三偏心蝶阀偏心的研究

1、毕业设计（论文）三偏心蝶阀偏心的研究论文作者：刘腾飞指导教师：刘波专 业： 机械制造及自动 化系（院）：机电系工程答辩日期：2014年5月 日1、三偏心碟阀的发展41.1>同心蝶阀41.2、单偏心蝶阀41.3、双偏心蝶阀41.4、三偏心蝶阀42、三偏心蝶阀结构概述53、三偏心各个参数的分析63.1、结构分析63.2、三偏心蝶阀的干涉分析7321、三偏心蝶阀的运动干涉条件7322、运动干涉分析8323、蝶板的最佳偏心计算113.3、数据分析124、不同偏心结构蝶阀的性能变化145、三偏心蝶阀偏心的改进145.1 目前三偏心蝶阀的偏心缺陷145.2改进三偏心蝶阀缺陷的方法156、参考文献16

2、7、致谢17摘要 蝶阀是近十儿年來发展最快的阀门品种2。蝶阀的卓越性能与其口身不 断地偏心、演变、发展密切相关，被广泛应用丁石汕、化工、冶金、电力等行业。 为满足各种工况要求、蝶阀先后经历了从同心向单偏心、双偏心和三偏心的演变。 现在的三偏心碟阀适用范围已可以耐压高达2500磅级、耐温低至-196 °c、高达 700 °c、密封达到0泄漏。其中具有代表性的三偏心硬密封蝶阀是在双偏心蝶阀的 基础上，使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封结构。该结构不仅具有双 偏心蝶阀摩擦力矩小，开启灵活等优点，同时由于其偏心锥角的作用，在阀门关闭 时能够实现自锁，因此，三偏心硕密封蝶阀在

3、现代阀门工业中得到了快速发展。关键词：三偏心 干涉 分体式的阀座 曲轴引言现在的三偏心碟阀具有双偏心蝶阀摩擦力矩小，开启灵活等优点，同时由 于其偏心锥角的作用，在阀门关闭时能够实现口锁。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，只耍选型得当，都可以放心地使用碟 阀。目前的三偏心蝶阀，虽然有许多的优点，如要真正的发挥作用有赖于精密的加 工。三偏心碟阀的耐高温、零泄漏特点与三偏心的各个参数的大小是密不可分的。在三偏心的基础上设计一曲轴结构，密封圈和阀座的密封位置由该曲轴调整， 使装配更为方便，同时可使密封圈强制压紧阀座，实现双向密封，且密封性得到加 强，三偏心的作用进也得

4、到了加强。这样的结构对现有的三偏心蝶阀进行了卓冇成 效的改进。1、三偏心碟阀的发展11、 同心蝶阀该种蝶阀的结构特征为阀杆轴心，蝶板中心，木体中心在同 一位置上。结构简单，制造方便。常见的衬胶蝶阀即属于此类。缺点是由于蝶板与 阀座始终处于挤压刮擦状态，阻距大，磨损快。为克服挤压刮擦，保证密封性能， 基本上采用橡胶或聚四氟乙烯等弹性材料、但也因而在使用上受到温度的限制，这 就是为什么传统上人们认为蝶阀不耐高温的原因。1.2> 单偏心蝶阀 为解决同心蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题，由此产生了单偏心蝶阀，其结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板屮心，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

5、阀座的过度挤压。但由于单偏心构造在阀门的整 个开关过程小蝶板与阀座的刮擦现象并未消失，在应用范帀上和同心蝶阀大同小异, 故采用不多。1. 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。其结构特征为在阀杆轴心既偏离蝶板中心，也偏离本体中心。 双偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅即脱离阀座，人幅度地消除了蝶板与阀座的 不必要的过度挤压，刮擦现象，减轻了开启阻距，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、提高了蝶阀在高 温领域的应用。但因为其密封原理属位置密封构造，即蝶板与阀座的密封面为线接 触，通过蝶板挤压阀座所

6、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。14、 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，乂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。这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

7、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，因此一举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。三偏心蝶阀结构概述2、三偏心蝶阀结构概述曲于在双偏心的基础上，将阀座中心线与蝶板密封面中心线形成一个角度为a 的偏置，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a角偏置的形成会使长、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

8、并压紧阀座密封面，从而彻底消除了蝶板启闭时蝶板密封副两密封面之间的 机械磨损和擦伤。而在蝶阀关闭时，其密封副两密封面之间的密封比压可以曲外加 于蝶板转轴的驱动转矩产生，不仅消除了常规蝶阀中弹性阀座弹性材料的老化、冷 流、弹性失效等原因造成的密封副两密封面z间的密封比降低和消失，而且可以过对外加驱动传矩的改变实现对其密封比压的任意调整，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。3、三偏心各个参数的分析3.1、结构分析三偏心蝶阀的径向偏心3、动密封副厚度b、静密封副厚度c、密封面椭圆k轴d、轴向偏心e、偏心角a和锥顶角p等7个参数可以确定三偏心蝶阀的密封副结构。 d是曲阀门的公称通

9、径dn确定，e是出阀门的蝶板厚度和阀轴直径决定的，b和c是 由阀门的设计压力及密封面材料、密封面密封比压决定的，a、a和b的选择则决定 了三偏心蝶阀关闭时是否干涉及关闭后密封面密封比压是否均匀，密封是否可靠。图1三偏心蝶阀3.2、三偏心蝶阀的干涉分析3. 2. 1、三偏心蝶阀的运动干涉条件三偏心蝶阀的蝶板是在圆锥体上斜截得到的一定厚度的椭圆形截面实体，如图2 所示。3个偏心的第一偏心是指阀座密封面或蝶板厚度方向的等分线与阀杆屮心相对 偏心（长度h）;第二偏心是指阀杆中心与阀门通道中心的相对偏心（长度e）;第三偏心 是指圆锥形密封面的屮心线与阀门通道屮心线的相对偏心（角度y ）。直线ab表示阀

10、座密封面上某点m在某个平面处的切线方向；u代表蝶板在该点的速度方向；速度方 向和切线ab的夹角为8逆时针方向为正，顺时方向针为负。文中称b为启闭性 能指小角o图2三偏心蝶阀密封结构蝶板逆时针方向转动，蝶板开启。当速度方向u位于切线ab方向的下方吋，密 封副不发生干涉，0 0；当速度方向位于切线ab方向的上方时，密封副发生干涉, 0<0o由此可知，当00时，密封副运动存在干涉。因此，在设计过程中，确定合 理的三个偏心量，保证（）20,从而解决干涉问题。3.2.2、运动干涉分析为了计算启闭性能指示角并判断三偏心蝶阀的干涉情况，建立三偏心蝶阀启 闭性能指示角的角度刨切计算模型。先将密封面沿着阀

11、体通道中心线的垂直方向等分为n份，得到n+1个相互平行的椭圆形平而（s平而），如图3所示。图3密封面的角度刨切建立椭圆方程：f+yjigl（仏+*貂尸式中h0圆锥顶点到蝶板密封面的中性面之间的距离，mm； a圆锥半角，° ; y偏心角，°然后以0点为圆心，将每个椭圆平而按等角度平分为n等份进行等角度创切， 从而得到椭圆曲线和直线0a的交点m,计算m点的启闭性能指示角。其中直线0a的 方程为：yn骅联立式（1）、（2）,解得x、y：- （1 +塔眉）1，21 h（ngato222一 1 一 i帥 + lga'lgyigyl聊塔a 一 （1 +塔眉）"j 比塔

12、edge-1 - tg< +lga2 lgy2lg2gytgtga + （1 + lg（p2）1，2 wotga-1 - i肘 + tga2tgy2 塔屛gylgylga + （1 +1防）a h（、l瓢強-i - lg< + tga2 lgy2tg2_ hplga当 © 二90° , x二0 时：- 1 + igaigy输入已知设计参数di、t、e、h、a、y,即口j确定m点的坐标（xi, y,刃。其 中d1代表蝶板密封面中径的长轴，t为蝶板密封面的宽度。建立蝶板运动关系，计算m点的启闭性能指示角。如图4所示，01为阀杆旋转 中心，v为m点绕01旋转运动时的速

13、度方向，8是运动方向与m点切线的夹角，即 该点的启闭性能指示角。哪二tv由图4中的儿何关系可得：i和（心+2式中 yol, z01阀杆小心的坐标根据式可求岀m点的启闭性能指示角，并判断其干涉情况。即()20当 时，密封副不发生干涉；0<0时，密封副发生干涉。用牛顿二次切分法求出精确的干 涉范围，精度可以通过设定变量的值來确定。3.2.3、蝶板的最佳偏心计算(1) 蝶板的锥顶角2 a的计算蝶板的锥顶角大小与所选密封材料的摩擦系数fm有关，为了使阀门在关闭位置 时实现自锁，根据机械原理知：tg2a fm (10)可以根据密封材料的摩擦系数fm计算出蝶板的锥顶角2 a ,然后结合实际情况 选择

14、合理的角度。(2) 蝶板偏心角的计算由图2的几何关系得：y = a - h (11)式中a摩擦角，° , tga=fm； n圆锥母线与阀门流道中心线的夹角，°结合式(10)、(11)可得： 0< y a /2 (12)(3) 轴向偏心h的范围：2 < ° 2式中d阀杆的直径，mm； i阀座密封面的厚度，mm(4)径向偏心的计算当8 no时，密封副不发生干涉，结合式得到:em e (/o + /cosy + esiny - z) - lana (x + y2) 1/2 (y - cosy + /siny) / t siny + iga (x2 + y2)

15、 1/2cosy式中c密封面中径所在i员i与i员i锥轴线的交点和与阀体轴线的交点间距离，只要给定a、y. h,按照式（14）,结合密封而上任意点的坐标，就可以计算出每一 点的最小径向偏心。提取所有点屮最小径向偏心屮的最大值，该最大值就是密封面 不发生干涉的最小径向偏心值。无论参数如何选収，在阀门全关状态下蝶板与阀体的密封副都是完全贴合的。开启阀门如 果不发牛干涉，则过关阀门密封副必将全面干涉。开启阀门如果有干涉产牛，则过关阀门密封副 将部分干涉、部分脱离。此时的参数选择不可用。3. 3、数据分析以dn300超低温蝶阀为例，分析各个参数选择的方法。dn300超低温蝶阀是设计应用 于空分行业，需在

16、-196°c深冷工况下长期工作。此设计中d为290mm, e为35mm, b 为8mm、c为20mmo通过solidworks软件可以确定a、a和b的取值范围（表1）。d = 290mm径向偏心偏心角锥顶角e = 35mmaapb =8 mmmm(°)（。）c = 20m m1.3-204.4-2026-29表1参数a、a、b取值范i韦i在参数a、a > b的取值范围内，单一变换某一参数过关阀门0.3。，计算密封副的干涉量。以变换参数为横坐标，干涉量为纵坐标绘制岀参数与干涉量变化趋势 图（图5）。r o n fi»-1kh ：r o o o o 97 531

17、 s* 5 5 52.3 3.1 4.3 53 fij 7 3 9a 10.1 径向仇心mlhfll4 ooooooooo 3 3 3 3*3333 o 9 k 7 6 5 4 1 2emajlr童宀fiwvwj整養520（a）径向偏心（b）偏心角（c）锥顶角图5参数与t涉量关系从径向偏心、偏心角、锥顶角与干涉量的关系可以看出，在不干涉的参数取值范围内，径向偏心、偏心角和锥顶角与干涉量呈正线性关系三偏心参数及锥顶角的选取，决定了阀门开启时是否干涉，关闭时密封面密封比压是否均匀，及其密封的可靠性。4、不同偏心结构蝶阀的性能变化随着阀板偏心数增加，阀板的厚度也加厚，则流体流经三偏心蝶阀的阻力增加;

18、 随着蝶阀偏心数目的壇加，阀门的性能也冇很大的变化。三偏心蝶阀可以产生较人 的压力降，可当作调节阀使用；流体流经阀门时的压力降随偏心数目的増加而増加; 但与其它一些非蝶阀相比，三偏心蝶阀的压力降述是比较小的。随着蝶阀偏心数口 的变化，阀座密封性能也随z改变，三偏心蝶阀冇极佳的阀座密封性能。偏心数目 增大，阀门启闭时所需的扭矩减小，所以三偏心蝶阀启闭所需的扭矩比其它型式的 蝶阀要小得多。随偏心数口的变化，蝶阀的温度压力等级范围和适用的温度范围也 会有较人的变化，三偏心蝶阀的适用温度和压力等级的范围是其它型式蝶阀无法比 拟的。5、三偏心蝶阀偏心的改进5.1目前三偏心蝶阀的偏心缺陷目前的三偏心蝶阀，

19、虽然有许多的优点，如要真正的发挥作用有赖于精密的加 工。目前的三偏心蝶阀的阀座和阀体为一休式结构（图6）,即阀座直接堆焊在阀体 上，阀座无法更换，如果阀座损坏，就只能整阀更换，维修成木极为高昂。而且阀 板和阀座之间的配合尺寸无法调整，只能单配，如果有一个零件尺寸不到位，只能 重做一个，所以装配极为困难。这严重影响了三偏心蝶阀的质量，也造成了客户对三偏心蝶阀的不信任。三偏心蝶阀偏心的改进图6阀座和阀体为一体式结构的三偏心蝶阀为了克服三偏心蝶阀存在的缺陷，对三偏心蝶阀的密封原理和结构进行了深入 的研究和改进。并开发了一种分体式可自由调整的双向零泄漏硬密封蝶阀，提供一 种分体式的阀座结构，阀座和密封圈可互换，密封圈可自由调整、装配、维修简单, 能实现双向零泄漏的硬密封三偏心蝶阀。5. 2改进三偏心蝶阀缺陷的方法首先为了解决阀座更换的问题，设计了分体式的阀座（图7）。阀座在阀体上, 通过压盖压紧，卸下压盖，可更换阀座，这不仅解决了阀座不能更换的难题，而且 方便了阀座的加工，因为一体化的阀座工装不仅笨重，而且大口径需在立车加工， 加工精度并，表面粗糙度并，分体后阀座可以在数控车床加工，精度高，而且可以 设计成几