基于Fluent的蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度場研究

　　研究了蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，并根據(jù)影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度的因素，提出了降低溫度的方法。利用Fluent軟件，對(duì)改造的蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度場進(jìn)行了仿真。并在現(xiàn)場試驗(yàn)中驗(yàn)證了該方法的可行性。通過對(duì)驗(yàn)證后的蝶閥及 執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度檢測與故障率統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度和故障率降低。

　　在熱軋生產(chǎn)工藝中，加熱爐地位十分重要。按軋機(jī)的軋制節(jié)奏，加熱爐將不同規(guī)格、不同鋼種、不同裝入溫度的板坯加熱到工藝要求的溫度。進(jìn)入爐內(nèi)的空氣，都先經(jīng)過換熱器預(yù)熱，再由空氣管道輸送，最后在管道末端的燒嘴處與煤氣混合，進(jìn)入加熱爐燃燒。爐內(nèi)溫度跟蝶閥閥芯開合度有密切關(guān)系，爐內(nèi)溫度可視為穩(wěn)定恒溫。

　　蝶閥閥芯由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度過高，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣缸變形，內(nèi)部密封環(huán)損傷，缸體拉傷、漏氣，導(dǎo)致其調(diào)節(jié)精度降低。當(dāng)?shù)�閥閥芯開合度過大，空氣流量大，爐溫升高，造成鋼坯表面氧化鐵皮增厚，這直接降低鋼坯的成材率和鋼材的質(zhì)量；相反，蝶閥閥芯開合度過大，空氣流量小，會(huì)導(dǎo)致爐溫過低，鋼坯加熱溫度不夠，軋機(jī)無法順利進(jìn)行軋制，嚴(yán)重磨損軋輥，縮短軋機(jī)的使用壽命，損毀其他的配套機(jī)電設(shè)備。

　　基于此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)分析影響蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度的主要因素，并提出相應(yīng)的降溫方法。利用有限元分析軟件Fluent，對(duì)蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度仿真。

1、蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)用來控制蝶閥閥芯的開合度，蝶閥的材料為不銹鋼，執(zhí)行機(jī)構(gòu)材料為鋁合金。其工作原理主要是：利用壓縮儀表氣體推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)多組合啟動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主軸旋轉(zhuǎn)，蝶閥閥芯隨之開合。加裝支架與隔熱墊的蝶閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維圖如圖1所示。

圖1 具有支架與隔熱墊的蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維圖

2、蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳熱機(jī)理研究

　　2.1、傳熱機(jī)理

　　蝶閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的熱傳遞方式主要有：固體材料之間的熱傳導(dǎo)；環(huán)境空氣以及儀表氣體的對(duì)流；高溫管道對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的熱輻射。三種類型的熱傳遞方程如下。熱傳導(dǎo)公式：

(1)

　　式中：Q為時(shí)間內(nèi)的傳熱量或熱流量；K為熱傳導(dǎo)率或熱傳導(dǎo)系數(shù)；T為溫度；A為平面面積；d為兩平面之間的距離。對(duì)流公式：

(2)

　　式中：q″為對(duì)流單位熱流量；h為對(duì)流換熱系數(shù)；TS為固體表面的溫度；TB 為周圍流體的溫度。輻射公式：

(3)

　　式中：q為熱流率；ε為實(shí)際物體的輻射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；A1為輻射面1的面積；F12為輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)；T1為輻射面1的絕對(duì)溫度；T2為輻射面2的絕對(duì)溫度。

　　爐溫一般維持在1300℃，管內(nèi)熱空氣溫度高達(dá)500℃。上述的三種熱量傳導(dǎo)方式，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸的表面溫度較高。測量得到，執(zhí)行機(jī)構(gòu)最高溫度達(dá)到156℃，出現(xiàn)在其下表面；最低溫度達(dá)到120℃，出現(xiàn)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指位器上表面。由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用標(biāo)準(zhǔn)得知，通常空氣調(diào)節(jié)閥氣缸活塞密封圈的最高耐溫值是120℃，有效范圍是-18～80℃。因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于活塞密封圈的耐溫值，由前面所述知，這對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作造成很大的影響。

　　2.2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的降溫方法

　　由于管內(nèi)熱空氣流速較快，蝶閥閥芯與管內(nèi)熱空氣直接接觸，蝶閥閥芯表面可視為500℃。閥芯高溫通過金屬之間熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度升高。由熱傳導(dǎo)公式(1)可知，熱量跟兩高溫面的距離以及熱傳導(dǎo)系數(shù)有關(guān)。為了降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)與蝶閥之間的熱傳導(dǎo)效果，可以阻礙兩者間熱量的傳遞。因此，在蝶閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間增添隔熱支架，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)下表面與蝶閥的高溫面分開(蝶閥閥桿需加長)。還可以通過安裝隔熱墊，對(duì)熱傳導(dǎo)阻隔效果更好。隔熱墊材料為礦棉，該類材料比熱容大(650J/(kg·℃))，熱導(dǎo)率低(0.045 W/(m·℃))。

　　由圖1可知，蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝方向是豎直向上，垂直于地面。隨著環(huán)境中空氣溫度升高，密度變小，熱空氣豎直上浮，該過程傳遞的熱量也相當(dāng)大，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度升高。因此為了避免熱空氣上浮所帶來的熱量影響， 可將蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)從豎直安裝改為橫裝，即蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)平行于地面。

　　內(nèi)部儀表氣體遠(yuǎn)離過高的熱源，其溫度與室內(nèi)溫度接近，即為60℃。這樣氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度，隨著儀表氣體的流動(dòng)，可以起到降溫效果。因此，可以將電磁閥等空氣過濾裝置與蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)分離，加長儀表氣的供氣管道。

3、蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度場仿真

　　根據(jù)理論分析，執(zhí)行機(jī)構(gòu)降溫方法有：蝶閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間增添支架與隔熱墊(圖1)；蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝方向由豎裝改為橫裝；降低儀表氣體溫度。通過Fluent對(duì)蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度仿真，來驗(yàn)證降溫方法是否有效可行。

　　3.1、蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型建立

　　考慮空氣的影響，讓熱分析的結(jié)果更貼近蝶閥控制機(jī)構(gòu)在現(xiàn)場中的受熱情況。將添加隔熱墊與支架的蝶閥及控制機(jī)構(gòu)三維模型在Pro/E中建立，導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行前處理的操作，與空氣模型進(jìn)行耦合，見圖2。網(wǎng)格大小15mm，網(wǎng)格數(shù)量555617個(gè)。

圖2 蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算模型

　　3.2、Fluent后處理設(shè)置

　　在Fluent中選擇材質(zhì)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)為鋁；支架與蝶閥同為不銹鋼；隔熱墊為礦棉，厚度5mm；空氣物理屬性采用Boussinesq模型。其中在邊界條件的設(shè)置中，由于蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)橫裝，將重力方向設(shè)置成x方向(豎裝時(shí)是z方向)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)各表面導(dǎo)熱系數(shù)為853.2J/(h·mm·℃)，蝶閥各表面導(dǎo)熱系數(shù)為72J/(h·mm·℃)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)表面溫度設(shè)置成與儀表氣體同溫，即環(huán)境溫度60℃。開啟Fluent軟件的能量方程，開啟容差收斂方程，經(jīng)迭代12次，結(jié)果達(dá)到收斂。

　　3.3、仿真結(jié)果及分析

　　圖3(a)可見，由上到下，整個(gè)模型溫度出現(xiàn)不同層次的變化。 空氣與蝶閥控制結(jié)構(gòu)的整個(gè)外表面有熱交換，并向四周發(fā)散。蝶閥控制機(jī)構(gòu)中與熱空氣接觸的表面溫度最高(500℃)。空氣與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和蝶閥的外表面耦合情況正常，溫度傳遞自然，溫度大致由熱源處向遠(yuǎn)處呈遞減的趨勢。三種材料的熱傳遞效果不一樣，蝶閥的材質(zhì)是不銹鋼，熱傳遞效果很明顯，溫度遞減不是很大。但蝶閥控制結(jié)構(gòu)外圍的空氣熱傳遞效果就低，溫度遞減明顯。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鋁質(zhì)材料的熱傳遞效果，屬于二者中間。圖3(b)為蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度分布圖，執(zhí)行機(jī)構(gòu)下底面溫度最高(119℃)；其指位器上表面溫度最低(97℃)。

圖3 蝶閥溫度云圖(℃)

　　通過Fluent對(duì)蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度場仿真可知，改變蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝形式，安裝隔熱墊與支架，改變儀表氣體溫度，均能達(dá)到降低蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度的效果。如表1所示，整改前、后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)下表面(執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度最高處)溫度降幅達(dá)到36℃，指位器上表面(執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度最低處)溫度降幅達(dá)到23℃，綜合平均溫度下降幅度達(dá)到29℃。從結(jié)果可見，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度分布均在產(chǎn)品規(guī)定的最高耐溫值120℃之下，已能滿足實(shí)際工作的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度

4、現(xiàn)場實(shí)施

　　根據(jù)Fluent的仿真結(jié)果可見，降溫方法能起到降低蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度的作用。因此，在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)施。①蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)橫裝，即將其安裝角度旋轉(zhuǎn)90°，平行于水平面，如圖4所示。 ②蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間安裝隔熱墊和支架，將蝶閥與氣缸分離，支架上下表面增添耐高溫隔熱墊，如圖5所示。③將電磁閥等空氣過濾裝置移至溫度較低處，遠(yuǎn)離蝶閥熱空氣管道，并且加長儀表氣體的供氣管道，如圖6所示。

圖4 蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)橫裝

圖5 隔熱墊與支架的安裝

圖6 電磁閥與蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)分離

5、結(jié)論

　　(1)各處空氣管道氣缸的溫度均有所下降。統(tǒng)計(jì)該空氣管道的蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要部位的溫度檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度降低23.3～28℃。蝶閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作溫度均在120℃(最高耐溫值)之下。

　　(2)各處空氣管道蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其配備的電磁閥故障率下降幅度明顯。其中，氣缸故障率降低98.4%，電磁閥故障率降低89.7%。