（化工过程机械专业论文）基于CNET三偏心蝶阀干涉分析软件的研究.pdf

b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 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 ft 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 a s t e ro fs c i e n c e 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 u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n gx i h e n g a p r i l ，2 0 1 1 一 ， 、 1 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：立毛放日期：。l p f 年f 月巧日 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：亚毛备& 导师签名：勿秀诒 日期：a ，f7 年歹月文多日 日期：幻，年，月订日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章引言1 1 1 课题来源及名称1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 课题名称1 1 2 研究的目的和意义1 1 2 1 研究的目的1 1 2 2 研究的意义1 1 3 三偏心蝶阀的国内外研究现状3 1 3 1 国外发展现状3 1 3 2 国内发展现状3 1 4 三偏心蝶阀结构的演变一4 1 4 1 蝶阀的结构特点。4 1 4 2 蝶阀的几种结构形式一4 第2 章三偏心蝶阀的基本结构分析。7 2 1 三偏心蝶阀结构特点一7 2 2 三偏心蝶阀的结构参数7 2 2 1 蝶板的厚度计算7 2 2 2 径向偏心的估算8 2 2 - 3 轴向偏心的估算一9 2 2 4 蝶板的锥度9 2 3 蝶板的几个主要截面的几何参数之间的关系一9 2 4 参数优化要求10 2 5 小结一1 0 第3 章三偏心蝶阀蝶板密封面几何干涉分析及结构参数优化1 1 3 1 蝶板密封面干涉原理分析1 1 3 2 三偏心蝶阀的运动干涉分析1 2 3 2 1 三偏心蝶阀的运动干涉条件1 2 3 2 2 运动干涉分析1 3 3 3 蝶板的最佳偏心计算1 6 3 3 1 蝶板的锥顶角2 c t 的计算1 6 3 - 3 2 蝶板偏心角y 的计算j 17 3 3 3 轴向偏心日的计算1 7 3 3 4 径向偏心e 的计算一1 7 基t - c 群n e t 三偏心蝶阀干涉分析软什的研究 3 4 本章小结1 7 第4 章三偏心蝶阀干涉分析软件设计1 8 4 1 概述18 4 2 软件开发意义18 4 3 软件开发工具18 4 3 1 n e t 概述18 4 3 2 n e t 框架1 9 4 3 3c 撑n e t 概j 苤一2 1 4 4 干涉软件程序分析2 2 4 4 1 软件界面设计的基本原则和方法2 3 4 4 2 程序界面的设计2 5 4 4 3 运行结果分析3 4 4 5 干涉计算分析示例3 4 4 6 本章小结3 8 第5 章三偏心蝶阀干涉分析软件的验证3 9 5 1 可行性分析3 9 5 2 蝶板的优化设计方案计算3 9 5 3 优化结果分析3 9 5 4 本章小结4 1 全文总结4 2 参考文献。4 3 致谢4 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录4 7 硕+ 学位论文 摘要 自7 0 年代国外发明三偏心金属密封蝶阀以来，由于其具有启闭力矩小、采 用斜锥面密封、密封性好、抗磨损、使用寿命长等优点，在工业生产中的中高压 流体系统得到了非常广泛的用途。从8 0 年代开始引入我国，到目前为止在国内 只有少数厂家能够制造三偏心金属密封蝶阀，但仍然有一些关键技术没有掌握。 如具有复杂空间曲面的密封副设计，不仅制造难度大，而且容易干涉，远达不到 零摩擦、零泄漏以及快关要求。目前我国蝶阀密封副设计方法以经验参数设计为 主，国内还没有关于三偏心蝶阀的结构优化设计软件，许多制造企业都是利用经 验数据和相对简化的计算方法确定三偏心蝶阀的基本数据，很难使产品达到不干 涉、小扭矩和零泄漏的要求。开发三偏心蝶阀的干涉分析软件，是非常重要的。 本文研究了三偏心蝶阀的基本结构，给出了主要的结构参数，如蝶板的厚度 计算、轴向偏心距的估算等，推导出了蝶板几个主要截面的几何参数( 长轴、短 轴) 与三个偏心量之间的函数关系，提出了参数优化要求。 三偏心蝶阀的运动分析主要是讨论干涉性能的分析，三偏心蝶阀的干涉分析 是性能评价中一个很重要的环节。根据蝶阀的密封结构设计和机构的运动关系建 立蝶板密封面的三维数学模型，采用c 撑编写计算机程序对密封面上每个点在蝶 板机构开启时的启闭角进行计算，验证蝶板是否与阀体产生干涉，调整三偏心参 数，确定三偏心蝶阀最小的径向偏心，为驱动装置的选取提供了依据。 本文还对该三偏心蝶阀干涉分析软件进行了验证，通过三偏心蝶阀干涉分析 软件优化其设计参数，并根据优化后的设计参数的取值范围计算出轴向偏心、径 向偏心、角偏心的最大值和最小值，并在最大值和最小值之间任取两个不连续的 点，进行摩擦扭矩的计算，对计算结果进行了对比分析。对比分析的结果表明， 优化设计所计算出的摩擦扭矩显著减小，有效的降低操作扭矩，提高使用寿命。 通过上述的研究，编写的三偏心蝶阀分析软件具备分析三偏心蝶阀基本结构 参数、启闭性能指示角的计算、干涉分析和摩擦力矩计算，使得在该软件指导设 计下的三偏心蝶阀蝶板运动无干涉、密封比压分布均匀、摩擦扭矩小，并且提供 快捷高效的设计方法。 关键词：三偏心蝶阀；干涉；摩擦力矩：c # ；软件 一1 a bs t r a c t s i i l c et h e19 7 0 s ，t h et r i p l ee c c e n t r i cm e t a ls e a l i n gb u t t e r f l yv a l v ew a si n v e n t e da b r o a d ，i t h a saw i d e 舳g eo fu s e si nt h eh i g h - p r e s s u r ef l u i ds y s t e m so f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o nb e c a u s eo f i t ss m a l lh o i s tt o r q u e ，s e a l i n gw i t ho b l i q u ec o n e ，g o o dt i g h t n e s sa b r a s i o nr e s i s t a n c e ，a n dl o n g l i f eo f u s e nw a si n 昀d l l c e di n t oc h i n as i n c et h e8 0 s ，t h e r eh a v eb e e no n l ya f e wm a n u f a c t u r e r si n t l l ec o u n t r yh a v i n gt h ec a p a b l eo fp r o d u c i n gt h r e ee c c e n t r i c i t ym e t a ls e a l i n gb u t t e r f l yv a l v e ， b u t 吐l e r ea r cs t i l ls o m ek e yt e c h n o l o g i e sn o tt os o l v e f o re x a m p l e ，t h es e a l i n gd e s i g no f c o m p l e xs p a c es u r f a c e s ，i sn o to n l yd i f f i c u l tt om a n u f a c t u r ea n de a s yt oi n t e r f e r e ，f a r t og e t t h er e q u i r e m e n t so fz e r of r i c t i o n , z e r ol e a k a g e ，a n dc l o s i n gq u i c k l y a tp r e s e n t , t h es e a l i n gd e s i g nm e t h o do fd o m e s t i cb u t t e r f l yv a l v ei sm a i n l yb a s e do n e x p e r i e n c ep a r a m e t e r s ；t h e r ei s s t i l l n o ts t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dd e s i g ns o f t w a r ea b o u t 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 ei nc h i n a m a n ym a n u f a c t u r e r sa r eu s m ge x p e r i e n c e d a ：t aa n d i e l a i t i v e s i m p l i f i e dc a l c u l a t i o nm e t h o dt o d e t e r m i n et h eb a s i cd a t ao ft h et r i p l ee c c e n t r i c b u t t e r f l vv a l v e ，i ti sd i f f i c u l tt om a k ep r o d u c t sg e tr e q u i r e m e n t so fn o n i n t e r f e r e ，s m a l lt o r q u e a n dz e r ol e a k a g e i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pt h ei n t e r f e r e n c ea n a l y s i ss o f t w a r eo ft r i p l e e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e 1 1 1 eb a s i cs t r u c t u r eo ft 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 a sa n a l y z e d ，t h em a i ns t r u c t u r e p 踟e t e r ss u c i h 嬲t h eb u t t e r f l yp l a t et h i c k n e s sc a l c u l a t i o n , a x i a le c c e n t r i c i t ye s t i m a t i o n e t c w e r eg i v e 玛m er e l a t i o n sa m o n gs e v e r a lm a j o rs e c t i o no fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s ( t h el o n g a x i s ，s h o r ta x i s ) o ft h eb u t t e r f l yp l a t ea n dt h r e ee c c e n t r i cq u a n t i t yw e r ed e d u c e d , a t t h es a m e t i m ep r o p o s i n gr e q u i r e m e n t so fp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n t h e 趾a l y s i so nm o v e m e n to f t h eb u t t e r f l yv a l v ei sm a i n l yd i s c u s s i n gt h ep e r f o r m a n c eo f i n ：t e 研e n c e ，m ei n t e r f e r e n c ea n a l y s i so f t h et h r e ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ei sav e r yi m p o r t a n t s e 田n e n to fi t sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n a c c o r d i n gt ot h e k i n e m a t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t n l c t l 】r ei l e s i g na n da g e n c i e so fs e a l i n gb u t t e r f l yv a l v e ，t h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f s e a l i n gb u a e r f l yp l a t ew a se s t a b l i s h e d ，u s i n gt h ec o m p u t e rw r i t i n gp r o g r a mc 群t o c a l c u l a t e 血eo p e i 曲ga n dc l o s i n ga n g l ew h e ne a c hp o i n to nt h es e a l i n gs u r f a c eo f t h ed i s cb o d yi s t i l r n e do n ，t ov e r i f yw h e t h e rt h eb o d yp r o d u c e si n t e r f e r e n c e ，a d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so f t h e m r e ee c c e c ，t od e t e r m i n et h e m i n i l n u l nr a d i a lt h r e ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e ，w h i c h p r o v i d e st h eb a s i sf o rt h es e l e c t i o no fb u a e r f l yv a l v ea c t u a t o r s n l ei i l t e 慨a n a l y s i ss o t h v a r eo ft r i p l ee c c e n t r i cb u a e r f l yv a l v ew a st e s t e di nt h i sp a p e r ， l e ( 1 e s i 殴p a r a m e t e r sw a so p t i m i z e db yi t , a n da c c o r d i n g t ot h eo p t i m i z e dd e s i g np a r a m e t e r s ， t h em a ) 【面1 u m 龇l dm i n i m u mv a l u e so fa x i a le c c e n t r i c i t y ，r a d i a l e c c e n t r i c i t y ，a n g u l a r e c c e n t r i c i t yw e r ec a l c u l a t e d ，a n da n yt w on o n c o n s e c u t i v ep o i n t sw e r et a k e nb e t w e e n t h e l i 硕+ 学位论文 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇舅曼曼皇曼皇曼曼曼! 曼曼曼! ! 曼曼曼曼! 曼曼曼i l l 皇曼鼍苎曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼量鼍蔓曼曼曼舅曼曼皇苎曼皇曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼 m a x i m u ma n dm i n i i i l u n lt oc a l c u l a t i o nt h ef r i c t i o nt o r q u e ，t h e nt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t so fc o m p a r a t i v ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a ld e s i g no ft h ec a l c u l a t e df r i c t i o n t o r q u ew a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d , t h eo p e r a t i n gt o r q u ew a se f f e c t i v e l yr e d u c e d , t h es e r v i c el i f e w a si m p r o v e d t h r o u g ht h er e s e a r c ha b o v e ，t h ec o m p i l a t i o nt r i p l e e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ea n a l y s i s s o f t w a r ec a na n a l y s i st h eb a s i cs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft 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 n d c a l c u l a t et h ed i r e c t i o na n g l eo fo p e n i n ga n dc l o s i n g , f r i c t i o nt o r q u ea n di n t e r f e r e n c ea n a l y s i s ， m a d et h es o r w a r eg u i d et h ed e s i g no ft 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 h o u ti n t e r f e r e n c e ，t h e b u t t e r f l yp l a t em o v e m e n tt h a np r e s s u r ed i s t r i b u t i o ns e a l i n ge v e n , f r i c t i o nt o r q u ei ss m a l l ，a n d p r o v i d eq u i c k a n de f f i c i e n td e s i g nm e t h o d 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 n a l y s i so fi n t e r f e r e n c e ： f r i c t i o nt o r q u e ；c 拌：s o f t w a r e i i i 硕十学位论文 曼皇曼曼曼曼曼曼! 皇曼篡鼍曼曼曼詈皇曼曼皇曼皇曼曼曼曼! 曼曼曼曼量曼曼曼曼鼍iii i 皇曼曼毫曼曼曼曼曼曼曼曼曼邕曼曼曼曼曼寰! 曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼鼍曼曼 1 1 课题来源及名称 第1 章引言 1 1 1 课题来源 企业委托 1 1 2 课题名称 基于c 群n e t 的三偏心蝶阀干涉分析软件的研究 1 2 研究目的和意义 1 2 1 研究目的 自7 0 年代国外发明三偏心金属密封蝶阀以来，三偏心金属密封蝶阀在工业 生产的中高压流体系统中得到了非常广泛的应用。我国从8 0 年代开始引入三偏 心金属密封蝶阀技术【l 】，到目前为止国内阀门企业都在研究、开发和生产三偏心 硬密封蝶阀。三偏心蝶阀由于其结构决定了设计的难度，我国从引进国外技术直 至自己吸收、消化和发展，提出了不同的设计理念，迄今为止，还没有一套成熟 的设计方法，同时，很多的研究无法通过人工直接取得设计结果，都是建立在计 算机辅助设计的基础上，至今还未有关于三偏心蝶阀的结构优化设计软件。许多 制造企业都是利用经验数据和相对简化的计算方法确定三偏心蝶阀的基本数据， 很难使产品达到不干涉、小扭矩和零泄漏的要求。开发三偏心蝶阀的干涉分析软 件，是阀门制造业的亟需要求。 开发三偏心蝶阀干涉分析软件，计算密封面任意点的坐标，进行干涉分析， 能够正确的找出干涉点，并对以上分析和计算的参数进行优化，使该软件指导设 计的三偏心蝶阀可保证阀门启闭时蝶板与阀体不产生干涉，关闭时具有良好的密 封性能。三偏心蝶阀干涉分析软件提供了快捷高效的设计方法，降低蝶阀的设计 难度，优化偏心位置，提高密封的可靠性。 1 2 2 研究意义 阀门是管网元件的一种，是用来改变通路断面和介质流动方向、控制输送介 质运动的一种装置，也是石油、化工、电站、长输管线、造船、核工业、各种低 温工程、宇航以及海洋采油等国民经济各部门不可缺少的流体控制设备。可用于 控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀介质、泥浆、油、液态金属和放射性介质等各种 液体的流动。从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的阀门，其种类和 规格相当繁多，阀门的公称直径可从3 m m 的仪表阀到1 0 m 的工业管路用阀1 2 j 。 基于c 拌n e t 三偏心蝶阀干涉分析软件的毋f 冗 近年来蝶阀由于要求适用于较高的工作压力和工作温度，最高使用压力达 4 o m p a ，最高使用温度达到6 0 0 ，普通软密封蝶阀己经不能适应一些特殊工况。 为了适应高温介质工况要求，金属密封蝶阀得到了迅速发展，出现了各具特色的 结构形式，其中最具代表性的是三偏心硬密封结构。 三偏心结构蝶阀是蝶阀发展、演化过程中最新的一种，三偏心蝶阀具有如下 显著特点1 3 卅： ( 1 ) 密封性能好：其密封是通过阀座上密封圈与阀板间的挤压实现的，关闭 扭矩越大，密封级越高，甚至可以达到“零泄漏 ； ( 2 ) 调节性能好：旋转蝶阀可被用作调节流量和控制启闭； ( 3 ) 减少了摩擦：减少了阀座与阀板之间在开关过程中的摩擦，使用寿命延 长，开启力矩小； ( 4 ) 体积小：由于结构上的原因，蝶阀比同口径其它阀门的尺寸小得多，便 于安装维修，以及在设计中对管线的布置及支架的要求大大降低： ( 5 ) 高流通量：在相同流通条件下，蝶阀具有高流通量。例如：d n1 5 0 蝶阀 的最大流量系约为2 3 3 6 ，而同尺寸截止阀的最大流量系仅为3 4 1 ； ( 6 ) 行程短：蝶阀在启闭时，阀轴只作7 0 0 9 0 0 旋转，其行程比闸阀或截止阀 启闭时间短。 因为三偏心蝶阀具有如上优点，广泛用于化工过程装置，现在被逐步推广应 用到火电厂、核电厂。 三偏心蝶阀作为一种直角旋转阀，具有优良的关断特性、频繁操作条件下长 周期的循环使用寿命和良好的双向密封功能。作为国民经济各领域中成套设备的 关键产品，大直径、高温高压三偏心金属硬密封蝶阀是国家重点攻关的新产品。 本课题结合这类实际产品，针对一系列关键技术进行研究开发，目的在于通过攻 关实现同类产品国产化，并有针对性的通过技术创新解决在石油、化工、冶金、 电力工业中成套装备共性及关键技术，因此开展本项目攻关非常有必要。 本课题研究的金属密封蝶阀是三偏心硬密封蝶阀。三偏心蝶阀是在双偏心蝶 阀的基础上将蝶板的中心线斜置，形成一个偏心角，并在蝶板密封面上配合一个 相应的几何形状设计，使蝶板在9 0 0 开关转动过程中，蝶板密封圈和阀体之间完 全没有任何摩擦。阀门关闭后，由于外加于阀门轴上的扭矩在密封圈和阀体之间 产生一个合适的密封比压，保证了阀门的严密关闭。由于三偏心蝶阀的密封面、 蝶板转动轴偏离以及蝶板中心线的斜置，导致三偏心蝶阀的设计计算非常复杂。 目前，利用计算机仿真技术分析三偏心蝶阀干涉，已被阀门行业广泛的应用，如： 采用三维软件( s o i l d w o r k s ) 对三偏心蝶阀进行三维实体建模，实现计算机三维 可视化仿真，模拟蝶板在开启、关闭过程中的运动，以调整相应参数，实现蝶板 与阀座的良好吻合、无干涉启闭【5 】；利用m a t l a b 软件开发启闭不干涉角计算 2 硕十学位论文 程序，得到了三偏心蝶阀满足不干涉的约束条件【6 】等方法，国内已有文献报道。 但以上所述的方法，不少参数仍然是凭经验确定，没有必需的优化计算理论和方 法，导致现有技术条件不完善以及不能迅速进行新产品的开发。 本课题通过对三偏心蝶阀进行系统的研究，从蝶阀的密封结构设计、机构运 动、结构动力学等计算分析入手，找出蝶板密封面和阀体发生干涉的原因，开发 三偏心蝶阀干涉分析软件，优化三偏心蝶阀的结构设计参数，对于提高三偏心金 属硬密封蝶阀的产品的整体性能，实现自主创新等方面有重要意义。 1 3 三偏心蝶阀的国内外研究现状 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。 1 3 1 国外发展现状 1 9 6 0 年，德国k a r la d a m s 公司提出蝶阀同时具有切断( i s o l a t i o n ) 、调节 ( t h r o t t l i n g ) 和止回( c h e c k ) 等3 种功能l _ ，并于1 9 6 6 年以“斜置锥形阀座密 封系统( t h ei n c l i n e dc o n i c a ls e a ts e a l i n gs y s t e m ) 为名注册了专利，这是蝶阀技 术的一次重大进展；1 9 6 7 年在法兰克福举办的“国际化工展览( c h e m r ) 上 展出了新型的法兰偏心设计( t r i p l ee c c e n t r i cd e s i g n ) 蝶阀，这种新型蝶阀的密 封性能大为提高，很快用于中高压系统【8 】；日本株式会社的三偏心蝶阀t r i t e c 的 压力等级已达到2 5 0 0 磅级，最高压力达到2 6 m p a ，耐温低至1 9 6 、高达7 0 0 ，密封基本达到零泄漏，调控比高达1 0 0 ：1 以上1 9 j ，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，只要选型得当现在都可以使 用蝶阀【lo j ；美国的k y s t o n e ，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【l 卜1 2 】，并在各自的国内市场得到了广泛的 应用。 1 3 2 国内发展现状 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，一开始在国内只有少数厂家在仿制生产三偏心金属密封蝶阀，但都远远达 不到密封副近似零摩擦、零泄漏的性能。目前的设计方法是设计者根据经验或者 仿制国外产品采取“设计一试验一纠正一试验”的方法，这种依靠试验修正设计 的方法，不但缺乏理论指导，而且设计周期长，成本高，产品质量不高。在要求 高的场合中( 如要求快速关断) 主要采用进口蝶阀，其原因是以往国产蝶阀达不到 质量和控制性能要求，采用进口蝶阀虽然能满足要求，但价格十分昂贵【1 3 】。近 年来国内对三偏心蝶阀的研究也比较多，许多厂家不但自主研制了许多种三偏心 基于c j 5 f n e t 三偏心蝶阀干涉分析软件的研究 蝶阀，而且对三偏心蝶阀密封性能的研究也相当广泛。在研究双偏心蝶阀阶段就 有人对两个偏心参数对密封性能的影响进行了初步分析。现在国内的各厂家开始 自主开发三偏心蝶阀并取得了很大的突破，其中，自主开发的许多三偏心蝶阀已 应用到了实际生产中，并取到了良好的效果。 由于三偏心金属硬密封蝶阀的径向偏心、轴向偏心、角偏心以及加工精度的 影响，导致蝶板回转的干涉和密封比压问题都难以解决，设计难度较大。密封材 料的发展，特别是不锈钢石墨夹层复合密封圈被广泛的应用到金属硬密封蝶阀， 对三偏心蝶阀偏心距的设计误差和密封面加工误差的补偿提供了很好的促进作 用。 1 4 三偏心蝶阀结构的演变 1 4 1 蝶阀的结构特点 蝶阀是通过圆盘式启闭件往复回转9 0 0 左右来开启、关闭和调节流体通道的 一种阀门。它作为一种直角旋转阀，不仅结构简单、体积小、重量轻、材料耗用 省、安装尺寸小，而且驱动力矩小，操作简便、迅速，并且还具有良好的流量调 节功能，是近十几年来发展最快的阀门产品之一。 蝶阀的阀座为固定式，其材质有高分子聚合物和金属两类，聚合物阀座主要 适用于温度不高的工况，金属密封阀座蝶阀虽然能满足较高的温度和压力工况， 但金属阀座的弹性较聚合物阀座低，密封性能较差。蝶阀各种性能的改善与其自 身不断地演变、发展密切相关，在新型阀门中最引人注目的是三偏心蝶阀，从一 开始，三偏心蝶阀就因其金属密封、泄漏量小、摩擦小等优点而迅速推广开来【1 4 】。 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，越来越受到广大用户和设计人员的重视。 1 4 2 蝶阀的几种结构形式 1 4 2 1 中心对置蝶阀 中心对置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。其密封原理是：蝶板密封面挤压合成橡胶阀座，使合成橡 胶阀座产生弹性变形而形成密封比压保证阀门的密封，但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，阀座采 用聚四氟乙烯等弹性材料，聚四氟乙烯摩擦系数低，弹性好且具有抗腐蚀性。但 也因此在使用上受到温度的限制【l 引。 1 4 2 2 单偏心蝶阀 为解决中心对置蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题，由此产生了单偏心蝶阀。其 4 硕十学位论文 结构特征为蝶板回转中心位于阀体的中心线上，且与蝶板的密封截面形成偏置。 在蝶板启闭的过程中，使蝶板与阀体密封面之间的相对机械磨损、挤压大为降低， 蝶阀的密封性能较中线蝶阀大大提高。但由于阀门的密封压力仍然由蝶板挤压阀 体密封面提供，所以蝶板和阀体密封面之间的磨损仍然较大，蝶阀的寿命不高 【1 6 1 o 1 4 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最广泛的双偏心蝶 阀，双偏心蝶阀的蝶板回转中心与蝶板密封截面形成一个偏置，并与阀体中心线 形成另一个偏置。当双偏心蝶阀处于完全开启状态时，其蝶板密封面会完全脱离 阀座密封面【1 7 。18 1 。由于尺寸偏置的出现，还会使蝶板的转动半径分为长半径转 动和短半径转动，在长半径转动的蝶板大半圆上，蝶板密封面转动轨迹的切线和 阀座密封面会形成一个角度，使蝶板启闭时蝶板密封面相对阀座密封面会有一个 渐出脱离和渐入挤压的作用，从而更为降低蝶板启闭时蝶阀密封副的两个密封面 之间的机械磨损和擦伤。当蝶阀开启时，蝶板的密封面会比单偏心蝶阀更快地脱 离阀座密封面。一般而言，当蝶板从0 0 转动至8 01 2 0 蝶板密封面可完全脱离阀 座密封面，使蝶阀在启闭过程中，蝶板与阀座密封面之间的相对机械磨损、挤压 转角行程更短，从而使机械磨损、挤压变形更为降低，蝶阀的密封性能更为提高。 双偏心蝶阀结构较单偏心蝶阀复杂，成本稍高；密封性能更好；寿命更长，使用 压力也更高。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【l 9 1 。 1 4 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，也就是说，经过第三次偏心后，蝶板的密封断面不再是真圆，而是 椭圆，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【2 0 - 2 2 1 。 由于在双偏心密封结构的基础上，将阀座中心线与蝶板密封面中心线形成一 个角度偏置，当三偏心密封蝶阀处于完全开启状态时，蝶板密封面会完全脱离阀 座密封面，由于角度偏置的形成会使长、短半径的蝶板变化，蝶板密封面转动轨 迹的切线与阀座密封面形成两个夹角。因为这两个夹角的存在，蝶阀开启时，蝶 板密封面会在开启的瞬间立即脱离阀座密封面；在关闭时，只有在关闭的瞬间， 蝶板的密封面才会接触并压紧阀座密封面，从而彻底消除了蝶板启闭时蝶板密封 5 塑型些些些墼塑塑丝墼圣一 1曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量笪蔓曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼皇曼! 曼曼曼曼曼蔓曼鼍曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼皇! 曼曼! 寰曼! 曼曼置 整，从而使三偏心密封蝶阀的密封性能和使用寿命得到大大的提高2 3 。2 6 1 。由于 6 硕十学位论文 第2 章三偏心蝶阀的基本结构分析 2 1 三偏心蝶阀结构特点 三偏心蝶阀是在双偏心蝶阀基础上改变了密封构造，不再是位置密封，而是 扭力密封，即完全依靠阀座的接触面挤压来达到密封效果。蝶阀的三偏心结构见 图2 1 。 蝶阀的三偏心是指：第一个偏心是指蝶板的回转中心相对于蝶板中心在轴向 存在偏心距日；第二个偏心是指蝶板的回转中心相对于蝶板中心在径向存在偏 心距e ；第三个偏心是指蝶板锥面轴线与阀体通道轴线成一个角度y ，即角偏心 【2 7 1 。 图2 1 三偏心金属密封蝶阀示意图 对于三偏心结构的蝶阀，其密封接触圆锥面一般使用金属密封圈。密封面位 于斜圆锥表面，阀座和密封圈的正截面均为椭圆，由于轴向偏心距的存在，保证 了蝶阀密封面是一个完整连续的锥面，且该密封面的几何中心容易确定，降低了 密封面加工制造的难度。若密封面为正圆锥面，则由于蝶板密封面的回转半径大 于阀座密封面相应部位的半径，从而在关闭时蝶板密封表面不能进入阀座，即产 生“干涉 现象，而采用偏心角为y 的锥面即所谓圆锥斜切可以解决这个问题。 2 2 三偏心蝶阀的结构参数 2 2 1 蝶板的厚度计算 蝶板厚度估算公式为2 】： 7 基于c 拌n e t 二偏心蝶阀干涉分析软件的研究 h 兰= 0 0 5 4 3 沥- ( 2 1 ) d 式中：b 一一蝶板中心处的厚度m m ； d 一一蝶阀的通径肌册，旦d 称为蝶板的相对厚度，通常取：丢= o 1 5 一o 2 5 ； 日一一计算升压在内的最大静水头。 h = 1 0 0 ( p n + a p ) 式中：尸一一阀门的公称压力，m p a 。 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 ； p 可近似按照下式计算： a p ：= 4 0 0 q c t 式中：q 一一体积流量，m 3 s ； c 一一阀座通道截面积，m r r l ； f 一一蝶板从全开到全关所经历的时间，s 。 蝶板厚度最后经强度分析能达到实际强度要求。 y 0 ( x ) 一 。a 、”缸 豢 3 v “? 心1 图2 2 表示三偏心蝶阀密封面的几何关系，其中 心蝶阀密封面，a b n d c m 代表的是用一个平行于y o z 自 根据图2 2 可知，蝶板径向偏心e 应满足下式2 9 】： i k l d 代表的曲面为三偏 平面与锥体o j r 相交得到 硕十学位论文 0 e 垒 2 式中：q 一一蝶板中性面椭圆长轴，珑朋。 2 2 3 轴向偏心的估算 根据图2 2 可知，蝶板轴向偏心日应满足下式f 2 9 】： 罢培( 口一p + 吾s e c 2 ( 口一p 日等蟾( 口+ p 一吾鳅口+ p 式中：丁一一密封面厚度，朋所。 口一一锥半角，d e g ； 厂一一角偏心，d e g 。 2 2 4 蝶板的锥度 蝶板的锥度大小与所选择的密封材料的摩擦系数厶有关， 闭位置时实现自锁，根据机械原理可知： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 以保证阀门在关 留2 t r = 。 ( 2 4 ) 可以根据密封面材料的摩擦系数厶计算蝶板的锥度，然后根据实际情况选 择合理的锥度，最后要经过干涉分析确定蝶板的锥度。 2 3 蝶板的几个主要截面的几何参数之间的关系 如图2 2 所示，设蝶板密封表面所在的圆锥面的高为日( 即o n ) ，密封面圆 锥的底半径为r 。( 即懈) ，蝶板小端椭圆的长半轴和短半轴分别为4 、壤，蝶 板中性面椭圆的长半轴和短半轴分别为彳、口，蝶板大端椭圆的长半轴和短半轴 分别为4 、风，蝶板密封面的厚度为丁。则各参数与厶的几何关系如下： 对于大端椭圆( 彪) ： r = 4 竺型 ( 2 5 ) s t , g 风：4 竺掣 ( 2 6 ) 玩= 4 c o s ( 口一砂撕硒 对于中性面椭圆( p q ) ： 彳= r 南一吾 t g ( 口+