物保壓轉(zhuǎn)移的閘閥必須具有耐高壓、高密封性和大通徑的特質(zhì)。
針對(duì)這一需求，本課題組研制出一種深海動(dòng)物轉(zhuǎn)移閥門。深海動(dòng)物轉(zhuǎn)移閥門使用場(chǎng)景如圖1所示。在使用時(shí)，將深海動(dòng)物轉(zhuǎn)移閥門的右側(cè)通過(guò)卡箍與培養(yǎng)裝置相連，將其左側(cè)通過(guò)卡箍與取樣器相連，對(duì)動(dòng)物培養(yǎng)裝置進(jìn)行加壓，直至與取樣器相同壓力后，打開轉(zhuǎn)移裝置的閥板，待取樣器內(nèi)的生物轉(zhuǎn)移至動(dòng)物培養(yǎng)裝置后，關(guān)閉閥板。
圖1 深海動(dòng)物轉(zhuǎn)移閥門使用示意圖
由于使用時(shí)要轉(zhuǎn)移大生物，閥門需設(shè)計(jì)為大通徑以方便生物通過(guò)，但大通徑會(huì)導(dǎo)致閥門開關(guān)時(shí)阻力大，因此需要設(shè)計(jì)優(yōu)化更加合理的結(jié)構(gòu)使得閥門啟閉更加簡(jiǎn)單省力。本研究基于這一深海動(dòng)物轉(zhuǎn)移閥門，研究此類彈簧式自緊密封閘閥動(dòng)力學(xué)仿真的模型建立過(guò)程和仿真方法，模擬實(shí)際使用過(guò)程中開關(guān)閥時(shí)閥板所需的驅(qū)動(dòng)力，并進(jìn)一步對(duì)閘閥閥板傾斜角度進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于閘閥細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，方法眾多，徐天池等利用ANSYS有限元分析結(jié)合Autodesk Inventor三維建模的方式對(duì)大規(guī)格楔式閘閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化；謝小青等采用RSM方法（響應(yīng)面法）對(duì)閥板的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；廖國(guó)域結(jié)合泥漿閘閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況及問(wèn)題，對(duì)盾構(gòu)機(jī)搭載的泥漿閘閥進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在了解到眾多針對(duì)閘閥優(yōu)化問(wèn)題的研究方法并考慮了深海動(dòng)物轉(zhuǎn)移閥閥板優(yōu)化問(wèn)題的特殊性之后，本研究決定采用SolidWorks三維建模與ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)合的方式進(jìn)行系統(tǒng)研究。
02
模型建立
2.1 轉(zhuǎn)移閥門工作原理
深海動(dòng)物轉(zhuǎn)移閥門詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理可簡(jiǎn)述為：開啟時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)閥盤帶動(dòng)閥桿，從而拖動(dòng)閥板向上移動(dòng)開啟閥門，由于閥板本身有角度，在上拉后左閥套會(huì)在彈性件的擠壓下向右運(yùn)動(dòng)，且始終與閥盤表面保持貼合；關(guān)閉時(shí)，反向轉(zhuǎn)動(dòng)閥盤帶動(dòng)閥桿向下擠壓閥板關(guān)閉閥門，左閥套在側(cè)向力作用下向左移動(dòng)且始終與閥盤表面貼合。此閘閥采用彈簧式自緊密封，在能夠順暢開關(guān)的同時(shí)，通過(guò)彈性件經(jīng)由左閥套對(duì)閥板施加壓力，保證其在內(nèi)部高壓環(huán)境下的密封性，防止因壓力變化而導(dǎo)致活體動(dòng)物樣本死亡。
a.左腔體 b.右腔體 1.閥體 2.彈性件 3.左閥套 4.第二密封圈 5.第一密封圈 6.閥板 7.右閥套 8.閥側(cè)蓋 9.閥桿 10.上閥蓋 11.螺釘 12.螺桿 13.螺桿套 14.螺母 15.止推軸承 16.壓蓋 17.閥盤
圖2 深海動(dòng)物轉(zhuǎn)移閥門整體結(jié)構(gòu)圖
由于彈性件通過(guò)左閥套向閥盤表面施加了額外的壓力，第一密封圈所在的接觸面可以承受左腔體內(nèi)外部極大的壓力差，從而保證內(nèi)部壓力穩(wěn)定，滿足此動(dòng)物轉(zhuǎn)移閥門的密封要求。但是由于彈性件向左閥套與閥板的接觸面施加了額外壓力，開關(guān)閥門時(shí)二者之間會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，從而需要對(duì)閥桿施加更大的驅(qū)動(dòng)力。閥板表面設(shè)計(jì)為斜面，在開閥時(shí)可以將一部分彈性件的壓力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)閥板向上的開閥力，但在關(guān)閥時(shí)這一部分力會(huì)成為阻力。因此，需要在閥門正常工作的范圍內(nèi)找到一個(gè)較為合適的閥板角度，使得開關(guān)閥門操作更加便捷。
2.2 簡(jiǎn)化模型建立
有關(guān)此閥門動(dòng)力學(xué)分析的零部件主要涉及三個(gè)部分：以閥體為主體，加上右閥套、閥側(cè)蓋等部件組成的固定外殼；以閥板和連桿為主的驅(qū)動(dòng)部分；左閥套和彈性件組成的從動(dòng)部分。因此，在體現(xiàn)轉(zhuǎn)移閥工作原理、保證仿真貼近現(xiàn)實(shí)的前提下，為了使模型盡量簡(jiǎn)潔明了，本文將轉(zhuǎn)移閥依照三個(gè)主要部分劃分，將其簡(jiǎn)化為三個(gè)零件，并在SolidWorks中建立模型，如圖3所示。簡(jiǎn)化模型中，閥板閥套參數(shù)與閥門真實(shí)尺寸保持一致，閥板閥套主體為圓柱體切割而成，外徑為76 mm，閥套內(nèi)徑為60 mm，壁厚為8 mm，高差為10 mm，因此形成斜面角度約為7.5°，計(jì)算方法如下：
式中 θ——閥板斜面傾斜角度，°
ΔH——閥板兩端高度差（以初始模型為例，閥板最厚處為25 mm，最薄處為15 mm，因而高度差為10 mm），mm
D——閥板外徑，mm
圖3 轉(zhuǎn)移閥SolidWorks簡(jiǎn)化模型示意圖
03
動(dòng)力學(xué)仿真
3.1 初始仿真模型建立
ADAMS軟件在機(jī)械系統(tǒng)靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)仿真方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其內(nèi)部建模功能相對(duì)較弱。因此，本文在SolidWorks中構(gòu)建模型后，以Parasolid格式把零件導(dǎo)入ADAMS/VIEW中，然后根據(jù)零件的實(shí)際工作情況，在ADAMS/VIEW中添加約束、驅(qū)動(dòng)及荷載等。以關(guān)閥模型為例，如圖4所示，模型中固定的閥體為Part1，上下移動(dòng)的閥板為Part2，左右從動(dòng)的閥套為Part3。為了模擬閥門聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行情況，在閥套和閥板之間加入彈性件SPRING_1，根據(jù)轉(zhuǎn)移閥實(shí)際使用的彈性件參數(shù)設(shè)置450 N的初始擴(kuò)張力、18.25 N/mm的剛度；利用固定約束JOINT_1將閥體固定在界面中，后將平移約束JOINT_2和JOINT_3施加于閥套和閥板，使其分別可以左右、上下平移。
圖4 轉(zhuǎn)移閥ADAMS動(dòng)力學(xué)關(guān)閥仿真模型
聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部作用力主要有：閥板與閥套之間作用力、閥套(左閥套)與閥體之間摩擦力、閥板與閥體(右閥套)之間摩擦力。對(duì)應(yīng)這三個(gè)力，依次在閥套和閥板之間設(shè)置接觸CONTACT_1，根據(jù)Jochem Giesbers在ADAMS中接觸力的研究結(jié)果，將靜摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)置為0.25；對(duì)于平移約束JOINT_2，靜摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)置為0.25，產(chǎn)生FRICTION_1；對(duì)于平移約束JOINT_3，靜摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)置為0.25，產(chǎn)生FRICTION_2。
仿真時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，給JOINT_3施加向下的1 mm/s的MOTION_1，在CONTACT_1的作用下，閥套向左運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步壓縮彈簧。通過(guò)測(cè)量MOTION_1產(chǎn)生的反作用力，便可獲得整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中閥板所需驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間的變化情況。
開閥模型參數(shù)保持一致，MOTION_1速度方向相反，閥板初始位置為最下方。
3.2 模型仿真結(jié)果
在關(guān)閥操作仿真時(shí)，設(shè)置仿真總時(shí)間為70 s，對(duì)應(yīng)閥板向下運(yùn)動(dòng)70 mm，基本可以覆蓋整個(gè)關(guān)閥過(guò)程，仿真類型為Dynamic，積分方式為WSTIFF，誤差設(shè)為1E-05。仿真測(cè)量結(jié)果如圖5所示，關(guān)閥時(shí)的驅(qū)動(dòng)力初始值約為380 N，隨著閥板插入，驅(qū)動(dòng)力線性升高至500 N左右；開閥時(shí)的驅(qū)動(dòng)力初始值約為180 N，隨著時(shí)間推移，驅(qū)動(dòng)力線性降低至110 N左右?？傮w而言，開關(guān)閥門時(shí)驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間呈現(xiàn)出線性降低和增加的趨勢(shì)。
圖5 初始模型開關(guān)閥驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間變化情況
04
結(jié)構(gòu)優(yōu)化
4.1 角度變化對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響
當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，閥板受到的阻力主要來(lái)源于三部分：第一部分是彈簧彈力作用在閥套后，通過(guò)斜面?zhèn)鬟f給閥板形成縱向的分力；第二部分是彈簧彈力通過(guò)閥套作用在閥套與閥板的接觸面上，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力，摩擦力的縱向部分為阻力；第三部分是在彈簧的擠壓下，閥板與右閥套之間的壓力產(chǎn)生的摩擦力。
閥板角度的變化對(duì)閥板阻力的影響較為復(fù)雜。當(dāng)角度變大時(shí)，彈力分力造成的阻力會(huì)變大，同時(shí)接觸面上的壓力變大造成摩擦力變大，但角度的變化又導(dǎo)致了摩擦力縱向分力系數(shù)發(fā)生變化；角度變小時(shí)則反之。同時(shí)，左閥套與閥體之間的摩擦力會(huì)影響彈簧彈力向右側(cè)的傳遞，左閥套與閥體之間的摩擦力本身又受到閥體推力的影響，這個(gè)摩擦力也會(huì)影響其他各個(gè)作用力，各個(gè)力之間呈現(xiàn)出相互影響的復(fù)雜關(guān)系。
當(dāng)閥門開啟時(shí)，三部分阻力同樣會(huì)隨角度變化而變化，無(wú)法直觀地判斷出阻力隨角度變化的關(guān)系。
為了探究最佳的閥板角度，在SolidWorks中建立了三套對(duì)比模型。參數(shù)改動(dòng)分別為：將閥板最薄處縮短3 mm，最厚處加長(zhǎng)3 mm；將閥板最薄處加長(zhǎng)3 mm，最厚處縮短3 mm；將閥板表面改為水平，如此?H分別為16 mm、4 mm、0 mm，代入公式（1）中，得到閥板角度分別為11.9°、4.2°和0°，其余參數(shù)均保持一致。將這三套模型導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置同樣的參數(shù)，并以同樣的方式仿真后，將四組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如圖6所示，關(guān)閥時(shí)的驅(qū)動(dòng)力隨角度增加而增大，而開閥時(shí)的驅(qū)動(dòng)力隨角度增加而減小。角度上升時(shí)，關(guān)閥驅(qū)動(dòng)力變大的幅度大于開閥驅(qū)動(dòng)力變小的幅度，例如角度由7.5°上升至11.9°時(shí)，初始關(guān)閥驅(qū)動(dòng)力上升60 N左右，初始開閥驅(qū)動(dòng)力下降32 N左右；當(dāng)角度為0°時(shí)，開關(guān)閥驅(qū)動(dòng)力一致，約為250 N。
(a)
(b)
(a)關(guān)閥驅(qū)動(dòng)力 (b)開閥驅(qū)動(dòng)力
圖6 不同角度下關(guān)閥和開閥驅(qū)動(dòng)力對(duì)比
4.2 角度優(yōu)化方法
驅(qū)動(dòng)力大小變化情況受閥板角度的影響較為復(fù)雜，四組數(shù)據(jù)可以體現(xiàn)出驅(qū)動(dòng)力隨角度變化的趨勢(shì)，但并不能充分地說(shuō)明二者之間的關(guān)系，也不能排除存在局部極小值的可能性。為了尋找最優(yōu)的角度，對(duì)其進(jìn)行定量分析。關(guān)閥時(shí)的驅(qū)動(dòng)力與閥板斜面角度關(guān)系為：
對(duì)閥套進(jìn)行橫向受力分析，表達(dá)式為：
進(jìn)而得到：
對(duì)閥板進(jìn)行縱向受力分析，表達(dá)式為：
再進(jìn)行橫向受力分析，得到關(guān)閥驅(qū)動(dòng)力為：
相似地，開閥時(shí)驅(qū)動(dòng)力與閥板斜面角度關(guān)系為：
式中 f——閥套與閥板接觸面產(chǎn)生的摩擦力，N
μ——接觸面的動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.25
N0——閥套與閥板接觸面法向力，N
N1——閥套與閥體接觸面法向力，N
N2——閥板與閥體接觸面法向力，N
θ——閥板斜面角度，°
Fs——彈簧彈力，N
Fclose——關(guān)閥所需驅(qū)動(dòng)力，N
Fopen——開閥所需驅(qū)動(dòng)力，N
由公式(7)和(8)可知，在某一特定位置（彈簧彈力Fs以及接觸面摩擦因數(shù)μ確定）所需的關(guān)閥驅(qū)動(dòng)力隨角度增加而增大，而開閥驅(qū)動(dòng)力隨角度增加而減小，這驗(yàn)證了圖6的結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果，角度增大后，關(guān)閥驅(qū)動(dòng)力的增大幅度大于開閥驅(qū)動(dòng)力的減小幅度，因此更小的角度意味著開關(guān)閥門做功更少，更加省力，并且開閥與關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)力差更小，閥門所需的最大驅(qū)動(dòng)力更小，閥門更易使用。當(dāng)閥板沒有角度、完全水平時(shí)，閥門開關(guān)最為簡(jiǎn)單省力。
然而，閥板角度變化產(chǎn)生的影響較為復(fù)雜，且實(shí)際使用過(guò)程中存在零件公差等客觀因素，因此閥板沒有最優(yōu)角度，只有在考慮理論仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)需要后的更優(yōu)角度。在此彈簧式自緊密封閘閥的使用過(guò)程中，關(guān)閥驅(qū)動(dòng)力大于開閥驅(qū)動(dòng)力，因此有效地降低關(guān)閥時(shí)所需最大驅(qū)動(dòng)力(閥門使用所需最大驅(qū)動(dòng)力)是本研究的首要目標(biāo)。同時(shí)，在實(shí)際使用過(guò)程中，閘閥各零件存在公差，因此左閥套與閥體內(nèi)壁并非完美滑動(dòng)貼合，在閥門完全開啟時(shí)，左閥套在彈簧力的作用下，以其與閥板的接觸點(diǎn)為支點(diǎn)產(chǎn)生細(xì)微旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致左閥套的左下角抵住閥體內(nèi)壁，產(chǎn)生卡殼。此種情況下，若閥板角度為零，只能對(duì)閥套產(chǎn)生向下的作用力，反而加劇卡殼；而設(shè)計(jì)為斜面的閥板可以對(duì)閥套產(chǎn)生橫向的作用力，從而扶正閥套，緩解卡殼。根據(jù)公式(9)可知，靜止時(shí)閥板的角度可增大閥板與閥套之間的法向力，從而產(chǎn)生更好的密封效果以應(yīng)對(duì)高壓工作環(huán)境。
綜合考慮以上因素后，將閥板角度由7.5°優(yōu)化為4.2°，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖7所示。新的角度在避免出現(xiàn)閥套卡殼的前提下，將轉(zhuǎn)移閥門使用時(shí)所需的最大驅(qū)動(dòng)力由510 N降低至360 N，降低約30%，使轉(zhuǎn)移閥門開關(guān)操作更加簡(jiǎn)單省力，并且保留了閥板角度對(duì)轉(zhuǎn)移閥門密封性的增益效果。
圖7 角度優(yōu)化后開關(guān)閥門驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間變化情況
05
結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)彈簧式自緊密封閘閥在高壓、大通徑工況下的啟閉難題，基于其工作原理，建立了簡(jiǎn)化三維模型，并借助ADAMS軟件開展了動(dòng)力學(xué)仿真。通過(guò)對(duì)比不同閥板斜面角度下的開關(guān)驅(qū)動(dòng)力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)閥板角度對(duì)操作性能具有顯著影響。在綜合考慮密封性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及操作便捷性的基礎(chǔ)上，將閥板斜面角度由7.5°優(yōu)化至4.2°。仿真結(jié)果表明，該優(yōu)化不僅降低了閥門使用過(guò)程中所需的最大驅(qū)動(dòng)力及開關(guān)力差值，而且兼顧了高壓環(huán)境下的密封可靠性，顯著提升了閥門的使用性能。研究表明，基于虛擬樣機(jī)與動(dòng)力學(xué)仿真的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法能夠?yàn)殚y門設(shè)計(jì)提供有效支撐，本研究結(jié)果對(duì)類似特殊工況閥門的開發(fā)具有一定參考價(jià)值。未來(lái)可進(jìn)一步結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，探索不同結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的耦合效應(yīng)，引入智能算法或先進(jìn)材料以提升閥門的可靠性與使用壽命，推動(dòng)彈簧式自緊密封閘閥在深海裝備及高端工業(yè)領(lǐng)域的工程應(yīng)用。