三偏心蝶閥偏心的研究

1、畢業(yè)設計（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2014 年 5 月日答辯日期：目錄目錄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、三偏心蝶閥結構概述53、三偏心各個參數(shù)的分析61、結構分析61、三偏心蝶閥的干涉分析71.4、三偏心蝶閥的運動干涉條件71.4、運動干涉分析81.4、蝶板的最佳偏心計算111、數(shù)據(jù)分析124、不同偏心結構蝶閥的性能變化145、三偏心蝶閥偏心的改進1489892-Numbered_f09fdc29-1bb5-4810-8c6d-ad7b75d9ef

2、1d-Numbered_cddcf556-1754-4faa-8c1e-3d1f3d885340(前三偏心蝶閥的偏心缺陷1489892-Numbered_f09fdc29-1bb5-4810-8c6d-ad7b75d9ef1d-Numbered_cddcf556-1754-4faa-8c1e-3d1f3d885340(進三偏心蝶閥缺陷的方法156、參考文獻167、致謝17摘要蝶閥是近十幾年來發(fā)展最快的閥門品種之一。蝶閥的卓越性能與其自身不斷地偏心、演變、發(fā)展密切相關，被廣泛應用于石油、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?，F(xiàn)在的三偏心碟

3、閥適用范圍已可以耐壓高達 25002500 磅級、耐溫低至-196C-196C、高達 700700C C、密封達到0 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上，使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封結構。該結構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，在閥門關閉時能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，因此，三偏心硬密封蝶閥在現(xiàn)代閥門工業(yè)中得到了快速發(fā)展。關鍵詞：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，在閥門關閉時能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。也就是說，在各種嚴酷關鍵的過程控制管線上、不論是開關閥還是調(diào)控

4、閥，只要選型得當，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。在三偏心的基礎上設計一曲軸結構，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到了加強。這樣的結構對現(xiàn)有的三偏心蝶閥進行了卓有成效的改進。1、三偏心碟閥的發(fā)展同心蝶閥該種蝶閥的結構特征為閥桿軸心，蝶板中心，本體中心在同一位置上。結構簡單，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

5、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。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，具結構特征為閥桿軸心偏離了蝶板中心，從而使蝶板上下端不再成為回轉軸心，分散減輕了蝶板上下端與閥座的過度擠壓。但由于單偏心構造在閥門的整個開關過程中蝶板與閥座的刮擦現(xiàn)象并未消失，在應用范圍上和同心蝶閥大同小異，故米用不多。雙偏心蝶閥在單偏心蝶閥的基礎上進一步改良成型的就是目前應用最廣泛的雙偏心蝶閥。具結構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

6、脫離閥座，大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域的應用。但因為其密封原理屬位置密封構造，即蝶板與閥座的密封面為線接觸，通過蝶板擠壓閥座所造成的彈性變形產(chǎn)生密封效果，故對關閉位置要求很高（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。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，又對蝶閥進行了第三次偏心。具結構特征為在雙偏心的閥桿軸心位置偏心的同時，使蝶板

7、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造，不再是位置密封，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。三偏心蝶閥結構概述2、三偏心蝶閥結構概述由于在雙偏心的基礎上，將閥座中心線與蝶板密封面中心線形成一個角度為的偏置，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

8、，由于 a a 角偏置的形成會使長、短半徑的蝶板變化，蝶板密封面轉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；在關閉時，只有在關閉的瞬間，蝶板的密封面才會接觸并壓緊閥座密封面，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。而在蝶閥關閉時，其密封副兩密封面之間的密封比壓可以由外加于蝶板轉軸的驅(qū)動轉矩產(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之間的密封比降低和消失，而且可以過對外加驅(qū)動轉矩的改變實現(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

9、得到大大的提高。3、三偏心各個參數(shù)的分析結構分析三偏心蝶閥的徑向偏心 a a、動密封副厚度 b b、靜密封副厚度 c c、密封面橢圓長軸d d、軸向偏心 e e、偏心角 a a 和錐頂角 B B 等 7 7 個參數(shù)可以確定三偏心蝶閥的密封副結構。d d 是由閥門的公稱通徑 DNDN 確定，e e 是由閥門的蝶板厚度和閥軸直徑?jīng)Q定的，b b 和 c c 是由閥門的設計壓力及密封面材料、密封面密封比壓決定的，a a、a a 和 B B 的選擇則決定了三偏心蝶閥關閉時是否干涉及關閉后密封面密封比壓是否均勻，密封是否可靠。圖 1 三偏心蝶閥三偏心蝶閥的干涉分析三偏心蝶閥的運動干涉條件三偏心蝶閥的蝶板是

10、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 2所示。3 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中心相對偏心（長度H 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 E）; ;第三偏心是指圓錐形密封面的中心線與閥門通道中心線的相對偏心（角度丫）。直線 ABAB 表示閥座密封面上某點 m m 在某個平面處的切線方向；u u 代表蝶板在該點的速度方向；速度方向和切線ABAB 的夾角為 9,89,8 逆時針方向為正，順時方向針為負。文中稱 9 9 為啟閉性能指示角 o o圖 2 三偏心蝶閥密封結構蝶板逆時針方向轉動，蝶板開啟。當速度方向 u u 位

11、于切線 ABAB 方向的下方時，密封副不發(fā)生干涉，90;90;當速度方向位于切線 ABAB 方向的上方時，密封副發(fā)生干涉，90900 0由此可知，當 8080,90,從而解決干涉問題。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。先將密封面沿著閥體通道中心線的垂直方向等分為 n n 份，得到 n+1n+1 個相互平行的橢圓形平面（S S 平面），如圖 3 3 所示。圖 3 密封面的角度刨切建立橢圓方程：式中 H0H0 圓錐頂點到蝶板密封面的中性面之間的距離，mmamma 圓錐半角，；Y Y 偏心角，。然后以 O O 點為圓心，將每

12、個橢圓平面按等角度平分為 n n 等份進行等角度刨切，從而得到橢圓曲線和直線 OAOA 的交點 m m 計算 m m 點的啟閉性能指示角。其中直線 OAOA 勺方程為：一聯(lián)立式（1 1）、（2 2）, ,解得 x x、v：gytM中.(+電/)口孫映1-IT 陟。+1眇陶2_1甘/電中里a-()+蠟6)1T乩1的i陟2222_I_Lgcp+30cLgy1曄等lg+(I+略/)1勺41段- - -1 1- -yt即+(1+4HjMit等)2=*222一1=里r+1段-tgyl兩？兒的當（| |）=90,=90,x=0 x=0 時：-1+-1+培（!耳產(chǎn)輸入已知設計參數(shù) D1D1、T T、E E、

13、H H、a a、丫，即可確定 m m 點的坐標（xixi, ,y,zy,z）。其中 D1D1 代表蝶板密封面中徑的長軸，T T 為蝶板密封面的寬度。建立蝶板運動關系，計算 m m 點的啟閉性能指示角。如圖 4 4 所示，O1O1 為閥桿旋轉中心，v v 為m m 點繞 O1O1 旋轉運動時的速度方向，8 8 是運動方向與 m m 點切線的夾角，即該點的啟閉性能指示角。由圖 4 4 中的幾何關系可得:式中 y01y01, ,z01z01閥桿中心的坐標根據(jù)式(7)(7)(9)(9)可求出 m m 點的啟閉性能指示角，并判斷其干涉情況。即 8080 當時，密封副不發(fā)生干涉；8080 時，密封副發(fā)生干

14、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 2a 的計算蝶板的錐頂角大小與所選密封材料的摩擦系數(shù) fmfm 有關，為了使閥門在關閉位置(4)徑向偏心的計算時實現(xiàn)自鎖，根據(jù)機械原理知：可以根據(jù)密封材料的摩擦系數(shù)選擇合理的角度。(2)蝶板偏心角的計算由圖 2 2 的幾何關系得：式中 a a 摩擦角，,夾角，。結合式(10)(10)、(11)(11)可得：(3)軸向偏心 H 的范圍：式中 d d 閥桿的直徑，tg2afmtg2afm(10)(10)fmfm 計算出蝶板的錐頂角 2 2a a,然后結合實際情況丫=a-r=a-

15、r(11)(11)tga=fmtga=fm；4 400La/2La/2(12)(12)圓錐母線與閥門流道中心線的mmtmmt 閥座密圭面的厚度，mmmm當 8 8 方 0 0 時，密封副不發(fā)生干涉，結合式（7 7）（9 9）得至 U U：生E(/(i+f*siny2)-tana(t+s(y-coy+Hsiny)/&siny+tga(x2+y2)式中 e e 密封面中徑所在圓與圓錐軸線的交點和與閥體軸線的交點間距離,只要給定 a a、丫、H,H,按照式（1414）, ,結合密封面上任意點的坐標，就可以計算出每點的最小徑向偏心。提取所有點中最小徑向偏心中的最大值，該最大值就是密封面不發(fā)生干

16、涉的最小徑向偏心值。無論參數(shù)如何選取，在閥門全關狀態(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)生干涉，則過關閥門密封副必將全面干涉。開啟閥門如果有干涉產(chǎn)生，則過關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 DN300DN300 低溫蝶閥為例，分析各個參數(shù)選擇的方法。DN300DN300 低溫蝶閥是設計應用于空分行業(yè)，需在-196-196C C深冷工況下長期工作。 此設計中d d為290mm290mme e為35mm35mmb b為8mm8mmc c為20m20mm m通過SolidworkSolidworks s軟件可以確定 a a、a a 和 0 0

17、的取值范圍（表 1 1）。/=290mm徑向偏心偏心角鍵項角=35mmaoPA=Nminmm(0)c=2hmm1.34.4-2026-29表 1 參數(shù) a、“、3 取值范圍在參數(shù) a a、a a、B B 的取值范圍內(nèi)，單一變換某一參數(shù)過關閥門 0.30.3,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出參數(shù)與干涉量變化趨勢圖（圖 5 5）。圖 5 參數(shù)與干涉量關系從徑向偏心、偏心角、錐頂角與干涉量的關系可以看出，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系三偏心參數(shù)及錐頂角的選取，決定了閥門開啟(a)徑向偏心(b)偏心角(c)錐頂角時是否干涉，關閉時密封

18、面密封比壓是否均勻，及其密封的可靠性。4、不同偏心結構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；隨著蝶閥偏心數(shù)目的增加，閥門的性能也有很大的變化。三偏心蝶閥可以產(chǎn)生較大的壓力降，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)目的增加而增加；但與其它一些非蝶閥相比，三偏心蝶閥的壓力降還是比較小的。隨著蝶閥偏心數(shù)目的變化，閥座密封性能也隨之改變，三偏心蝶閥有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)目的變化，蝶閥的溫度壓力等級范圍和適用的溫度范圍也會有較大的變化，三偏心蝶閥的

19、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目前三偏心蝶閥的偏心缺陷目前的三偏心蝶閥，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。目前的三偏心蝶閥的閥座和閥體為一體式結構（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，維修成本極為高昂。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構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構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構，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。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，設計了分體式的閥座（圖 7 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，加工精度差，表面粗糙度差，分體后閥座可以在數(shù)控車床加工，精度高，而且可以設計成幾個規(guī)格組合式的工裝，極為方便。圖 7