（化工过程机械专业论文）三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化.pdf

t h e t o r q u ec a l c u l a t i o na n do p t i m a la n a l y s i so ns t r u c t u r eo f t r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e l i n gx i a o at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m c h e m i c a lp r o c e s se q u i p m e n t i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o 蹦 s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry u s h u r o n g m a y , 2 0 1 1 - 、二、 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：次刎 日期：纱“年午月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 遗咖 锄缘 日期：z o f f 年中月乙f 日 日期：洲年了月二日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 蝶阀概况1 1 1 1 蝶阀的优越性1 1 1 2 蝶阀的结构形式2 1 1 3 蝶阀的阻力系数4 1 1 4 蝶阀的流量特性5 1 2 课题的提出5 1 2 1 三偏心蝶阀的发展现状5 1 2 2 课题研究的意义6 1 2 3 课题研究的主要内容6 1 3 课题研究的可行性分析7 1 4 小结8 第2 章三偏心蝶阀结构的计算分析9 2 1 三偏心蝶阀的结构特点9 2 2 偏心角的计算9 2 3 轴向偏心距和径向偏心距的计算1 0 2 4 蝶板厚度的计算11 2 5 蝶板所在圆锥锥度的计算1 2 2 6 小结1 2 第3 章三偏心蝶阀密封副的结构及干涉分析1 3 3 1 蝶阀密封副的结构形式1 3 3 1 1 强制密封蝶阀的密封副结构1 3 3 1 2 充压密封蝶阀的密封副结构15 3 1 3 自动密封蝶阀的密封副结构1 6 3 2 蝶阀密封副干涉的判别方法1 6 3 3 小结18 第4 章三偏心蝶阀蝶板平行截面的计算分析1 9 4 1 沿蝶板厚度任意平行截面的性质1 9 4 2 沿蝶板厚度任意平行截面的几何方程2 0 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 4 3 蝶板几个主要平行截面的几何参数关系2 2 4 4 沿蝶板厚度任意平行截面的极坐标方程2 3 4 5 小结2 4 第5 章三偏心蝶阀蝶板密封面的摩擦力矩计算2 5 5 1 蝶板密封面的受力分析2 5 5 2 蝶板密封面的摩擦力矩计算2 6 5 2 1 蝶板在关闭瞬间2 6 5 2 2 蝶板在开启瞬间2 8 5 3 实例计算分析3 0 5 4 三偏心参数对摩擦力矩的影响3 0 5 5 小结3 2 第6 章三偏心蝶阀阀杆扭矩的计算分析3 3 6 1 轴承处的摩擦力矩3 3 6 2 静水力矩3 3 6 3 填料对阀杆的摩擦力矩3 4 6 4 密封副之间的压力产生的力矩3 4 6 4 1 单位正压力产生的力矩3 4 6 4 2 单位正压力引起的摩擦力产生的力矩j 3 5 6 5 阀杆扭矩的计算公式3 5 6 5 1 蝶板在关闭瞬间3 5 6 5 2 蝶板在开启瞬间3 6 6 6 实例计算分析3 7 6 6 1 阀杆扭矩计算公式的可靠性3 7 6 6 2 三偏心参数对阀杆扭矩的影响3 8 6 7 小结4 0 结论4 1 参考文献4 2 致j 射4 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录4 7 硕士学位论文 摘要 三偏心金属密封蝶阀因其温度压力适用范围广，可实现“零泄漏密封，近 年来得到迅猛发展。但是三偏心蝶阀的启闭运动是一个复杂的三维空间运动轨 迹，要求蝶板与阀座在开启与关闭过程中无干涉，密封比压分布相对均匀。迄今 为止国内尚未对其进行系统的研究及合理规范的设计计算，致使三偏心蝶阀的发 展及应用受到一定程度的限制。 本文阐述了三偏心蝶阀的结构，推导出沿蝶板厚度任意截面的几何方程并对 其性质进行了分析。结果表明，沿蝶板厚度的平行截面轮廓线为标准的椭圆形， 进而推导出了蝶板几个主要截面几何参数之间的关系。 本文对三偏心蝶阀蝶板在关闭瞬间和开启瞬间分别做了受力分析，并推导出 在这两种工况下摩擦力矩和阀杆扭矩的计算公式。 本文对三偏心蝶阀蝶板密封面的摩擦力矩的计算公式作了推导并进行了定 性的分析。结果表明，三偏心蝶阀的轴向偏心距对蝶阀的摩擦力矩影响不大，几 乎成水平直线：径向偏心距与摩擦力矩近似成正比；角偏心与摩擦力矩近似成反 比。 本文还对三偏心蝶阀的阀杆扭矩公式作了推导并进行了计算验证。结果表 明，径向偏心距与阀杆扭矩近似成正比，而轴向偏心和角偏心对阀杆扭矩的影响 不大。 关键词：三偏心蝶阀；轴向偏心；径向偏心；角偏心；摩擦力矩；阀杆扭矩 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l u ew a sd e v e l o p e dr a p i d l yf o ri t s w i d er a n g eo ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，a n dt w o w a y ”z e r ol e a k a g e ”i t so p e n i n g a n dc l o s i n gm o v e m e n ti sac o m p l e xt h r e e - d i m e n s i o n a l t r a je c t o r y , r e q u i r e dn o i n t e r f e r e n c ew i t ht h e b u t t e r f l y d i s ca n dv a l v e s e a t ，a n ds e a l i n gp r e s s u r e h o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o n s of a rt h e r ei s n ts y s t e m a t i c a lr e s e a r c ha n ds t a n d a r d d e s i g n ，b r o u g h ta b o u tt h el i m i t a t i o no ft h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ei ni t s d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nt oag r e a te x t e n t t h ep a p e ra n a l y z e dt h es t r u c t u r eo ft h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ea tl e n g t h ， d e f i n e dt h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e ，a n de d u c e dt h eg e o m e t r yf u n c t i o na n di t s c h a r a c t e r i s t i ca b o u tt h es e c t i o no ft h eb u t t e r f l yd i s c t h er e s u l t si n d i c a t e ：t h ep a r a l l e l c o n t o u rl i n ea c r o s sb u t t e r f l yd i s ct h i c k n e s si sn o r m a le l l i p s e ，t h e r e b ye s t a b l i s h e d f u n c t i o nr e l a t i o n sb e t w e e ni t s g e o m e t r yp a r a m e t e r s o fp r i m a r ys e c t i o n so ft h e b u t t e r f l yd i s ca n dt h et r i p l ee c c e n t r i c i t y t h ep a p e ra n a l y z e dt h ef o r c eo ft h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ed i s cw h e ni t o p e n e da n dc l o s e d ，d e d u c e dt h ec o m p u t a t i o nf o r m u l ao ft h ef r i c t i o nm o m e n ta n dt h e s t e mt o r q u eu n d e rt h et w os i t u a t i o n s t h ep a p e rd e d u c e dt h ef r i c t i o nm o m e n to ft h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e a n dg a v ei taq u a l i t a t i v ea n a l y s i s t h er e s u l t si n d i c a t e d ：f o rt h et r i p l ee c c e n t r i c b u t t e r f l yv a l v ew i t ht h es a m ec a l i b e r ，t h ea x i se c c e n t r i c i t ye f l e e t e do nt h ef r i c t i o n m o m e n tm i n u t e l y ；t h ef r i c t i o nm o m e n tw o u l di n c r e a s ew i t ht h er a d i a l e c c e n t r i c i t y i n c r e a s i n g ；t h e f r i c t i o nm o m e n tw o u l dd e c r e a s ew i t ht h e a n g l ee c c e n t r i c i t y i n c r e a s i n g t h ep a p e ra l s od e d u c e dt h es t e mt o r q u eo ft h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e t h er e s u l t si n d i c a t e df o rt h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ew i t ht h es a m ec a l i b e r , t h es t e mt o r q u ew o u l dd e c r e a s ew i t ht h eb u t t e r f l yd i s ct h i c k n e s si n c r e a s i n g ；t h es t e m t o r q u ew o u l di n c r e a s ew i t ht h e r a d i a le c c e n t r i c i t yi n c r e a s i n g ；h o w e v e r , t h ea x i s e c c e n t r i c i t ya n da n g l ee c c e n t r i c i t ye f f e c t e do nt h es t e mt o r q u em i n u t e l y k e yw o r d s ：t r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e ；a x i se c c e n t r i c i t y ；r a d i a le c c e n t r i c i t y a n g l ee c c e n t r i c i t y ；f r i c t i o nm o m e n t ；s t e mt o r q u e 硕士学位论文 第1 章绪论 阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、稳压、分流和 溢流泄压等功能。从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门， 其品种和规格繁多。阀门的公称通径从极微小的仪表阀大至通径达l o m 的工业 管路用阀，其工作压力可从o 0 0 1 3 m p a 的超低压到1 0 0 0 m p a 的超高压，工作温 度从2 6 9 的超低温到1 4 3 0 的高温。我国的国民经济以工业为主导，无论是 矿山、钢铁厂、炼油厂、发电厂、化工厂都有许多水、蒸汽、空气、油类和其它 腐蚀性介质的管道，要发展工业，阀门是不可缺少的设备之一。新兴发展起来的 合成橡胶、合成塑料和合成纤维更离不开阀门，所以阀门对促进国民经济的发展 起着很大的作用。 随着科学技术的进步和产品的更新，工业阀门的需求已发生明显的变化，约 占阀门总量8 0 以上用于控制管道介质的闸阀、截止阀、节流阀、球阀等阀门 品种中，蝶阀以其结构简单、流量大、启闭灵活、使用范围广等优点，被广泛应 用，并已从低压供水，发展到高温高压、耐磨、耐腐蚀等领域，在石化、冶金、 矿山、轻纺、能源等系统中，大量的通用切断和调节类阀门已被金属硬密封蝶阀 所取代。随着蝶阀的广泛应用，对蝶阀的要求也更加苛刻。 目前我国阀门行业各生产厂家逐步加大科研和开发力度，但产品技术落伍， 生产的阀门仅能满足市场要求的7 0 左右，造成这样的结果就是因为没有技术 竞争力的产品出现。随着我国经济的不断发展，市场经济的不断完善，用户对高 性能蝶阀的需求越来越高，在城建系统、环保系统、天然气系统、原油、石化、 水利等各系统中都有待开发试制出高质量的阀门，这就需要阀门行业，以及各行 业的不断努力，不断创新，开发出更高质量的产品来满足市场庞大的需求。 1 1 蝶阀概况 1 1 1 蝶阀的优越性 蝶阀是指关闭件( 阀瓣或蝶板) 为圆盘，围绕阀轴旋转来达到开启与关闭的 一种阀门，在管道上主要起切断和节流用。蝶阀结构简单、体积小、重量轻，只 由少数几个零件组成，而且只需要旋转9 0 0 即可快速启闭，操作简单。蝶阀处于 完全开启位置时，蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力，因此通过该阀门所产 生的压力降很小。同时该阀门具有良好的流体控制特性，当开启度在大约1 5 0 至 7 0 0 之间时，又能进行灵敏的流量控制j 。 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 与其他几种常用的阀门相比，蝶阀具有如下的优越性： ( 1 ) 蝶阀重量轻。例如，一个公称通径2 5 0 m m 的的蝶阀重2 5 堙，而一个 2 5 0 m m 的铸铁闸阀重量就高达2 2 0 k g 。对于整个管道系统来说，采用蝶阀所节省 的材料费用就非常可观。此外，管道系统越重，就要求管道支撑基座要坚固，因 此导致整个管道系统更加昂贵。所以考虑到阀门的重量，就能够节约整个管道系 统的成本。 ( 2 ) 蝶阀所占的空间大约是同等尺寸闸阀的1 6 。例如：公称通径2 5 0 m m 的蝶阀大约是5 3 0 m m 高，而公称通径2 5 0 r a m 的闸阀则高达l0 9 0 m m 。 ( 3 ) 操作简便。蝶阀从开启到关闭只需要旋转9 0 0 ，而闸阀和截止阀需要 旋转很多圈才能将阀门从开启状态转变为关闭状态。 ( 4 ) 成本相对较低。一个蝶阀的成本通常只有铸铁闸阀的4 0 ，不但购买 成本低，而且安装成本也比较低。 由于蝶阀拥有如上的优势，所以在许多控制领域，蝶阀成了首选。在如下场 合，推荐使用蝶阀： ( 1 ) 要求节流、调节控制流量： ( 2 ) 泥浆介质及含固体颗粒介质； ( 3 ) 要求阀门结构长度短的场合； ( 4 ) 要求启闭速度快的场合； ( 5 ) 压差较小的场合。 1 1 2 蝶阀的结构形式 蝶阀的卓越性能与其自身不断地演变、改进、发展密切相关。为满足各种工 况要求，蝶阀先后经历了从中线蝶阀向单偏心蝶阀、双偏心蝶阀和三偏心蝶阀的 演变t 2 - 6 】。 1 1 2 1 中线蝶阀 如图1 1 ( a ) ，该种蝶阀的结构特征为阀杆中心、蝶板中心、阀体中心在同一 位置上，结构简单，制造方便。缺点是蝶板与阀座始终处于挤压、刮擦状态，阻 力矩大、磨损快。为克服挤压、刮擦，保证密封性能，阀座基本上采用橡胶或聚 四氟乙烯等弹性材料，但也因此在使用上受到温度的限制。 1 1 2 2 单偏心蝶阀 为解决中线蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题。由此产生了单偏心蝶阀，如图 1 1 ( b ) 。其结构特征为阀杆轴心移出了蝶板中心，从而使蝶板上下端不再成为回 转轴心，分散减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压。但单偏心结构在阀门的整个 开关过程中蝶板与阀座的刮擦现象并未完全消失，在应用范围上和同心蝶阀大同 2 硕士学位论文 小异、故采用不多。 1 1 2 3 双偏心蝶阀 在单偏心蝶阀的基础上进一步改良成型的就是目前应用比较广泛的双偏心 蝶阀，如图1 1 ( c ) 。其结构特征为阀杆轴心既偏离蝶板中心，又偏离阀体中心。 双偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅速脱离阀座，大幅度地消除了蝶板与阀座 的不必要的过度挤压、刮擦等现象，减轻了开启力矩，降低了磨损，提高了阀座 寿命。 刮擦的大幅度降低，同时还使得双偏心蝶阀也可以采用金属阀座，提高了蝶 阀的适用温度，但因为其密封原理属于位置密封构造，即蝶板与阀座的密封面为 线接触，通过蝶板挤压阀座所造成的弹性变形产生密封效果，故对关闭位置要求 很高( 特别是金属阀座) ，承压能力较低，这就是为什么传统上人们认为蝶阀不 耐高压、泄漏量大的原因。 当蝶板处于关闭阀位时，在密封压差p 一定的条件下，蝶板上介质压力与 密封半径( 即蝶板中性面半径) 的平方成正比。阀轴承受的偏置力矩数倍于阀座 的摩擦力矩。这对阀轴强度和执行机构驱动力提出了很高的要求，限制了蝶阀性 能的进一步提高，特别是在使材料强度大幅度下降的高温工况中，双偏心密封结 构更是受到限制。 a ) 中线蝶阀b ) 单偏心蝶阎c ) 双偏心蝶阀 图1 1 三种蝶阀的结构简图 刀厂阀体通道轴线；? 1 2 一过旋转轴心的直线：产密封面运动轨迹； r 径向偏心距；r 轴向偏心距；卜蝶板厚度 1 一阀杆；2 一蝶板；3 一弹性阀座；4 一压盖；5 一阀体 1 1 2 4 三偏心蝶阀 要耐高温必须使用硬密封，但泄漏量大；要零泄漏必须使用软密封，却不耐 高温。为克服双偏心蝶阀这一矛盾，又对蝶阀进行了第三次偏心。其结构如图 1 2 所示。其特征为在双偏心的阀杆轴心位置偏心的同时，使蝶板密封面的圆锥 型轴线偏斜于本体圆柱轴线，即经过第三次偏心后，蝶板的密封断面不再是圆形， 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 而是椭圆形，其密封面形状也因此而不对称，一边倾斜于本体中心线，另一边则 平行于本体中心线。 第三次偏心的最大特点就是从根本上改变了密封构造，不再是位置密封，而 是扭力密封，即不是依靠阀座的弹性变形，而是完全依靠阀座的接触面压来达到 密封效果，因此解决了金属阀座零泄漏这一难题，并因接触面压与介质压力是成 正比的，耐高压高温也迎刃而解，从而使三偏心蝶阀的密封性能和使用寿命得到 了很大的提高叫j 。 图1 2 三偏心蝶阀结构简图 1 一蝶板；2 一阀座；3 一阀体；4 一阀轴 在图1 2 中，e 为蝶板厚度，c 为轴向偏心距，p 为径向偏心距，9 为偏心角， p 为蝶板所在圆锥的半锥角。 1 1 3 蝶阀的阻力系数 阀门的阻力系数是指阀门全开时的阻力系数。电站锅炉水动力计算方法 j b z 2 0 1 8 3 曾对电站常用阀门的阻力系数给出了推荐值：闸阀为o 1 5 0 8 ； 截止阀为4 5 7 ；止回阀为7 。但该标准尚无中压蝶阀的阻力系数推荐值。通过 对首台国产中压蝶阀的阻力系数的测定，文献 1 2 】给出了蝶阀的阻力系数，试验 测得，蝶阀全开时的前后压差为0 4 9 m 水柱，此时的流速为3 0 3 l m s ，计算所得 的阻力系数为1 0 5 。对该值的可靠性可作如下分析【1 0 - 14 1 ： ( 1 ) 从阀门的结构分析，蝶阀的阻力系数值应在截止阀和闸阀之间，小于 截止阀，但大于闸阀。 ( 2 ) 有关资料推荐，低压蝶阀的阻力系数均在1 以下，过去的有关试验曾 测得最大的阻力系数为o 9 7 2 。中压蝶阀的蝶板较厚，阀杆也较粗，在阀门全开 时蝶板和阀杆所占去的流通面积也较大，因而其阻力系数也相应增加，而1 0 5 符合这一推理。 由此可得出一般规律，低压蝶阀的阻力系数在截止阀和闸阀之间，小于截止 4 一 = l 一 ， 一 ，二 ，l广擎 硕士学位论文 阀，但大于闸阀且均在l 以下：中压蝶阀的阻力系数约为1 0 5 。 1 1 4 蝶阀的流量特性 虽然蝶阀具有一定的流量调节特性，但并不像调节阀那样在全行程内具有调 节特性。在研究蝶阀的调节特性时，需要弄清楚具有调节特性的开度范围和该开 度范围内的调节特性曲线，图1 3 是d , v 2 5 0 中压蝶阀的流量特性曲线【1 5 1 7 1 。 文 h 菩 裔 - _ 耀 霞 霉 ， 一 ， l | i ， ? ， 帽对开厦9 中麓zx 图1 3d m 2 5 0 m r n 中压蝶阀的流量特性试验曲线 从图1 3 可见，蝶阀开度从0 - 5 5 ，流量为零，这是因为蝶板有一定厚度， 该开度范围内蝶板还未完全脱离阀座密封圈。开度达到5 5 以上，蝶板完全脱 离了密封圈，随着开度增大，流量相继上升。蝶阀的相对开度在5 5 6 0 以 下具有流量调节特性。其中相对开度在5 5 - - - , 4 0 范围内具有直线流量特性， 其数学表达式为： 掣= k ( 1 1 ) d ( 缈7 止) 一 相对开度在4 0 7 0 范围内具有快开流量特性，其数学表达式为： 器碧瑙( q ) - l 2 ， 上述两式中q 和97 分别为蝶阀的流量和开度；k 为蝶阀起调节功能时的放 大系数。k 值越大，曲线越陡，也就是蝶阀起流量调节功能的范围越小；反之， 则调节功能的范围越大。相对开度7 0 1 0 0 己无调节作用d 8 】。 1 2 课题的提出 1 2 1 三偏心蝶阀的发展现状 工业技术的飞跃发展对蝶阀提出了更苛刻的要求，普通软密封蝶阀己经不能 适应一些特殊工况。近年来金属密封蝶阀由于能够适用于较高的工作压力和工作 温度，最高使用温度达到7 0 0 ，最高使用压力达4 o m p a ，因而得到了迅速的 5 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 发展，出现了各种不同、各具特色的结构形式，其中最具代表性的是三偏心结构， 大多数金属密封蝶阀产品都采用了这种结构【1 9 - 2 1 1 。 三偏心蝶阀自问世以来，为满足日益严酷的工况要求，其本身也经历着自我 完善和不断发展的过程，即便最基本的零泄漏，理论上三偏心蝶阀都可以做到， 但实际上还是有赖于周密的设计、精密的制造。 3 0 年代，美国发明了蝶阀，5 0 年代传入日本，到6 0 年代才在日本普遍采用。 例如日本巴阀株式会社的三偏心蝶阀t r i t c c 的耐温低至1 9 6 、高温达7 0 0 ， 密封基本达到零泄漏，调控比高达1 0 0 ：1 以上。也就是说，在各种严酷、关键的 过程控制管线上，不论是开关阀还是调控阀，只要选型得当都可以使用蝶阀；还 有美国的m a r k 公司，f i s h e r 公司，加拿大的s c o r e 等公司的金属硬密封蝶 阀不论是质量还是性能都达到了很高的水平，并在各自的国内市场得到了广泛的 应用。而三偏心蝶阀是8 0 年代引入我国的，国内制造厂从测绘和样品仿制入手 开始研制，初期只有少数厂家在仿制三偏心金属密封蝶阀，但在一些要求高的场 合中还是主要采用进口蝶阀，其原因是国产蝶阀达不到质量和性能要求。采用进 口蝶阀虽然能满足要求，但价格十分昂贵。 1 2 2 课题研究的意义 自7 0 年代国外发明三偏心蝶阀以来，由于其具有启闭力矩小，密封性能好， 抗磨损，使用寿命长等优点，在工业生产中得到了非常广泛的用途。然而我国对 于三偏心蝶阀的设计制造，仍然有一些关键技术没有掌握，迄今尚缺乏对它进行 系统的力学特性研究，三偏心蝶阀的实际运行状况还不尽理想与此也不无关系。 本课题试图从蝶板在关闭瞬间或开启瞬间，对蝶阀密封面进行力学分析，推导出 三偏心蝶阀的摩擦力矩和阀杆扭矩的计算公式，并分析其与三偏心蝶阀三个偏心 值之间的关系，此举对蝶阀驱动力矩的选取和结构的优化都有着重大的意义，有 利于国内在该类蝶阀方面的自主创新。 1 2 3 课题研究的主要内容 本课题所要研究的内容包括以下几点： ( 1 ) 结构分析： 根据三偏心蝶阀的结构特点和几何关系，推导出沿蝶板厚度方向任意平行截 面的方程及其性质，并分析三偏心蝶阀几何参数之间的关系。 ( 2 ) 力学分析： 在三偏心蝶阀的蝶板开启或关闭瞬间，通过对蝶板密封面的受力分析，推导 出三偏心蝶阀的摩擦力矩以及阀杆扭矩的计算公式，并分析摩擦力矩和阀杆扭矩 与三偏心蝶阀三个偏心值之间的关系。 6 硕士学位论文 1 3 课题研究的可行性分析 ( 1 ) 经济上的可行性： 由于蝶阀具有结构紧凑，操作灵活，密封比较可靠以及可调节流量等优点， 受到广大用户的青睐。来自中国城镇供水协会科技委管道专业委员会对部分阀 门制造厂家的考察报告的信息，现将返回信息的2 0 家自来水公司中，对阀门 选型的意见汇总如表1 1 ： 表1 1 考察报告 由表可见，在大口径阀门的选择上，人们更倾向于蝶阀。而三偏心蝶阀不仅 继承双偏心蝶阀的优点，而且拓宽了它的使用范围，也适用于中小口径管道中， 所以三偏心蝶阀的研究和开发具有广阔的市场前景。 ( 2 ) 理论上的可行性： 由于三偏心蝶阀的密封面为斜置锥形，蝶板与阀座的接触为面接触，这样可 保证蝶板上各点的密封正压力分布相对较均匀。图1 4 为在给定初始参数后所绘 出的三偏心蝶阀蝶板密封表面上的压力角的变化曲线弘，该压力角是指蝶板密 封表面上点的运动方向与该点的受力方向之间所夹的锐角。从图中可以看出，压 力角在o o - - - 3 6 0 0 的圆周上变化比较均匀，是一条比较平缓的曲线，故三偏心蝶 阀能够在3 6 0 0 的圆周上保证密封。同时在最小压力角大于由密封材料所决定的 摩擦角的条件下，就会杜绝二者之间相互夹持卡塞的现象。 t x 曦 r 幽 - 1 8 0 9 0 ao 蠹9 0 0 q 9 0 p 6 0 | d 3 0 a o 图1 4 圆周方向压力角变化曲线 ( 3 ) 技术上的可行性： 最近几年来，随着工业化的发展，三偏心蝶阀越来越多的被使用在各种管路 中，很多科研机构对三偏心蝶阀都进行了一系列的研究，发表了一些关于三偏心 7 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 蝶阀计算和优化的文章，我们可以借鉴这些经验做一些更深入的研究，并且以我 们现有的试验设备，可对所设计的三偏心蝶阀作进一步的检测与性能试验。 1 4 小结 介绍了三偏心蝶阀的优点、结构、流量特性、阻力系数以及国内外的发展现 状。阐述了课题的意义、研究内容和可行性。随着工业化的发展，三偏心蝶阀 在中高压流体系统得到了广泛的应用。本课题从蝶阀的密封副结构，运动学以及 力学分析入手，优化三偏心蝶阀的结构设计参数，对于提高三偏心蝶阀的整体性 能，实现自主创新等方面有着重大意义。 8 硕士学位论文 第2 章三偏心蝶阀结构的计算分析 2 1 三偏心蝶阀的结构特点 三偏心蝶阀的结构见图1 2 ，三偏心蝶阀主要是由蝶板，阀座，阀体，阀轴 四部分组成弘川，其三个偏心是指： ( 1 ) 蝶板的回转中心日相对于蝶板中心存在轴向偏心距c ： ( 2 ) 蝶板的回转中心日相对于蝶板中心存在径向偏心距e ； ( 3 ) 蝶板锥面轴线与阀体通道轴线成一个角偏心9 。 三偏心蝶阀的结构特点是在双偏心蝶阀的基础上再增加一个倾角，经过最优 化设计可以使密封副的摩擦力进一步下降，采用面密封的结构使接触应力分布均 匀、密封更加可靠。 近年来三偏心金属密封蝶阀得到迅速的发展，但是作为一种新产品，它在技 术上还不成熟，主要原因是在启闭过程中蝶板的空间运动轨迹十分复杂，而在实 际设计过程中难免有误差出现，蝶板与阀座发生干涉而导致打不开的现象时有发 生，所以在金属硬密封蝶阀的设计中，三个偏心值的确定尤为重要。 2 2 偏心角的计算 如图2 1 所示，0 为蝶板中性面椭圆的几何中心，过0 点的阀体通道轴线定 为x 轴，方向向左，以0 点为坐标原点，建立平面直角坐标系【2 4 3 们。则可以求 得o p d 与圆锥高线的夹角为7 = 咖2 秒t 觚缈) 。 图2 1 三偏心蝶阀设计原理图 9 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 由上图所示的几何关系可以求得p o ( x o y o ) 点的坐标为： xo= 2 4 + ( c 一詈) 【州秒+ 9 ) + t a n ( o 一训 t a i l ( 乡+ 缈) + t a i l ( 0 一缈) 4 堂t a n ( 0 等等t a n ( 0 塑- e ) 一旦2 协( 伊+ 力 1 + 伊) + ” 7 因为直线o p d 的斜率为： | j = t a n q ，：y o 将x o ，y o 的坐标值代入( 2 2 ) 式并整理的得： t a n q ，= 2 4 t a n 0 一e t a i l 2 眦( c 一罢) 2 4 t a n 30 2 一e ) t a n 20 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：a 厂一一蝶板中性面椭圆长半轴，m m 。 综上，只要给定彳j ，0 ，c 以及蝶板厚度e ，就可以选择出偏心角伊的适宜 值【3 1 1 。 2 3 轴向偏心距和径向偏心距的计算 硕士学位论文 由图中的几何关系可得径向偏心口应满足： 0 p 导 ( 2 4 ) 式中：彳广一蝶板中性面椭圆长半轴，t r i m 。 在蝶板开启和关闭过程中，为防止其与阀体发生干涉，则有： 匿竺璺= = ! ：二竺： 扣5 ， 肛争肾詈嘶训叫2 生2 p 式中：a 厂一蝶板中性面椭圆长半轴，m m ； e 一一蝶板厚度，f i l m ； r 一轴向偏心，m m ； p 一一径向偏心，扰掰； d 厂一蝶板通径，y m ： 7 = a r e m n ( t ：a n 20 t a n 纠。 回转中心与b ，f 端点的连线的斜率则满足： ， ( 2 6 ) 因为x m c ，x 胃，砌为点h ，m 的横坐标，则： - t a n ( e 一缈) + e s c c ( 秒一缈) c 3 2 4r a n ( 秒+ 纠一詈s e c 2 ( p + 伊) ( 2 7 ) 设三偏心蝶阀的阀杆直径为d ，为使蝶板密封表面是一个完整连续的锥面， 则轴向偏心距c 还应满足下面的不等式： 挝( c 一争 ( 2 8 ) 综上，三偏心蝶阀的轴向偏心距c 和径向偏心距p 的取值由式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、 ( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 来确定。 2 4 蝶板厚度的计算 蝶板厚度f 的计算式为【3 3 1 ： e = 0 0 5 4 d r 刹日 ( 2 9 ) 式中：d 厂一蝶阀通径，m t t l ； 月- - 一考虑到水击升压的介质最大静压水头，所； h = 1 0 0 ( p n + a p ) 式中：尸? 、7 二一阀门的公称压力，m p a ： 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 p 一一由于蝶板的快速关闭，在管路中产生的水击升压值，m p a ； a p 可近似按照下式计算： p ：4 0 0 q 彳f 式中：q 一一体积流量，加锄； 彳一一阀座通道截面积，m m 2 ； 卜一蝶板从全开到全关所经历的时间，s 。 2 5 蝶板所在圆锥锥度的计算 蝶板所在圆锥锥度的大小与密封材料的摩擦系数矗有关，为了使阀门在关 闭位置时实现自锁，根据机械原理可知： t a n 2 0 = 厶 ( 2 1 0 ) 可以根据密封材料的摩擦系数名计算出蝶板的锥度2 0 ，然后根据实际情况 选择合理的锥度。 2 6 小结 阐述了三偏心蝶阀的概念以及结构特点，并对三偏心蝶阀的主要参数进行了 设计计算。但是，以上只是做了一个定性的分析，三偏心蝶阀的主要参数的选择， 还要结合三偏心蝶阀蝶板和阀座之间不发生干涉的条件来具体分析。 1 2 硕士学位论文 第3 章三偏心蝶阀密封副的结构及干涉分析 阀门的种类繁多，蝶阀是应用最广的阀门之一。为适应现代工业的高参数化， 近年来三偏心蝶阀得到迅速的发展，但是作为一种新产品，它在技术上还不成熟。 主要原因是在启闭过程中蝶板的空间运动轨迹十分复杂，而在实际设计过程中难 免有误差出现，蝶板与阀座发生干涉而导致打不开的现象时有发生，所以在三偏 心蝶阀的设计中，密封副的设计尤为重要【j 耳。 3 1 蝶阀密封副的结构形式 3 1 1 强制密封蝶阀的密封副结构 强制密封蝶阀是指关闭时，靠一定的过盈量在阀座与蝶板密封面之间形成密 封比压。其中金属密封副的结构主要有以下几种p ) j ： ( 1 ) 金属对金属刚性密封副。如图3 1 所示，此密封结构的阀座为螺纹施 入式或在阀体上直接加工或堆焊，主要适用于排气、通风、水力发电等泄漏要求 不高的管路系统。 图3 1 金属对金属刚性密封副 ( 2 ) 金属膨胀密封圈。如图3 2 所示，此密封结构的蝶板和密封圈受热后 可径向自由膨胀，密封圈径向膨胀后，使蝶板有轴向位移，主要适用于高温、高 压管路系统。 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 图3 2 金属膨胀密封圈 ( 3 ) 金属环可调节的密封副。如图3 3 所示，此密封结构用调节螺钉来调 节蝶板与阀座之间的配合，主要适用于高温、高压管路系统。 图3 3 金属环可调节的密封副 ( 4 ) 三形金属密封圈。如图3 4 所示，此密封结构的密封圈具有弹性，蝶 板密封面材料为钴基合金，主要适用于工作压力0 6 m p a ，4 0 0 c 高温管路系统。 图3 4l 形金属密封圈 ( 5 ) s 形柔性金属密封圈。如图3 5 所示，此密封结构的密封圈由耐低温不 锈钢制成，主要适用于低温管路系统。 1 4 硕士学位论文 图3 5s 形柔性金属密封圈 ( 6 ) 金属弹性密封圈。如图3 6 所示，此密封结构主要适用于高温( 6 0 0 ) 、 高压管路系统。 图3 6 金属弹性密封圈 3 1 2 充压密封蝶阀的密封副结构 充压密封蝶阀的密封副结构如图3 7 所示。其工作原理是当蝶板旋转至关闭 位置后，向设置于阀座或蝶板上的弹性密封元件内充压，使密封副紧密接触形成 密封。在弹性密封元件充压前，蝶板与阀座密封面存在间隙或微量过盈，因而大 大降低了蝶板的关闭力矩。 蜂饭 锯条 阀体 a ) 充压前有间隙b ) 充压前有微量过盈 图3 7 充压密封蝶阀的密封副结构 1 5 三偏心蝶阀的力矩计算及结构优化 3 1 3 自动密封蝶阀的密封副结构 自动密封蝶阀的密封副结构如图3 8 所示。当蝶板在关闭位置时，密封副之 间有一定的过盈量，以保证初始密封。其密封作用主要是靠介质的压力使蝶板或 阀座上的密封副发生弹性变形，产生足够的密封比压。 形豸 蕊矮 懋蕊 a ) 非金属密封b ) 金属密封 图3 8 自动密封蝶阀的密封副结构 3 2 蝶阀密封副干涉的判别方法 如图3 9 和3 1 0 所示，设坂x ，只z ) 是蝶板密封表面上的任一点，m n 是蝶板回 转中心轴线，尸过m 点且与回转轴线m n 垂直的平面，b i a 2 和b 2 a s 为蝶板的两 端面的长轴，乃乃为蝶板的中性面的长轴，蝶板的厚度为e ，三偏心值分别为c ， p ，3 6 4 3 】。 图3 9 圆锥的旋转及平面与圆锥的相交曲线 1 6 硕士学位论文 图3 1 0 相交曲线和运动轨迹的投影 此时蝶板与阀座两密封面完全接触，处处贴合。由于蝶板的启闭是可逆的过 程，即蝶板若能从阀座中自由脱离，也能自由进入阀座。不妨假设蝶板处于关闭 状态，现将蝶板绕回转轴线聊刀顺时针旋转a 角，如果在蝶板旋转过程中无任何 干涉，则表明该回转中心的位置是适宜的。 m 为蝶板密封表面上任一点，由于m 点绕回转轴线旋转的轨迹是圆，过m 点且与回转轴线坍甩垂直的平面尸截交阀座密封表面，所得的交线为双曲线一个 分支上的两段，即图中m m 2 和m 2 ，而m 点所在的轨迹圆必然也在尸平面内， 故只需比较m m i 和m m 2 两曲线间的位置情况，若m m i 曲线始终位于m m 2 曲线 下方，则m 点在旋转过程中不会与阀座密封面发生干涉，否则干涉就会发生。 而在比较两曲线m m i 和m m 2 的位置时，可以分别将两者沿z 轴方向和】， 轴方向划分若干个等单元，这样便将蝶板与阀座密封表面网格化，只需比较两曲 线上各个对应网格点的】，向坐标即可。如果m 点位于回转轴线m n 的上方，设 尬为m 点顺时针旋转a 角后所得到的点，m 2 是阀座密封面上的点且它的x 与z 向坐标均与m i 点相等，晒点l ，向坐标小于尥点l ，向坐标，则m 点在此旋转过 程中无干涉现象，否则就会出现干涉现象。如果点m 位于回转轴线m n 的下方， 同样可以判断出它的干涉情况。 此外，我们还可以通过计算蝶板启闭性能指示角来判断密封副是否发生干 涉。建立蝶板运动关系如图3 1 1 所示，坍为蝶板密封面上任意一点，d j 为阀杆 旋转中心，v 为聊点绕0 j 旋转运动时的速度方向，p 是运动方向与m 点切线的 夹角，即该点的启闭性能指示角。通过求所点的启闭性能指示角，判断其干涉 情况。当0 0 时，密封副不发生干涉；0 口时方程才表示一个封闭的椭圆。该椭圆方程的标 准形式为： k c o s p s i n 2 、2 “一丽百动) k 2s i n 2p c o s 2o s i n 2 乡 ( c o s 20 一c o s 2 ) 2 + k 2s i n ：丘f l s i n 2 0 = l c o s 2p c o s 2 4 2 沿蝶板厚度任意平行截面的几何方程 ( 4 4 ) 如图4 2 所示，b d g f 为三偏心蝶阀的蝶板，圆锥底面中