閘閥是一種主要用于截斷或接通介質流動的閥門，常見于高溫高壓和大口徑管道，廣泛應用于石油、化工、電力、水處理、冶金等工業(yè)領域，作為管道系統(tǒng)中的重要啟閉裝置。針對工業(yè)生產(chǎn)等工作場景中的閘閥，研究學者進行了大量的研究。
閘閥作為管路系統(tǒng)的關鍵啟閉元件，可以用于截斷管路兩端的介質。因此，在深海動物保壓轉移的工作場景中，閘閥可以發(fā)揮關鍵的作用。
在深海生物的采樣與轉移過程中，維持其原生環(huán)境壓力是確保生物存活和后續(xù)研究可靠性的關鍵。深海動物長期適應高壓環(huán)境，一旦驟然暴露于常壓條件，其細胞結構和生理功能會遭受不可逆損傷。因此，保壓轉移技術成為深海生物學研究中的重要環(huán)節(jié)，旨在將樣品從深海高壓環(huán)境無損轉移至水面實驗平臺或加壓培養(yǎng)系統(tǒng)中。深海動物保壓轉移的工作環(huán)境需要在此項任務中使用的閘閥具備特殊的性能。在這一技術體系中，閘閥用于在保壓轉移過程中精確控制艙體與外界之間的介質通斷，確保艙體在裝載、運輸、觀察或實驗等各個階段能維持穩(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，用于深海動物保壓轉移的閘閥必須具有耐高壓、高密封性和大通徑的特質。
針對這一需求，本課題組研制出一種深海動物轉移閥門。深海動物轉移閥門使用場景如圖1所示。在使用時，將深海動物轉移閥門的右側通過卡箍與培養(yǎng)裝置相連，將其左側通過卡箍與取樣器相連，對動物培養(yǎng)裝置進行加壓，直至與取樣器相同壓力后，打開轉移裝置的閥板，待取樣器內的生物轉移至動物培養(yǎng)裝置后，關閉閥板。
圖1 深海動物轉移閥門使用示意圖
由于使用時要轉移大生物，閥門需設計為大通徑以方便生物通過，但大通徑會導致閥門開關時阻力大，因此需要設計優(yōu)化更加合理的結構使得閥門啟閉更加簡單省力。本研究基于這一深海動物轉移閥門，研究此類彈簧式自緊密封閘閥動力學仿真的模型建立過程和仿真方法，模擬實際使用過程中開關閥時閥板所需的驅動力，并進一步對閘閥閥板傾斜角度進行優(yōu)化。對于閘閥細節(jié)設計的優(yōu)化，許多學者已經(jīng)進行了大量的研究，方法眾多，徐天池等利用ANSYS有限元分析結合Autodesk Inventor三維建模的方式對大規(guī)格楔式閘閥的結構設計進行了優(yōu)化；謝小青等采用RSM方法（響應面法）對閥板的結構參數(shù)進行了優(yōu)化；廖國域結合泥漿閘閥的結構特點和施工現(xiàn)場的具體情況及問題，對盾構機搭載的泥漿閘閥進行了優(yōu)化設計。在了解到眾多針對閘閥優(yōu)化問題的研究方法并考慮了深海動物轉移閥閥板優(yōu)化問題的特殊性之后，本研究決定采用SolidWorks三維建模與ADAMS動力學仿真結合的方式進行系統(tǒng)研究。
02
模型建立
2.1 轉移閥門工作原理
深海動物轉移閥門詳細結構如圖2所示，其工作原理可簡述為：開啟時，通過轉動閥盤帶動閥桿，從而拖動閥板向上移動開啟閥門，由于閥板本身有角度，在上拉后左閥套會在彈性件的擠壓下向右運動，且始終與閥盤表面保持貼合；關閉時，反向轉動閥盤帶動閥桿向下擠壓閥板關閉閥門，左閥套在側向力作用下向左移動且始終與閥盤表面貼合。此閘閥采用彈簧式自緊密封，在能夠順暢開關的同時，通過彈性件經(jīng)由左閥套對閥板施加壓力，保證其在內部高壓環(huán)境下的密封性，防止因壓力變化而導致活體動物樣本死亡。
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 深海動物轉移閥門整體結構圖
由于彈性件通過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外部極大的壓力差，從而保證內部壓力穩(wěn)定，滿足此動物轉移閥門的密封要求。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，開關閥門時二者之間會產(chǎn)生較大的摩擦力，從而需要對閥桿施加更大的驅動力。閥板表面設計為斜面，在開閥時可以將一部分彈性件的壓力轉化為驅動閥板向上的開閥力，但在關閥時這一部分力會成為阻力。因此，需要在閥門正常工作的范圍內找到一個較為合適的閥板角度，使得開關閥門操作更加便捷。
2.2 簡化模型建立
有關此閥門動力學分析的零部件主要涉及三個部分：以閥體為主體，加上右閥套、閥側蓋等部件組成的固定外殼；以閥板和連桿為主的驅動部分；左閥套和彈性件組成的從動部分。因此，在體現(xiàn)轉移閥工作原理、保證仿真貼近現(xiàn)實的前提下，為了使模型盡量簡潔明了，本文將轉移閥依照三個主要部分劃分，將其簡化為三個零件，并在SolidWorks中建立模型，如圖3所示。簡化模型中，閥板閥套參數(shù)與閥門真實尺寸保持一致，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 轉移閥SolidWorks簡化模型示意圖
03
動力學仿真
3.1 初始仿真模型建立
ADAMS軟件在機械系統(tǒng)靜力學、運動學以及動力學仿真方面具有顯著優(yōu)勢，但其內部建模功能相對較弱。因此，本文在SolidWorks中構建模型后，以Parasolid格式把零件導入ADAMS/VIEW中，然后根據(jù)零件的實際工作情況，在ADAMS/VIEW中添加約束、驅動及荷載等。以關閥模型為例，如圖4所示，模型中固定的閥體為Part1，上下移動的閥板為Part2，左右從動的閥套為Part3。為了模擬閥門聯(lián)動結構的運行情況，在閥套和閥板之間加入彈性件SPRING_1，根據(jù)轉移閥實際使用的彈性件參數(shù)設置450 N的初始擴張力、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 轉移閥ADAMS動力學關閥仿真模型
聯(lián)動結構內部作用力主要有：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。對應這三個力，依次在閥套和閥板之間設置接觸CONTACT_1，根據(jù)Jochem Giesbers在ADAMS中接觸力的研究結果，將靜摩擦因數(shù)設置為0.3，動摩擦因數(shù)設置為0.25；對于平移約束JOINT_2，靜摩擦因數(shù)設置為0.3，動摩擦因數(shù)設置為0.25，產(chǎn)生FRICTION_1；對于平移約束JOINT_3，靜摩擦因數(shù)設置為0.3，動摩擦因數(shù)設置為0.25，產(chǎn)生FRICTION_2。
仿真時，根據(jù)實際情況，給JOINT_3施加向下的1 mm/s的MOTION_1，在CONTACT_1的作用下，閥套向左運動，進一步壓縮彈簧。通過測量MOTION_1產(chǎn)生的反作用力，便可獲得整個運動過程中閥板所需驅動力隨時間的變化情況。
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 模型仿真結果
在關閥操作仿真時，設置仿真總時間為70 s，對應閥板向下運動70 mm，基本可以覆蓋整個關閥過程，仿真類型為Dynamic，積分方式為WSTIFF，誤差設為1E-05。仿真測量結果如圖5所示，關閥時的驅動力初始值約為380 N，隨著閥板插入，驅動力線性升高至500 N左右；開閥時的驅動力初始值約為180 N，隨著時間推移，驅動力線性降低至110 N左右。總體而言，開關閥門時驅動力隨時間呈現(xiàn)出線性降低和增加的趨勢。
圖5 初始模型開關閥驅動力隨時間變化情況
04
結構優(yōu)化
4.1 角度變化對驅動力的影響
當閥門關閉時，閥板受到的阻力主要來源于三部分：第一部分是彈簧彈力作用在閥套后，通過斜面?zhèn)鬟f給閥板形成縱向的分力；第二部分是彈簧彈力通過閥套作用在閥套與閥板的接觸面上，進而產(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。
閥板角度的變化對閥板阻力的影響較為復雜。當角度變大時，彈力分力造成的阻力會變大，同時接觸面上的壓力變大造成摩擦力變大，但角度的變化又導致了摩擦力縱向分力系數(shù)發(fā)生變化；角度變小時則反之。同時，左閥套與閥體之間的摩擦力會影響彈簧彈力向右側的傳遞，左閥套與閥體之間的摩擦力本身又受到閥體推力的影響，這個摩擦力也會影響其他各個作用力，各個力之間呈現(xiàn)出相互影響的復雜關系。
當閥門開啟時，三部分阻力同樣會隨角度變化而變化，無法直觀地判斷出阻力隨角度變化的關系。
為了探究最佳的閥板角度，在SolidWorks中建立了三套對比模型。參數(shù)改動分別為：將閥板最薄處縮短3 mm，最厚處加長3 mm；將閥板最薄處加長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。將這三套模型導入ADAMS中，設置同樣的參數(shù)，并以同樣的方式仿真后，將四組數(shù)據(jù)進行對比。如圖6所示，關閥時的驅動力隨角度增加而增大，而開閥時的驅動力隨角度增加而減小。角度上升時，關閥驅動力變大的幅度大于開閥驅動力變小的幅度，例如角度由7.5°上升至11.9°時，初始關閥驅動力上升60 N左右，初始開閥驅動力下降32 N左右；當角度為0°時，開關閥驅動力一致，約為250 N。
(a)
(b)
(a)關閥驅動力 (b)開閥驅動力
圖6 不同角度下關閥和開閥驅動力對比
4.2 角度優(yōu)化方法
驅動力大小變化情況受閥板角度的影響較為復雜，四組數(shù)據(jù)可以體現(xiàn)出驅動力隨角度變化的趨勢，但并不能充分地說明二者之間的關系，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，對其進行定量分析。關閥時的驅動力與閥板斜面角度關系為：
對閥套進行橫向受力分析，表達式為：
進而得到：
對閥板進行縱向受力分析，表達式為：
再進行橫向受力分析，得到關閥驅動力為：
相似地，開閥時驅動力與閥板斜面角度關系為：
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——關閥所需驅動力，N
Fopen——開閥所需驅動力，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）所需的關閥驅動力隨角度增加而增大，而開閥驅動力隨角度增加而減小，這驗證了圖6的結果。根據(jù)仿真結果，角度增大后，關閥驅動力的增大幅度大于開閥驅動力的減小幅度，因此更小的角度意味著開關閥門做功更少，更加省力，并且開閥與關閥的驅動力差更小，閥門所需的最大驅動力更小，閥門更易使用。當閥板沒有角度、完全水平時，閥門開關最為簡單省力。
然而，閥板角度變化產(chǎn)生的影響較為復雜，且實際使用過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果與現(xiàn)實需要后的更優(yōu)角度。在此彈簧式自緊密封閘閥的使用過程中，關閥驅動力大于開閥驅動力，因此有效地降低關閥時所需最大驅動力(閥門使用所需最大驅動力)是本研究的首要目標。同時，在實際使用過程中，閘閥各零件存在公差，因此左閥套與閥體內壁并非完美滑動貼合，在閥門完全開啟時，左閥套在彈簧力的作用下，以其與閥板的接觸點為支點產(chǎn)生細微旋轉，從而導致左閥套的左下角抵住閥體內壁，產(chǎn)生卡殼。此種情況下，若閥板角度為零，只能對閥套產(chǎn)生向下的作用力，反而加劇卡殼；而設計為斜面的閥板可以對閥套產(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對高壓工作環(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，將轉移閥門使用時所需的最大驅動力由510 N降低至360 N，降低約30%，使轉移閥門開關操作更加簡單省力，并且保留了閥板角度對轉移閥門密封性的增益效果。
圖7 角度優(yōu)化后開關閥門驅動力隨時間變化情況
05
結語
本文針對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，建立了簡化三維模型，并借助ADAMS軟件開展了動力學仿真。通過對比不同閥板斜面角度下的開關驅動力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)閥板角度對操作性能具有顯著影響。在綜合考慮密封性、結構穩(wěn)定性及操作便捷性的基礎上，將閥板斜面角度由7.5°優(yōu)化至4.2°。仿真結果表明，該優(yōu)化不僅降低了閥門使用過程中所需的最大驅動力及開關力差值，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，基于虛擬樣機與動力學仿真的結構優(yōu)化方法能夠為閥門設計提供有效支撐，本研究結果對類似特殊工況閥門的開發(fā)具有一定參考價值。未來可進一步結合多目標優(yōu)化設計方法，探索不同結構參數(shù)之間的耦合效應，引入智能算法或先進材料以提升閥門的可靠性與使用壽命，推動彈簧式自緊密封閘閥在深海裝備及高端工業(yè)領域的工程應用。