三偏心蝶閥的蝶板偏心角及回轉(zhuǎn)中心位置的
優(yōu)化設(shè)計(jì)

開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司 李咸有

摘要：介紹了三偏心蝶閥的密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理；以減小密封寬度!" 為目的，分析了蝶板偏心角!的計(jì)算與選擇方法；為了減小摩擦力矩并且使蝶板關(guān)閉時(shí)彈性變形均勻，介紹了蝶板回轉(zhuǎn)中心*位置的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)確定其回轉(zhuǎn)中心的相關(guān)條件和幾何參數(shù)作了分析。

關(guān)鍵詞：蝶閥 偏心角 密封 回轉(zhuǎn)中心

• 引言

近幾年來(lái)，現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，使蝶閥廣 泛應(yīng)用于先進(jìn)的工藝過(guò)程。為此世界各國(guó)都在研 究新的蝶閥密封結(jié)構(gòu)形式，使其能夠滿足新的工 藝要求。zui近，我們?cè)陔p偏心的基礎(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)，它保 留了雙偏心蝶閥的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又減小了偏心驅(qū)動(dòng) 力矩。但是，三偏心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，合理選 擇回轉(zhuǎn)中心的位置顯得十分重要，本文就*偏 心角和回轉(zhuǎn)中心的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2三偏心結(jié)構(gòu)的密封原理

當(dāng)前三偏心結(jié)構(gòu)的密封副形式多種多樣，有 球形、拋物線形、錐面形等，由于錐面密封面的加 工性能好，按一般工藝就可以保證其設(shè)計(jì)精度，在 此，以錐面密封為例討論其密封原理。

圖1為三偏心蝶板的設(shè)計(jì)原理圖。蝶板密封 面為錐面，若采用正圓錐體，由于其大端直徑大于 閥座密封圈內(nèi)徑，啟閉蝶板時(shí)容易與閥座發(fā)生干 涉，采用偏心角為!的偏心錐面解決了這個(gè)問(wèn) 題。設(shè)回轉(zhuǎn)中心為E點(diǎn)，密封*點(diǎn)為Pi、P2，則 EP1 % EP2，EP1 % 01 $，能夠?qū)崿F(xiàn)快速脫離密封 面，而且EPt > E&，因此'點(diǎn)也能順利通過(guò)閥座， 并實(shí)現(xiàn)接觸密封。當(dāng)?shù)謇^續(xù)關(guān)閉時(shí)，由于EA, > EPi，故蝶板越關(guān)越緊，能實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的自鎖。

圖1三偏心結(jié)構(gòu) 3蝶板*偏心角的選擇原則

3.1保證閥門(mén)的密封性 閥門(mén)的密封性是靠密封副間擠壓變形后，阻 斷介質(zhì)的滲透力而切斷介質(zhì)的流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為 了實(shí)現(xiàn)密封，在密封副間必須具備一定的密封力， 具體反映在密封面上即需要一定的密封比壓。根 據(jù)密封原理可知，應(yīng)滿足密封條件：

% ' <['] ⑴ 式中 q——實(shí)際密封比壓，MPa

[!]——密封材料的許用比壓，MPa ——必需密封比壓，MPa 必需密封比壓值按下式計(jì)算：

C % KP 、、

$ vm ⑴

式中C——與密封面材料有關(guān)的系數(shù)

K——在給定密封材料情況下，考慮介質(zhì) 壓力對(duì)比壓值的影響系數(shù) P——介質(zhì)工作壓力，MPa bm——密封面接觸寬度，_

由此可見(jiàn)，閥門(mén)密封必需密封比壓qm與接 觸密封寬度b"有關(guān)。

而啟閉時(shí)的摩擦力矩：

M" $ nDqb"fm V*2 % (D/2、2 (N-mm、 (3、

式中 D 密封直徑，mm

* 軸向偏心距，mm

fm——密封材料的摩擦系數(shù) 要減小啟閉瞬間的摩擦力矩，需要盡可能地 減小實(shí)際密封比壓q，通常取q = 1.4qm，代入式 (3)，同時(shí)也將式(2)代入式(3)整理后得：

Mm =3.48Dfm( C % KP、bm(4*2 % D2、(4、 從式(4)可知在其它條件不變的情況下，減小 密封寬度可以減小摩擦力矩。根據(jù)式（1)知q = 1.4qm < [ q]，代入式(2)整理后得：

, 19.6( C % KP、2

bm >  (5、

[q]

由此可以看出，接觸密封寬度bm在滿足式 (5)的條件下，可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)取較小值。

3. 2蝶板的錐度2^的選擇 蝶板的錐度大小與所選的密封材料的摩擦系 數(shù)fm有關(guān)，為了使閥門(mén)在關(guān)閉位置時(shí)實(shí)現(xiàn)自鎖， 根據(jù)機(jī)械原理知：

柳"fm (6)

可以根據(jù)密封材料的摩擦系數(shù)fm計(jì)算出蝶 板的錐度2"然后結(jié)合實(shí)際情況選擇合理的錐

度。

3.3蝶板的偏心角《的計(jì)算 由圖1知，在坐標(biāo)系+ - Y中，根據(jù)幾何學(xué)原 理得：

$ 二 " - a

-二上

2cos"

那么各點(diǎn)的坐標(biāo)為O1 ( — sin"，0)，A[ — sin"- —sin(" - a、，— cos( " - a )]，B[ — sin" - — sin( " % a、，- — cos(" + a)]，Po[- —( cos a - sin2")/sin"， —sina/sin"]。

設(shè)直線Po P1的斜率為$1，則：

tg$ = $1 = tg("一 a、 (7、

圓0么的方程：

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

式中r為密封圈密封半徑，.1 O2 = — % r，圓心坐 標(biāo)：：-rsin"，( r % —、os"]

設(shè)直線P0A的方程y = K1 / % b，將點(diǎn)A的坐 標(biāo)代入方程得到方程的截距為：

b = —[ 1 - sin(" - a)sin"]/cos(" - a、

那么直線P0A的方程：

y = /tg( " - a、％ — cos(" - a、一 —[ sin"

-sin( " - a、]tg( " - a、 (9、

將式(9、代入式(8、求出其交點(diǎn)間距離即接觸 密封寬度bm ：

(導(dǎo)、2 = r2sin2a - —(1 -cos a、2 % 2 r—

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

B cos ( " - a、 ( 10、

而接觸密封寬度bm在式(5、中已經(jīng)確定，錐 度2"也已知，將它們代入式(10、就可計(jì)算出符合 要求的偏心角a。

4蝶板*回轉(zhuǎn)中心選擇原則及計(jì)算

4.1三偏心的位置分析

設(shè)圖1E點(diǎn)為回轉(zhuǎn)中心，則當(dāng)?shù)屙槙r(shí)針或逆 時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)朽、P2運(yùn)動(dòng)方向分別為h和t2的 方向。

設(shè) AE = rA，BE = rB，t1 和 分別與 rA、rB 垂 直，并且與P。A和P。B的夾角為&、(％，由于q " rB 并且取％ > %2 則有 rA < 01 P1 > rB < 01 P2，設(shè)密 封圈的zui小內(nèi)徑點(diǎn)為P1 〃和P{'，于是蝶板的上半 部分能夠?qū)崿F(xiàn)快速關(guān)閉或者快速脫離密封面。下 半部分，雖然rB > 01 P2，但是其密封點(diǎn)在P2〃的 右側(cè)，對(duì)三偏心的錐面密封，蝶板上密封點(diǎn)左側(cè)的 旋轉(zhuǎn)半徑均小于rB，因此啟閉過(guò)程不受影響，且 具有快速脫離或密封的特性，減小了啟閉過(guò)程中 的摩擦力矩。

4.2保證密封面的均勻變形

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

將式(12) ~ (14)代入式(11)整理后得:

中心E的位置，也是符合條件的*位置。

5討論

上述計(jì)算回轉(zhuǎn)中心公式都是從理論上推導(dǎo)出 來(lái)的，在實(shí)際應(yīng)用中，還受到各零部件機(jī)械性能的 約束。因此在確定理想位置后，還應(yīng)根據(jù)零部件 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

理論上計(jì)算出來(lái)的E點(diǎn)坐標(biāo)（*",+")，由于 *" > H，根據(jù)式(3)知這種情況下啟閉瞬間摩擦力 矩增大。為了減小摩擦力矩，各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu) 應(yīng)在滿足機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)的前提下，結(jié)合實(shí)際情況 合理選取*"的值，通常取回轉(zhuǎn)中心的軸向偏心距 X" % H或略小于H。

5.2 $1和的確定

首先根據(jù)蝶閥的實(shí)際參數(shù)、零部件結(jié)構(gòu)和式 (11)來(lái)確定，r$、rB 一般為n > 1 ~ 1.1。大口徑閥 門(mén)取n接近1，小口徑閥門(mén)取大一些，當(dāng)比值n選

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^

圓上都滿足均勻變形的條件，該圓方程中夾角$1 和％的取值對(duì)E點(diǎn)的坐標(biāo)影響很大。根據(jù)文獻(xiàn) [1]知，滿足蝶板彈性變形的條件為$ % $，這與 式(15)矛盾，為了兼顧這兩個(gè)條件，結(jié)合式（11)取 $1 和 $2 值接近，1< & <1.1，2°<$、$2 <1'。

4.3計(jì)算E點(diǎn)的坐標(biāo) 直線 P0 P1 的方程為 y %tg (%-a)x + R[1- sin(% - a )sin]/cos( % - a )，過(guò)點(diǎn) Pi 與直線 P。P1 垂直的直線P1"的方程為：

1 + Dj

tg(% - a + $1 )* 2cos%cos(% - a )

X [1 - sin( % - a )sin%] ( 16)

(15)求它們的交點(diǎn)即為回轉(zhuǎn)