三偏心蝶閥偏心的研究

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）三偏心蝶閥偏心的研究論文作者：劉騰飛指導(dǎo)教師：劉波專業(yè)：機(jī)械制造及自動(dòng)化系（院）：機(jī)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(jié)構(gòu)概述53、三偏心各個(gè)參數(shù)的分析61、結(jié)構(gòu)分析61、三偏心蝶閥的干涉分析71.4、三偏心蝶閥的運(yùn)動(dòng)干涉條件71.4、運(yùn)動(dòng)干涉分析81.4、蝶板的最佳偏心計(jì)算111、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(jìn)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(jìn)三偏心蝶閥缺陷的方法156、參考文獻(xiàn)167、致謝17摘要蝶閥是近十幾年來(lái)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(guān)，被廣泛應(yīng)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(dá) 25002500 磅級(jí)、耐溫低至-196C-196C、高達(dá) 700700C C、密封達(dá)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(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(kāi)啟靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于其偏心錐角的作用，在閥門關(guān)閉時(shí)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(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(kāi)啟靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于其偏心錐角的作用，在閥門關(guān)閉時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。也就是說(shuō)，在各種嚴(yán)酷關(guān)鍵的過(guò)程控制管線上、不論是開(kāi)關(guān)閥還是調(diào)控

4、閥，只要選型得當(dāng)，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(diǎn)，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(diǎn)與三偏心的各個(gè)參數(shù)的大小是密不可分的。在三偏心的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(shí)可使密封圈強(qiáng)制壓緊閥座，實(shí)現(xiàn)雙向密封，且密封性得到加強(qiáng)，三偏心的作用進(jìn)也得到了加強(qiáng)。這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)有的三偏心蝶閥進(jìn)行了卓有成效的改進(jìn)。1、三偏心碟閥的發(fā)展同心蝶閥該種蝶閥的結(jié)構(gòu)特征為閥桿軸心，蝶板中心，本體中心在同一位置上。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。常見(jiàn)的襯膠蝶閥即屬于此類。缺點(diǎn)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(rèn)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?jiǎn)栴}，由此產(chǎn)生了單偏心蝶閥，具結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸心，分散減輕了蝶板上下端與閥座的過(guò)度擠壓。但由于單偏心構(gòu)造在閥門的整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中蝶板與閥座的刮擦現(xiàn)象并未消失，在應(yīng)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(chǔ)上進(jìn)一步改良成型的就是目前應(yīng)用最廣泛的雙偏心蝶閥。具結(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(kāi)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(guò)度擠壓，刮擦現(xiàn)象，減輕了開(kāi)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(shí)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(yīng)用。但因?yàn)槠涿芊庠韺傥恢妹芊鈽?gòu)造，即蝶板與閥座的密封面為線接觸，通過(guò)蝶板擠壓閥座所造成的彈性變形產(chǎn)生密封效果，故對(duì)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(rèn)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(duì)蝶閥進(jìn)行了第三次偏心。具結(jié)構(gòu)特征為在雙偏心的閥桿軸心位置偏心的同時(shí)，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(shuō)，經(jīng)過(guò)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(duì)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(diǎn)就是從根本上改變了密封構(gòu)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(lái)達(dá)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)概述由于在雙偏心的基礎(chǔ)上，將閥座中心線與蝶板密封面中心線形成一個(gè)角度為的偏置，當(dāng)三偏心密封蝶閥處于完全開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，蝶板密封面會(huì)完全脫離閥座密封面

8、，由于 a a 角偏置的形成會(huì)使長(zhǎng)、短半徑的蝶板變化，蝶板密封面轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡的切線與閥座密封面形成兩個(gè)夾角。因?yàn)檫@兩個(gè)夾角的存在，蝶閥開(kāi)啟時(shí)，蝶板密封面會(huì)在開(kāi)啟的瞬間立即脫離閥座密封面；在關(guān)閉時(shí)，只有在關(guān)閉的瞬間，蝶板的密封面才會(huì)接觸并壓緊閥座密封面，從而徹底消除了蝶板啟閉時(shí)蝶板密封副兩密封面之間的機(jī)械磨損和擦傷。而在蝶閥關(guān)閉時(shí)，其密封副兩密封面之間的密封比壓可以由外加于蝶板轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)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之間的密封比降低和消失，而且可以過(guò)對(duì)外加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)參數(shù)的分析結(jié)構(gòu)分析三偏心蝶閥的徑向偏心 a a、動(dòng)密封副厚度 b b、靜密封副厚度 c c、密封面橢圓長(zhǎng)軸d d、軸向偏心 e e、偏心角 a a 和錐頂角 B B 等 7 7 個(gè)參數(shù)可以確定三偏心蝶閥的密封副結(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)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(guān)閉時(shí)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 三偏心蝶閥三偏心蝶閥的干涉分析三偏心蝶閥的運(yùn)動(dòng)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(shí)體，如圖 2 2所示。3 3 個(gè)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(duì)偏心（長(zhǎng)度H H）; ;第二偏心是指閥桿中心與閥門通道中心的相對(duì)偏心（長(zhǎng)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(duì)偏心（角度丫）。直線 ABAB 表示閥座密封面上某點(diǎn) m m 在某個(gè)平面處的切線方向；u u 代表蝶板在該點(diǎn)的速度方向；速度方向和切線ABAB 的夾角為 9,89,8 逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，順時(shí)方向針為負(fù)。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(jié)構(gòu)蝶板逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，蝶板開(kāi)啟。當(dāng)速度方向 u u 位

11、于切線 ABAB 方向的下方時(shí)，密封副不發(fā)生干涉，90;90;當(dāng)速度方向位于切線 ABAB 方向的上方時(shí)，密封副發(fā)生干涉，90900 0由此可知，當(dāng) 8080,90,從而解決干涉問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)干涉分析為了計(jì)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(jì)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)為圓心，將每

12、個(gè)橢圓平面按等角度平分為 n n 等份進(jìn)行等角度刨切，從而得到橢圓曲線和直線 OAOA 的交點(diǎn) m m 計(jì)算 m m 點(diǎn)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？?jī)旱漠?dāng)（| |）=90,=90,x=0 x=0 時(shí)：-1+-1+培（!耳產(chǎn)輸入已知設(shè)計(jì)參數(shù) D1D1、T T、E E、

13、H H、a a、丫，即可確定 m m 點(diǎn)的坐標(biāo)（xixi, ,y,zy,z）。其中 D1D1 代表蝶板密封面中徑的長(zhǎng)軸，T T 為蝶板密封面的寬度。建立蝶板運(yùn)動(dòng)關(guān)系，計(jì)算 m m 點(diǎn)的啟閉性能指示角。如圖 4 4 所示，O1O1 為閥桿旋轉(zhuǎn)中心，v v 為m m 點(diǎn)繞 O1O1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度方向，8 8 是運(yùn)動(dòng)方向與 m m 點(diǎn)切線的夾角，即該點(diǎn)的啟閉性能指示角。由圖 4 4 中的幾何關(guān)系可得:式中 y01y01, ,z01z01閥桿中心的坐標(biāo)根據(jù)式(7)(7)(9)(9)可求出 m m 點(diǎn)的啟閉性能指示角，并判斷其干涉情況。即 8080 當(dāng)時(shí)，密封副不發(fā)生干涉；8080 時(shí)，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(guò)設(shè)定變量的值來(lái)確定。3.2.3、蝶板的最佳偏心計(jì)算(1)蝶板的錐頂角 2a 的計(jì)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(guān)，為了使閥門在關(guān)閉位置(4)徑向偏心的計(jì)算時(shí)實(shí)現(xiàn)自鎖，根據(jù)機(jī)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(jì)算由圖 2 2 的幾何關(guān)系得：式中 a a 摩擦角，,夾角，。結(jié)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(jì)算出蝶板的錐頂角 2 2a a,然后結(jié)合實(shí)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(dāng) 8 8 方 0 0 時(shí)，密封副不發(fā)生干涉，結(jié)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(diǎn)和與閥體軸線的交點(diǎn)間距離,只要給定 a a、丫、H,H,按照式（1414）, ,結(jié)合密封面上任意點(diǎn)的坐標(biāo)，就可以計(jì)算出每點(diǎn)的最小徑向偏心。提取所有點(diǎn)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(wú)論參數(shù)如何選取，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(kāi)啟閥門如果不發(fā)生干涉，則過(guò)關(guān)閥門密封副必將全面干涉。開(kāi)啟閥門如果有干涉產(chǎn)生，則過(guò)關(guān)閥門密封副將部分干涉、部分脫離。此時(shí)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(gè)參數(shù)選擇的方法。DN300DN300 低溫蝶閥是設(shè)計(jì)應(yīng)用于空分行業(yè)，需在-196-196C C深冷工況下長(zhǎng)期工作。 此設(shè)計(jì)中d d為290mm290mme e為35mm35mmb b為8mm8mmc c為20m20mm m通過(guò)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(xiàng)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(guò)關(guān)閥門 0.30.3,計(jì)算密封副的干涉量。以變換參數(shù)為橫坐標(biāo)，干涉量為縱坐標(biāo)繪制出參數(shù)與干涉量變化趨勢(shì)圖（圖 5 5）。圖 5 參數(shù)與干涉量關(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(kāi)啟(a)徑向偏心(b)偏心角(c)錐頂角時(shí)是否干涉，關(guān)閉時(shí)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(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；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(dāng)作調(diào)節(jié)閥使用；流體流經(jīng)閥門時(shí)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(shí)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(jí)范圍和適用的溫度范圍也會(huì)有較大的變化，三偏心蝶閥的

19、適用溫度和壓力等級(jí)的范圍是其它型式蝶閥無(wú)法比擬的。5、三偏心蝶閥偏心的改進(jìn)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(diǎn)，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(jié)構(gòu)（圖6）,即閥座直接堆焊在閥體上，閥座無(wú)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(wú)法調(diào)整，只能單配，如果有一個(gè)零件尺寸不到位，只能重做一個(gè)，所以裝配極為困難。這嚴(yán)重影響了三偏心蝶閥的質(zhì)量，也造成了客戶對(duì)三偏心蝶閥的不信任三偏心蝶閥偏心的改進(jìn)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(duì)三偏心蝶閥的密封原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究和改進(jìn)。并開(kāi)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(jiǎn)單,能實(shí)現(xiàn)雙向零泄漏的硬密封三偏心蝶閥。改進(jìn)三偏心蝶閥缺陷的方法首先為了解決閥座更換的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了分體式的閥座（圖 7 7）。閥座在閥體上,通過(guò)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?yàn)橐惑w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(shè)計(jì)成幾個(gè)規(guī)格組合式的工裝，極為方便。圖 7