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发布时间:2014-10-27   点击次数:1535次

三偏心蝶阀的蝶板偏心角及回转中心位置的
优化设计

开封空分集团有限公司 李咸有

 

 

摘要:介绍了三偏心蝶阀的密封结构特点和工作原理;以减小密封宽度!" 为目的,分析了蝶板偏心角!的计算与选择方法;为了减小摩擦力矩并且使蝶板关闭时弹性变形均匀,介绍了蝶板回转中心zui佳位置的设计计算方法,对确定其回转中心的相关条件和几何参数作了分析。


关键词:蝶阀 偏心角 密封 回转中心

  • 引言

近几年来,现代化工业的快速发展,使蝶阀广 泛应用于先进的工艺过程。为此世界各国都在研 究新的蝶阀密封结构形式,使其能够满足新的工 艺要求。zui近,我们在双偏心的基础上使蝶板的 中心偏置一定的角度,形成三偏心密封结构,它保 留了双偏心蝶阀的优点,同时又减小了偏心驱动 力矩。但是,三偏心结构的设计相当复杂,合理选 择回转中心的位置显得十分重要,本文就zui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原理

当前三偏心结构的密封副形式多种多样,有 球形、抛物线形、锥面形等,由于锥面密封面的加 工性能好,按一般工艺就可以保证其设计精度,在 此,以锥面密封为例讨论其密封原理。

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,由于其大端直径大于 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!的偏心锥面解决了这个问 题。设回转中心为E点,密封zui佳点为PiP2,则 EP1 EP2EP1 % 01 $,能够实现快速脱离密封 面,而且EPt E&,因此'点也能顺利通过阀座, 并实现接触密封。当蝶板继续关闭时,由于EA, EPi,故蝶板越关越紧,能实现阀门的自锁。

 

1三偏心结构 3蝶板zui佳偏心角的选择原则

3.1保证阀门的密封性 阀门的密封性是靠密封副间挤压变形后,阻 断介质的渗透力而切断介质的流动来实现的。为 了实现密封,在密封副间必须具备一定的密封力, 具体反映在密封面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:

' <['] ⑴ 式中 q——实际密封比压MPa

 

[!]——密封材料的许用比压MPa ——必需密封比压MPa 必需密封比压值按下式计算:

C KP 、、

vm

式中C——与密封面材料有关的系数

K——在给定密封材料情况下,考虑介质 压力对比压值的影响系数 P——介质工作压力MPa bm——密封面接触宽度,_

由此可见,阀门密封必需密封比压qm与接 触密封宽度b"有关。

而启闭时的摩擦力矩:

M" nDqb"fm V*2 % (D/2、2 (N-mm (3

式中 D 密封直径mm

* 轴向偏心距mm

fm——密封材料的摩擦系数 要减小启闭瞬间的摩擦力矩,需要尽可能地 减小实际密封比压q,通常取q = 1.4qm,代入式 (3),同时也将式(2)代入式(3)整理后得:

Mm =3.48Dfm( C KPbm(4*2 % D2(4、 从式(4)可知在其它条件不变的情况下,减小 密封宽度可以减小摩擦力矩。根据式1)q 1.4qm [ q],代入式(2)整理后得:

, 19.6( C KP2

bm  (5

[q]

由此可以看出,接触密封宽度bm在满足式 (5)的条件下,可以根据实际情况适当取较小值。

32蝶板的锥度2^的选择 蝶板的锥度大小与所选的密封材料的摩擦系 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:

"fm (6)

可以根据密封材料的摩擦系数fm计算出蝶 板的锥度2"然后结合实际情况选择合理的锥

度。

3.3蝶板的偏心角《的计算 由图1知,在坐标系Y中,根据几何学原 理得:

 " - a

-二上

2cos"

那么各点的坐标为O1 ( — sin"0)A[ — sin"- —sin(" - a、, cos( " - a )]B[  sin" -  sin( " % a、,-  cos(" + a)]Po[- —( cos a - sin2")/sin", sina/sin"]。

设直线Po P1的斜率为$1,则:

tg$ = $1 = tg("一 a (7

0的方程

(/ % rsin"、2 % [ 1 - (  % r)cos"]2 = r2 (8

式中r为密封圈密封半径.1 O2 =  % r,圆心坐 ::-rsin",( r % —os"]

设直线P0A的方程y = K1 / % b,将点A的坐 标代入方程得到方程的截距为:

b —[ - sin(" - a)sin"]/cos(" - a

那么直线P0A的方程

y = /tg( " - a  cos(" - a —[ sin"

-sin( " - a]tg( " - a (9

将式(9、代入式(8、求出其交点间距离即接触 密封宽度bm 

(2 = r2sin2a - —(1 -cos a2 % 2 r—

X(1 -cos a )[ cos" % sin a sin (" - a、]

B cos ( " - a 10

而接触密封宽度bm在式(5中已经确定,锥 2"也已知,将它们代入式(10、就可计算出符合 要求的偏心角a

4蝶板zui佳回转中心选择原则及计算

4.1三偏心的位置分析

设图1E点为回转中心,则当蝶板顺时针或逆 时针转动时,点朽P2运动方向分别为ht2的 方向。

 AE rABE rBt1  分别与 rArB 垂 直,并且与PAPB的夹角为&(,由于q " rB 并且取 > %2 则有 rA < 01 P1 > rB < 01 P2,设密 封圈的zui小内径点为P1 〃和P{',于是蝶板的上半 部分能够实现快速关闭或者快速脱离密封面。下 半部分,虽然rB > 01 P2,但是其密封点在P2的 右侧,对三偏心的锥面密封,蝶板上密封点左侧的 旋转半径均小于rB,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

;2 + {" - R[ 1 - sin%sin ( % - a) )/cos (% - a ) }2 ;2 + 2

将式(12) ~ (14)代入式(11)整理后得:

中心E的位置,也是符合条件的zui佳位置。

5讨论

上述计算回转中心公式都是从理论上推导出 来的,在实际应用中,还受到各零部件机械性能的 约束。因此在确定理想位置后,还应根据零部件 的结构进行优化设计。

5.1结构优化

理论上计算出来的E点坐标(*",+"),由于 *" H,根据式(3)知这种情况下启闭瞬间摩擦力 矩增大。为了减小摩擦力矩,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,通常取回转中心的轴向偏心距 X" % H或略小于H

5.2 $1和的确定

首先根据蝶阀的实际参数、零部件结构和式 (11)来确定,r$rB 一般为n > 1 ~ 1.1。大口径阀 门取n接近1,小口径阀门取大一些,当比值n

2cos%( tg2 - tg2 $2 )

2 n 1 - sin % sin ( % -

+ tg $!  %

cos ( % - a )

2 D1tg^1 tg$ cos a - sin2% tg2 $ i - tg2 $2 cos2a + cos2^

圆上都满足均匀变形的条件,该圆方程中夹角$1 和%的取值对E点的坐标影响很大。根据文献 [1]知,满足蝶板弹性变形的条件为$ % $,这与 式(15)矛盾,为了兼顾这两个条件,结合式11)取 $1  $2 值接近,1< & <1.12°<$、$2 <1'。

4.3计算E点的坐标 直线 P0 P1 的方程为 y %tg (%-a)x R[1- sin(% - a )sin]/cos( % - a ),过点 Pi 与直线 PP1 垂直的直线P1"的方程为:

1 + Dj

tg(% - a + $1 )* 2cos%cos(% - a )

X [1 - sin( % - a )sin%] ( 16)

(15)求它们的交点即为回转

 

 

 

 

 

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