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1、三偏心蝶阀的阀板的偏心角及回转中心位置的优化设计1引言近几年來，现代化工业的快速发展，使蝶阀广泛应用丁先进的工艺过程。为此世界各国都在研宂新 的蝶阀密封结构形式，使其能够满足新的工艺要求。扱近，我们在双偏心的基础上使蝶板的中心偏置-定 的角度，形成三偏心密封结构，它保留了双偏心蝶阀的优点，同吋乂减小了偏心驱动力矩。但是，三偏心 结构的设计相当fi杂，合理选择回转中心的位.胃.显得十分要，本文就最佳偏心角和回转中心的优化设计 进行探讨。2三偏心结构的密封涼理当前三偏心结构的密封副形式多种多样，宥球形、抛物线形、锥面形等，由于锥面密封面的加T性 能好，按一般工艺就可以保证其设计精度，在此，以锥而密
2、封为例讨论其密封原理。图1为三偏心蝶板的设计原理图。蝶板密封面为锥面，若采用正圆锥体，由于其大端H径大于阀座 密封圈内径，启闭蝶板时容易与阀座发生干涉，采用偏心角为a的偏心锥面解决丫这个问题。设回转中心 为E点，密封最佳点为P：、P2,则EP,EP2, EP,EP,故蝶板越关越紧，能实现阀门的 自锁。囝1三偏心结构3蝶板鉍佳偏心角的选择殷则3.1保证阀门的密封性阀门的密封性处靠密封副间挤压变形活，阻断介质的渗透力而切断介质的流动來实现的。力/实现 密封，在密封副间必须具备一定的密封力，具体反映在密封而上即需要一定的密封比压。根据密封原理可 知，应满足密封条件：qq q（ 1）式中q实际密封比压
3、，MPa q密封材料的许用比伍，MPa q一必需密封比压，MPa必盂密封比压值按下式计算：C + KP(2)式中C一与密封面材料有关的系数K一在给定密封材料情况卜考虑介质压力对比压值的影响系数 P介质工作压力，MPa b,.密封面接触宽度，nun由此可见，阀门密封必需密封比压q、与接触密封宽度b，,有关。而启闭时的摩擦力矩：M =冗Dqb丄（況扁）（3）式中D密封直径，nun II一轴偏心距，nun f_密封材料的摩擦系数要减小启闭瞬间的摩擦力矩，盂耍尽可能地减小劣际密封比压1，通常取q=1.4cb，代入式（3） M时也将式（2）代入式（3）整理后得：= 3ADfm（CKF）AH2 + D2）
4、（4）从式（4）可知在其它条件不变的情况下，减小密封宽度可以减小縻擦力矩。根据式（1）知q=1.4 qq,代入式（2）整理后得：b19.6（0 + 奶2由此可以看出，接触密封宽度bs在满足式(5)的条件下，可以根据实际惜况适当取较小值、3.2蝶板的锥度2 0的选择蝶板的雄度大小与所选的密封材料的摩擦系数f，冇关，为丫使阀门在关闭位置时实现自锁，根据机 械原理知：tg2 3 f(6)可以根据密封材料的摩擦系数计算出蝶板的锥度,然后结合实际怙况选择合理的锥度。3.3蝶板的偏心角a的计算由图1知，在坐标系X-Y中，根据几何学原理得：(J)= f3 - aR= D 2cos j3H = tgj3=Rs
5、inj8 2那么各点的坐标为 a (RsinP , 0) , ARsinP-Rsin ( P - a ) , Rcos ( P - a ) , BRsinP-Rsi n ( P + u )，-Rcos ( 3 + a ) , Po-R (cos a-sin2 3) /sinP, Rsinu/sinP。设U线PP,的斜率为K,则：tgh=K!=tg ( 3 - a )(7)圆02的方程:(x+rsin 3 ) 2+ y- (R+r) cosP2=r2 (8)式中r为密封圈密封半径，OiO2=R+r,圆心坐标：-rsinP ,(r+R) cosP 设直线PA的方程y=K：x+b,将点A的坐标代入方
6、程得到方程的截距为：b=Rlsin ( 3 - a ) sin 3 /cos ( 0 -a )那么直线PeA的方程：y=xtg ( 3 - a ) +Rcos ( P - a ) 一Rsin P sin ( P - a ) tg ( P - a )(9)将式(9)代入式(8)求出其交点问距离即接触密封宽度bB:)2=r2sinz a-R: (1cos a ) 2+2rR X (1-cos a ) cos 3 +sin a sin ( 3 - a ) 4-cos ( 3 -(10)而接触密封宽度b、在式（5）中已经确定，锥度2 P也己知，将它们代入式（10）就可计算出符合 要求的偏心角a。4蝶板
7、最佳回转中心选择原则及计算4. 1三偏心的位.胃.分析没图1E点为回转中心，则当蝶板顺时针或逆时针转动时，点P：、P：运动方向分别为和t2的方内。设AE=n，BE=re, 11和1;2分别与1、n垂直，并且与和hB的夹角为02，由子1彡rB并且 取则有r/OiPu rO,P2,但是其密封点在P的右侧，对三偏心的锥而密封，蝶板 上密封点左侧的旋转半径均小于n，因此启闭过程不受影响，且具有快速脱离或密封的特性，减小了启闭 过程中的摩擦力矩。4.2保证密封面的均匀变形当蝶板关闭时，依靠密封副间的过盈景产生挤压弹性变形实现密封，然而阀门的不断启闭使密封副 间产生相对滑动而磨损。在结构上，过去的对称或轴
8、向偏心形蝶阀，全开时在转轴位置处密封副间始终力 挤压和磨损状态，容易过早泄漏。双偏心蝶阀解决丫上述问题，不过双偏心密封副形式均力双球面接触， 仑们的加工比较复杂，现在研宄开发的三偏心蝶阀密封结构，既保持了双偏心的优点乂提髙了加工的工艺 性。但是三偏心密封结构的旋转中心的位置对弹性变形影响很大，为延长蝶阀的使用寿命，应当使密封副 的过盈呈尽呈均匀。如图2所示，当蝶板旋转关闭后，继续转动角度产生过关闭将产生过盈量。在八 hEoF 中，13 Pr =A 8 A, ZP.EoF =A（I）, ZFP,Eo=90d -0 i, ZFP：Eo=90 m P,E0=rA,由文献1知:(11)由于rArB，因
9、此Gi而 R=D,/2cos P(12)则 Pl0，R/cos (0 -a ) , P20，-R/cos O + a ),所以:Al-sinOf)/cos(卢-Of)J(13)rB =冲 -sin /?sin( + af)/ cos(/?4-af)j2将式（12）（14）代入式（11）整理后得:2cos邱g2巧-喀2巧) -1、21 一 sin j8sin(j8- a)cqs(j8-o)=(2Etg9g&2 cos 戊 _ sin2 # 尸 ZgW巧 cos 2d-cos2可见式（15）力圆的方程。圆心绝标力:(0,2cos-这2巧)2 沒 1 - sinfoin(p-a) cos(/?- a
10、)2Zg印cos a- sin2 jScos2a + cos 2jS1-sin jSsin(j8 + a)cos(jB-a)1- sin PsinW + cif)cos(-a；)(15)，圆的半後为:,只耍冋转中心卜:在该阓上都满足均匀变形的条件，该阀方程中夹角叫和叫的取值对E点的坐标影响很大。根据文献1知，满足蝶板弹性变形的条件为0 F 这与 式（15）矛盾，为了兼顾这两个条件，结合式（11）取h和02值接近，lnl. 1, 2 0 02H，根据式(3)知这种怙况下启闭瞬间摩擦力矩增 火。力丫减小摩擦力矩，各个零部件的结构应在满足机械强度设计的前提下，结合实际情况合理选取&的 值，通常取回转
11、中心的轴向偏心距xl:=H或略小丁 II。5.2 (),和叫的确定首先根据蝶阀的实际参数、零部件结构和式(11)来确定，n,般为nri.l。大口径阀门取n 接近1，小口径阀门取大-些，当比值n选定后，将式(11)代入式(15)求出h和e:的位，再将0,和 ()2代入式(16)求出最佳的径向偏心距值。5. 3 r、s、br,的合理选择由几何学原理知：小 2，.5bm)2(17)式中s密封过盈莆(弹性变形贵)密封宽度K由必需密封比压决定，而弹性过盈量s人小受密封材料的弹性模量限制。密封材料的弹 性模量越大引起弹性变形所盂耍的作用力也越大，根据式(17)知，b 定吋，适当增加密封阖的密封半 径r值，
12、可以减小3值，同吋也减小驱动力矩。5.4举例比较以 DN300、PN0.6MPa 为例进行比较,D,=290, r=8, n=1.05, b=4. 23, P=ll，根据式(10)计算 出a =3.5 ,将xE=H=28. 18514代入式(16)和式(15)求出0 ,=3. 756 , 0 2=3. 578 ,然后再将以上各 值代入式(16)求出Ye=3. 66orii文献1知，对于双偏心蝶板结构，在同样条件下：(18)将以上各值代入式(18)得yt=3.67,通过两个值yk的比较可知，它们的偏心力矩接近，但此时实 际e ,和e 2的位太小，阀门开启吋两密封体不能及-9分离。6结论(1) 由于偏心角a大小影响蒞密封比压和过盈景，是决定阀门启闭性能的关键因素，这里讨论的 偏心角a取值方法足以密封宽度为主耍因索，使偏心角a的选择有丫依据，其计算比较复杂，不过借助计 算机能够方便地求解。(2) 回转中心E点的确定方法是先通过理论公式计算，然后结合实际惜况进行结构优化，既考虑 到机械原理乂考虑到机械性能，因此前而的方法考虑因素较全而，M吋简捷方便。
