三偏心蝶閥偏心的研究

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）三偏心蝶閥偏心的研究論文作者：劉騰飛指導教師：劉波專 業(yè)： 機械制造及自動 化系（院）：機電系工程答辯日期：2014年5月 日1、三偏心碟閥的發(fā)展41.1>同心蝶閥41.2、單偏心蝶閥41.3、雙偏心蝶閥41.4、三偏心蝶閥42、三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)概述53、三偏心各個參數(shù)的分析63.1、結(jié)構(gòu)分析63.2、三偏心蝶閥的干涉分析7321、三偏心蝶閥的運動干涉條件7322、運動干涉分析8323、蝶板的最佳偏心計算113.3、數(shù)據(jù)分析124、不同偏心結(jié)構(gòu)蝶閥的性能變化145、三偏心蝶閥偏心的改進145.1 目前三偏心蝶閥的偏心缺陷145.2改進三偏心蝶閥缺陷的方法156、參考文獻16

2、7、致謝17摘要 蝶閥是近十兒年來發(fā)展最快的閥門品種2。蝶閥的卓越性能與其口身不 斷地偏心、演變、發(fā)展密切相關(guān)，被廣泛應用丁石汕、化工、冶金、電力等行業(yè)。 為滿足各種工況要求、蝶閥先后經(jīng)歷了從同心向單偏心、雙偏心和三偏心的演變。 現(xiàn)在的三偏心碟閥適用范圍已可以耐壓高達2500磅級、耐溫低至-196 °c、高達 700 °c、密封達到0泄漏。其中具有代表性的三偏心硬密封蝶閥是在雙偏心蝶閥的 基礎(chǔ)上，使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅具有雙 偏心蝶閥摩擦力矩小，開啟靈活等優(yōu)點，同時由于其偏心錐角的作用，在閥門關(guān)閉 時能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，因此，三偏心碩密封蝶閥在

3、現(xiàn)代閥門工業(yè)中得到了快速發(fā)展。關(guān)鍵詞：三偏心 干涉 分體式的閥座 曲軸引言現(xiàn)在的三偏心碟閥具有雙偏心蝶閥摩擦力矩小，開啟靈活等優(yōu)點，同時由 于其偏心錐角的作用，在閥門關(guān)閉時能夠?qū)崿F(xiàn)口鎖。也就是說，在各種嚴酷關(guān)鍵的 過程控制管線上、不論是開關(guān)閥還是調(diào)控閥，只耍選型得當，都可以放心地使用碟 閥。目前的三偏心蝶閥，雖然有許多的優(yōu)點，如要真正的發(fā)揮作用有賴于精密的加 工。三偏心碟閥的耐高溫、零泄漏特點與三偏心的各個參數(shù)的大小是密不可分的。在三偏心的基礎(chǔ)上設(shè)計一曲軸結(jié)構(gòu)，密封圈和閥座的密封位置由該曲軸調(diào)整， 使裝配更為方便，同時可使密封圈強制壓緊閥座，實現(xiàn)雙向密封，且密封性得到加 強，三偏心的作用進也得

4、到了加強。這樣的結(jié)構(gòu)對現(xiàn)有的三偏心蝶閥進行了卓冇成 效的改進。1、三偏心碟閥的發(fā)展11、 同心蝶閥該種蝶閥的結(jié)構(gòu)特征為閥桿軸心，蝶板中心，木體中心在同 一位置上。結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。常見的襯膠蝶閥即屬于此類。缺點是由于蝶板與 閥座始終處于擠壓刮擦狀態(tài)，阻距大，磨損快。為克服擠壓刮擦，保證密封性能， 基本上采用橡膠或聚四氟乙烯等彈性材料、但也因而在使用上受到溫度的限制，這 就是為什么傳統(tǒng)上人們認為蝶閥不耐高溫的原因。1.2> 單偏心蝶閥 為解決同心蝶閥的蝶板與閥座的擠壓問題，由此產(chǎn)生了單偏心蝶閥，其結(jié)構(gòu)特征為閥桿軸心偏離了蝶板屮心，從而使蝶板上下端不再成為回 轉(zhuǎn)軸心，分散減輕了蝶板上下端與

5、閥座的過度擠壓。但由于單偏心構(gòu)造在閥門的整 個開關(guān)過程小蝶板與閥座的刮擦現(xiàn)象并未消失，在應用范帀上和同心蝶閥大同小異, 故采用不多。1. 3、 雙偏心蝶閥 在單偏心蝶閥的基礎(chǔ)上進一步改良成型的就是目前應用最 廣泛的雙偏心蝶閥。其結(jié)構(gòu)特征為在閥桿軸心既偏離蝶板中心，也偏離本體中心。 雙偏心的效果使閥門被開啟后蝶板能迅即脫離閥座，人幅度地消除了蝶板與閥座的 不必要的過度擠壓，刮擦現(xiàn)象，減輕了開啟阻距，降低了磨損，提高了閥座壽命。 刮擦的大幅度降低，同時還使得雙偏心蝶閥也可以采用金屬閥座、提高了蝶閥在高 溫領(lǐng)域的應用。但因為其密封原理屬位置密封構(gòu)造，即蝶板與閥座的密封面為線接 觸，通過蝶板擠壓閥座所

6、造成的彈性變形產(chǎn)生密封效果，故對關(guān)閉位置要求很高（特 別是金屬閥座），承壓能力低，這就是為什么傳統(tǒng)上人們認為蝶閥不耐高壓、泄漏 量大的原因。14、 三偏心'蝶閥 要耐高溫，必須使用硬密封，但泄漏量大；要零泄漏，必 須使用軟密封，卻不耐高溫。為克服雙偏心蝶閥這一矛盾，乂對蝶閥進行了第三次 偏心。其結(jié)構(gòu)特征為在雙偏心的閥桿軸心位置偏心的同時，使蝶板密封面的圓錐型 軸線偏斜于本體圓柱軸線。也就是說，經(jīng)過第三次偏心后，蝶板的密封斷面不再是 真圓，而是橢圓，其密封面形狀也因此而不對稱，一邊傾斜于本體中心線，另一邊 則平行于本體中心線。這第三次偏心的最大特點就是從根本上改變了密封構(gòu)造，不 再是位置

7、密封，而是扭力密封。即不是依靠閥座的彈性變形，而是完全依靠閥座的 接觸面壓來達到密封效果，因此一舉解決了金屬閥座零泄漏這一難題，并因接觸面 壓與介質(zhì)壓力是成正比的，耐高壓高溫也迎刃而解。三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)概述2、三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)概述曲于在雙偏心的基礎(chǔ)上，將閥座中心線與蝶板密封面中心線形成一個角度為a 的偏置，當三偏心密封蝶閥處于完全開啟狀態(tài)時，蝶板密封面會完全脫離閥座密封 面，由于a角偏置的形成會使長、短半徑的蝶板變化，蝶板密封面轉(zhuǎn)動軌跡的切線 與閥座密封面形成兩個夾角。因為這兩個夾角的存在，蝶閥開啟時，蝶板密封面會 在開啟的瞬間立即脫離閥座密封面;在關(guān)閉時，只有在關(guān)閉的瞬間，蝶板的密封面才 會接觸

8、并壓緊閥座密封面，從而徹底消除了蝶板啟閉時蝶板密封副兩密封面之間的 機械磨損和擦傷。而在蝶閥關(guān)閉時，其密封副兩密封面之間的密封比壓可以曲外加 于蝶板轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，不僅消除了常規(guī)蝶閥中彈性閥座彈性材料的老化、冷 流、彈性失效等原因造成的密封副兩密封面z間的密封比降低和消失，而且可以過對外加驅(qū)動傳矩的改變實現(xiàn)對其密封比壓的任意調(diào)整，從而使三偏心密封蝶閥的 密封性能和使用壽命得到大大的提高。3、三偏心各個參數(shù)的分析3.1、結(jié)構(gòu)分析三偏心蝶閥的徑向偏心3、動密封副厚度b、靜密封副厚度c、密封面橢圓k軸d、軸向偏心e、偏心角a和錐頂角p等7個參數(shù)可以確定三偏心蝶閥的密封副結(jié)構(gòu)。 d是曲閥門的公稱通

9、徑dn確定，e是出閥門的蝶板厚度和閥軸直徑?jīng)Q定的，b和c是 由閥門的設(shè)計壓力及密封面材料、密封面密封比壓決定的，a、a和b的選擇則決定 了三偏心蝶閥關(guān)閉時是否干涉及關(guān)閉后密封面密封比壓是否均勻，密封是否可靠。圖1三偏心蝶閥3.2、三偏心蝶閥的干涉分析3. 2. 1、三偏心蝶閥的運動干涉條件三偏心蝶閥的蝶板是在圓錐體上斜截得到的一定厚度的橢圓形截面實體，如圖2 所示。3個偏心的第一偏心是指閥座密封面或蝶板厚度方向的等分線與閥桿屮心相對 偏心（長度h）;第二偏心是指閥桿中心與閥門通道中心的相對偏心（長度e）;第三偏心 是指圓錐形密封面的屮心線與閥門通道屮心線的相對偏心（角度y ）。直線ab表示閥

10、座密封面上某點m在某個平面處的切線方向；u代表蝶板在該點的速度方向；速度方 向和切線ab的夾角為8逆時針方向為正，順時方向針為負。文中稱b為啟閉性 能指小角o圖2三偏心蝶閥密封結(jié)構(gòu)蝶板逆時針方向轉(zhuǎn)動，蝶板開啟。當速度方向u位于切線ab方向的下方吋，密 封副不發(fā)生干涉，0 0；當速度方向位于切線ab方向的上方時，密封副發(fā)生干涉, 0<0o由此可知，當00時，密封副運動存在干涉。因此，在設(shè)計過程中，確定合 理的三個偏心量，保證（）20,從而解決干涉問題。3.2.2、運動干涉分析為了計算啟閉性能指示角并判斷三偏心蝶閥的干涉情況，建立三偏心蝶閥啟 閉性能指示角的角度刨切計算模型。先將密封面沿著閥

11、體通道中心線的垂直方向等分為n份，得到n+1個相互平行的橢圓形平而（s平而），如圖3所示。圖3密封面的角度刨切建立橢圓方程：f+yjigl（仏+*貂尸式中h0圓錐頂點到蝶板密封面的中性面之間的距離，mm； a圓錐半角，° ; y偏心角，°然后以0點為圓心，將每個橢圓平而按等角度平分為n等份進行等角度創(chuàng)切， 從而得到橢圓曲線和直線0a的交點m,計算m點的啟閉性能指示角。其中直線0a的 方程為：yn驊聯(lián)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當 © 二90° , x二0 時：- 1 + igaigy輸入已知設(shè)計參數(shù)di、t、e、h、a、y,即口j確定m點的坐標（xi, y,刃。其 中d1代表蝶板密封面中徑的長軸，t為蝶板密封面的寬度。建立蝶板運動關(guān)系，計算m點的啟閉性能指示角。如圖4所示，01為閥桿旋轉(zhuǎn) 中心，v為m點繞01旋轉(zhuǎn)運動時的速

13、度方向，8是運動方向與m點切線的夾角，即 該點的啟閉性能指示角。哪二tv由圖4中的兒何關(guān)系可得：i和（心+2式中 yol, z01閥桿小心的坐標根據(jù)式可求岀m點的啟閉性能指示角，并判斷其干涉情況。即()20當 時，密封副不發(fā)生干涉；0<0時，密封副發(fā)生干涉。用牛頓二次切分法求出精確的干 涉范圍，精度可以通過設(shè)定變量的值來確定。3.2.3、蝶板的最佳偏心計算(1) 蝶板的錐頂角2 a的計算蝶板的錐頂角大小與所選密封材料的摩擦系數(shù)fm有關(guān)，為了使閥門在關(guān)閉位置 時實現(xiàn)自鎖，根據(jù)機械原理知：tg2a fm (10)可以根據(jù)密封材料的摩擦系數(shù)fm計算出蝶板的錐頂角2 a ,然后結(jié)合實際情況 選擇

14、合理的角度。(2) 蝶板偏心角的計算由圖2的幾何關(guān)系得：y = a - h (11)式中a摩擦角，° , tga=fm； n圓錐母線與閥門流道中心線的夾角，°結(jié)合式(10)、(11)可得： 0< y a /2 (12)(3) 軸向偏心h的范圍：2 < ° 2式中d閥桿的直徑，mm； i閥座密封面的厚度，mm(4)徑向偏心的計算當8 no時，密封副不發(fā)生干涉，結(jié)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密封面中徑所在i員i與i員i錐軸線的交點和與閥體軸線的交點間距離，只要給定a、y. h,按照式（14）,結(jié)合密封而上任意點的坐標，就可以計算出每一 點的最小徑向偏心。提取所有點屮最小徑向偏心屮的最大值，該最大值就是密封面 不發(fā)生干涉的最小徑向偏心值。無論參數(shù)如何選収，在閥門全關(guān)狀態(tài)下蝶板與閥體的密封副都是完全貼合的。開啟閥門如 果不發(fā)牛干涉，則過關(guān)閥門密封副必將全面干涉。開啟閥門如果有干涉產(chǎn)牛，則過關(guān)閥門密封副 將部分干涉、部分脫離。此時的參數(shù)選擇不可用。3. 3、數(shù)據(jù)分析以dn300超低溫蝶閥為例，分析各個參數(shù)選擇的方法。dn300超低溫蝶閥是設(shè)計應用 于空分行業(yè)，需在

16、-196°c深冷工況下長期工作。此設(shè)計中d為290mm, e為35mm, b 為8mm、c為20mmo通過solidworks軟件可以確定a、a和b的取值范圍（表1）。d = 290mm徑向偏心偏心角錐頂角e = 35mmaapb =8 mmmm(°)（。）c = 20m m1.3-204.4-2026-29表1參數(shù)a、a、b取值范i韋i在參數(shù)a、a > b的取值范圍內(nèi)，單一變換某一參數(shù)過關(guān)閥門0.3。，計算密封副的干涉量。以變換參數(shù)為橫坐標，干涉量為縱坐標繪制岀參數(shù)與干涉量變化趨勢 圖（圖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 徑向仇心mlhfll4 ooooooooo 3 3 3 3*3333 o 9 k 7 6 5 4 1 2emajlr童宀fiwvwj整養(yǎng)520（a）徑向偏心（b）偏心角（c）錐頂角圖5參數(shù)與t涉量關(guān)系從徑向偏心、偏心角、錐頂角與干涉量的關(guān)系可以看出，在不干涉的參數(shù)取值范圍內(nèi)，徑向偏心、偏心角和錐頂角與干涉量呈正線性關(guān)系三偏心參數(shù)及錐頂角的選取，決定了閥門開啟時是否干涉，關(guān)閉時密封面密封比壓是否均勻，及其密封的可靠性。4、不同偏心結(jié)構(gòu)蝶閥的性能變化隨著閥板偏心數(shù)增加，閥板的厚度也加厚，則流體流經(jīng)三偏心蝶閥的阻力增加;

18、 隨著蝶閥偏心數(shù)目的壇加，閥門的性能也冇很大的變化。三偏心蝶閥可以產(chǎn)生較人 的壓力降，可當作調(diào)節(jié)閥使用；流體流經(jīng)閥門時的壓力降隨偏心數(shù)目的増加而増加; 但與其它一些非蝶閥相比，三偏心蝶閥的壓力降述是比較小的。隨著蝶閥偏心數(shù)口 的變化，閥座密封性能也隨z改變，三偏心蝶閥冇極佳的閥座密封性能。偏心數(shù)目 增大，閥門啟閉時所需的扭矩減小，所以三偏心蝶閥啟閉所需的扭矩比其它型式的 蝶閥要小得多。隨偏心數(shù)口的變化，蝶閥的溫度壓力等級范圍和適用的溫度范圍也 會有較人的變化，三偏心蝶閥的適用溫度和壓力等級的范圍是其它型式蝶閥無法比 擬的。5、三偏心蝶閥偏心的改進5.1目前三偏心蝶閥的偏心缺陷目前的三偏心蝶閥，

19、雖然有許多的優(yōu)點，如要真正的發(fā)揮作用有賴于精密的加 工。目前的三偏心蝶閥的閥座和閥體為一休式結(jié)構(gòu)（圖6）,即閥座直接堆焊在閥體 上，閥座無法更換，如果閥座損壞，就只能整閥更換，維修成木極為高昂。而且閥 板和閥座之間的配合尺寸無法調(diào)整，只能單配，如果有一個零件尺寸不到位，只能 重做一個，所以裝配極為困難。這嚴重影響了三偏心蝶閥的質(zhì)量，也造成了客戶對三偏心蝶閥的不信任。三偏心蝶閥偏心的改進圖6閥座和閥體為一體式結(jié)構(gòu)的三偏心蝶閥為了克服三偏心蝶閥存在的缺陷，對三偏心蝶閥的密封原理和結(jié)構(gòu)進行了深入 的研究和改進。并開發(fā)了一種分體式可自由調(diào)整的雙向零泄漏硬密封蝶閥，提供一 種分體式的閥座結(jié)構(gòu)，閥座和密封圈可互換，密封圈可自由調(diào)整、裝配、維修簡單, 能實現(xiàn)雙向零泄漏的硬密封三偏心蝶閥。5. 2改進三偏心蝶閥缺陷的方法首先為了解決閥座更換的問題，設(shè)計了分體式的閥座（圖7）。閥座在閥體上, 通過壓蓋壓緊，卸下壓蓋，可更換閥座，這不僅解決了閥座不能更換的難題，而且 方便了閥座的加工，因為一體化的閥座工裝不僅笨重，而且大口徑需在立車加工， 加工精度并，表面粗糙度并，分體后閥座可以在數(shù)控車床加工，精度高，而且可以 設(shè)計成幾