（化工过程机械专业论文）三偏心蝶阀的结构优化分析.pdf

硕十学位论文 摘要 随着工业技术的发展，普通软密封蝶阀已满足不了工业上的需求，金属硬密 封蝶阀很快被开发出来，而三偏心结构蝶阀是蝶阀发展、演化过程中比较高级的 一种，但是目前国内还没有对它作深入的研究，还没有形成一个比较完善的理论 分析体系，致使三偏心蝶阀的发展及应用受到一定程度的限制。 本文主要分析了三偏心蝶阀的结构，给出了三偏心的定义，推导出了蝶板截 面的几何方程及其性质，结果表明，沿蝶板厚度的平行截面轮廓线为标准的椭圆 形，进而推导出了蝶板几个主要截面的几何参数( 长轴、短轴) 与三个偏心量之间 的函数关系；考虑到蝶板启闭过程中避免与阀体及阀座发生干涉，结合蝶板的启 闭扭矩，确立了三偏心蝶阀回转中心的适宜区域。对于三偏心蝶阀回转中心的选 择是否合适，本文给出了密封副干涉的计算判别方法以及软件判别方法。 本文对三偏心蝶阀的摩擦力矩作了推导并进行了定性的分析，结果表明，三 偏心蝶阀的轴向偏心距对蝶阀的摩擦力矩影响不大，几乎成水平直线；对于同一 口径的三偏心蝶阀，其摩擦力矩与径向偏心距近似成正比，而其变化也很明显； 与角偏心近似成反比。为此，本文还分别给出了相应的摩擦力矩曲线图。 本文还对三偏心蝶阀的密封力矩作了推导并进行了定性的分析，结果表明， 对于同一口径的三偏心蝶阀，密封力矩与蝶板的厚度近似成反比；与径向偏心距 近似成正比，变化也很明显：而轴向偏心距对密封力矩的影响不是很大；密封力 矩随着蝶板所在的圆锥半锥角的增大而有所增加。 基于上述的理论分析，由已知参数提出了三偏心蝶阀结构优化软件的总体设 计方案。 关键词：蝶阀；三偏心；干涉；摩擦力矩；密封力矩；优化；设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r i a lt e c h n o l o g y ，t h eg e n e r a ls o f ts e a lb u t t e r f l y v a l v eh a sn o tb e e ns a t i s f i e dw i t ht h ed e m a n di nt h ei n d u s t r y ，s ot h em e t a l s e a l b u t t e r f l yv a l v eh a sb e e nd e v e l o p e d t h et r i e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ei s t h em o s t a d v a n c e dd u r i n gt h eb u t t e r f l yv a l v ed e v e l o p m e n ta n de v o l v e m e n t b u t ，a tp r e s e n t ， t h et r i e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v eh a sn o tb e e ns t u d i e dt h o r o u g h l ya th o m e ，a n dh a s n o t b e e nf o r m e dap e r f e c tt h e o r ys y s t e m ，b r o u g h ta b o u tt h el i m i t a t i o no ft h et r i - e c c e n t r i c b u t t e r f l yv a l v ei ni t sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nt oag r e a te x t e n t t h ep a p e ra n a l y z e dt h es t r u c t u r eo ft h et r i e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ea tl e n g t h ， d e f i n e dt h et r i e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e ，a n de d u c e dt h eg e o m e t r yf u n c t i o na n di t s c h a r a c t e r i s t i ca b o u tt h es e c t i o no ft h eb u t t e r f l yd i s c t h er e s u l t si n d i c a t e ：t h ep a r a l l e l c o n t o u rl i n ea c r o s sb u t t e r f l yd i s ct h i c k n e s si sn o r m a le l l i p s e ，t h e r e b ye s t a b l i s h e d f u n c t i o nr e l a t i o n sb e t w e e ni t sg e o m e t r yp a r a m e t e r s ( 1 0 n ga x i sa n ds h o r ta x i s ) o f t h r e ep r i m a r ys e c t i o n so ft h eb u t t e r f l yd i s ca n dt h et r i e c c e n t r i c i t y ；i no r d e rt oa v o i d i n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h eb u t t e r f l yd i s ca n dt h ev a l v es e a ta sw e l la st h ev a l v eb o d y ， c o m b i n i n gt h et o r q u e ，w eo b t a i n e dt h ef e a s i b l er a n g ea b o u t t h er o t a t i o nc e n t e ro ft h e t r i e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e i ns u c c e s s i o n ，w es h o u l dt e s tw h e t h e rt h er o t a t i o n c e n t e ro ft h et r i e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ew a sr i g h t ，b r o u g h tf o r w a r dac o m p u t i n g m e t h o da n das o f t w a r em e t h o dt ot e s tt h es e a lf i ti n t e r f e r e n c e t h ep a p e rd e d u c e dt h ef r i c t i o nm o m e n to ft h et r i e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ea n d g a v ei taq u a l i t a t i v ea n a l y s i s t h er e s u l t si n d i c a t e d ：f o rt h et r i e c c e n t r i cb u t t e r f l y v a l v ew i t ht h es a m ec a l i b e r ，t h ea x i se c c e n t r i c i t ye f f e c t e do nt h ef r i c t i o nm o m e n t m i n u t e l y ；t h ef r i c t i o nm o m e n tw o u l di n c r e a s ew i t ht h er a d i a le c c e n t r i c i t yi n c r e a s i n g ； t h ef r i c t i o nm o m e n tw o u l dd e c r e a s ew i t ht h ea n g l ee c c e n t r i c i t yi n c r e a s i n g s o ，w e g a v et h ef r i c t i o nm o m e n tc u r v e sr e s p e c t i v e l y t h ep a p e ra l s od e d u c e dt h es e a lt o r q u eo ft h et r i e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e t h e r e s u i t si n d i c a t e d ：f o rt h et r i e c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ew i t ht h es a m ec a l i b e r ，t h es e a l t o r q u ew o u l dd e c r e a s ew i t ht h eb u t t e r f l yd i s ct h i c k n e s si n c r e a s i n g ；t h es e a lt o r q u e w o u l di n c r e a s ew i t ht h er a d i a le c c e n t r i c i t yi n c r e a s i n g ；h o w e v e r ，t h ea x i se c c e n t r i c i t y e f f e c t e do nt h es e a lt o r q u em i n u t e l y ；t h es e a lt o r q u ew o u l di n c r e a s ew i t ht h eh a l f c o n ea n g l ei n c r e a s i n ga p p r e c i a b l yo ft h ec o n ew h i c ht h eb u t t e r f l yd i s cb e l o n g e dt o b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i sa b o v e - m e n t i o n e d ，a c c o r d i n g t ot h e g i v e n p a r a m e t e r s ，w ed e s i g n e dt h es y s t e ms o l u t i o nt oo p t i m a ls o f t w a r eo f t h et r i e c c e n t r i c 硕十学位论文 b u t t e r f l yv a l v e ss t r u c t u r e k e yw o r d s ：b u t t e r f l yv a l v e ；t r i p l ee c c e n t r i c ；i n t e r f e r e n c e ；f r i c t i o nm o m e n t ；s e a l t o r q u e ；o p t i m a l ；d e s i g n i l l 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：锏日期：力哆年孓月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 硕十学位论文 第1 章绪论 阀门是用来改变通路断面和介质流动方向、控制输送介质运动的一种装置。 阀门的用途极广，无论是工业、农业、国防尖端，还是交通运输、人民生活等部 门都需要大量的、各种类型的阀门。国民经济以工业为主导，要发展工业，阀门 是不可缺少的设备之一，无论是工厂，还是矿山，都需要有各种各样的管道来输 送各种各样的介质，钢铁厂、炼油厂、发电厂、化工厂都有许多水、蒸汽、空气、 油类和其它腐蚀性介质的管道，煤矿的水力采煤和油田的采油也同样，新兴发展 起来的合成橡胶、合成塑料和合成纤维更离不开阀门，据不完全统计，一个现代 化的石油、化工联合企业就需要上万个阀门产品来为它服务；国民经济以农业为 基础，要实行农业技术改造，也得提供很多的阀门，例如，化肥厂、农药厂、农 田水利排灌和农业机械化，电气化等部门，阀门都是不可缺少的，至于阀门在交 通运输业中的重要性，更是人人皆知的了，无论是陆地奔驰的火车、空中疾驶的 飞机，还是海洋中航行的轮船，没有阀门都是不行的；国防工业的发展，特别是 原子能核工业的发展也离不开阀门；阀门对发展尖端技术也有很大意义，火箭、 人造卫星和宇宙飞船等都需要有各种特殊用途的阀门；在改善人民生活方面，阀 门也有相当大的用处，例如，纺织、食品、医药等工厂中就有很多阀门，城市建 筑中的采暖、供水和煤气就更离不开阀门了。 综上所述，不难看出阀门对促进国民经济的发展起着多么大的作用。 目前我国正处于社会主义经济建设的新阶段，西部大开发战略的实施为各个 行业提供了前所未有的发展空间，我们要借助这个机遇不断地开发出新型阀门产 品。 1 1 蝶阀概况及技术进展 1 1 1 蝶阀的概况【l 】 蝶阀是指关闭件( 阀瓣或蝶板) 为圆盘，围绕阀轴旋转来达到开启与关闭的 一种阀，在管道上主要起切断和节流用。蝶阀具有以下优点： ( 1 ) 体积小，重量轻。与相同压力级和同样口径的闸阀相比，它均可减轻约 3 0 5 0 。 ( 2 ) 结构简单、开闭迅速。蝶阀的零件少，结构紧凑，开闭只需将阀瓣旋转 9 0 。即可。 ( 3 ) 调节和密封性能好。蝶阀可以实现分级控制流量，调节性能较好。 二偏心蝶阀的结构优化分析 ( 4 ) 流体阻力和操作力矩小。根据对蝶阀所作的流阻试验证明，蝶阀的流阻 小于截止等类型的阀门。操作力矩小是由于阀瓣处于近似平衡状态，这样就可以 用较小的力矩实现阀门的启闭。 1 1 2 蝶阀的流量特性【2 4 】 蝶阀具有一定的流量调节特性，但并不像调节阀那样在全行程内具有调节特 性。在研究蝶阀的调节特性时，需要弄清楚具有调节特性的开度范围和该开度范 围内的调节特性曲线，图1 1 是试验求得的流量特性曲线，这是一台d n 2 5 0 r a m 中压蝶阀的试验结果。 x m 善 咨 删 媛 霞 鬈 一 ， l | ? 。， 相对开度9 p 舱z 图1 1d 2 5 0 m m 中压蝶阀的流量特性试验曲线 从图1 1 可见，蝶阀开度从0 5 5 ，流量一直为零，这是因为蝶板有一 定厚度，该开度范围内蝶板还未脱离阀座密封圈。5 5 以上，蝶板脱离了密封 圈，随着开度增大，流量相继上升。蝶阀的相对开度在6 0 以下具有流量调节 特性。其中相对开度在5 5 4 0 范围内具有直线流量特性，其数学表示式为： 垡! 垒! 当墅2 ：k ? ( 1 1 ) c ( 妒。) 相对开度在4 0 7 0 范围内具有快开流量特性，其数学表达式为： 器等瑙( q q m 。1 2 ， 上述两式中q 和缈分别为流量和开度；k 为蝶阀起调节功能时的放大系数。 k 值越大，曲线越陡，也就是蝶阀起流量调节功能的范围越小：反之，则调节功 能的范围越大。相对开度7 0 10 0 己无任何调节作用【5 】。 1 1 3 蝶阀的阻力系数o 】 阀门的阻力系数是指阀门全开时的阻力系数。电站锅炉水动力计算方法 j b z 2 0 1 8 3 曾对电站常用阀门的阻力系数给出了推荐值：闸阀为0 15 0 8 ； 截止阀为4 5 7 ；止回阀为7 。但由于当时的条件，该方法中尚无中压蝶阀的阻 2 硕十学位论文 力系数推荐值。通过对首台国产中压蝶阀的阻力系数的测定，文献【8 】给出了蝶 阀的阻力系数。试验时实测阀门全开时的流量和阀门前后的压差。然后根据流量 和压差计算该蝶阀的阻力系数。试验测得，蝶阀全开时的前后压差为o 4 9 m 水柱， 此时的流速为3 0 3lm s ，计算所得的阻力系数为1 0 5 。对该值的可靠性可作如下 分析： ( 1 ) 从阀门的结构分析。蝶阀的阻力系数值应在截止阀和闸阀之间，小于截 止阀，但大于闸阀。1 0 5 符合这一规律。 ( 2 ) 有关资料推荐。低压蝶阀的阻力系数均在1 以下；过去的有关试验曾测 得最大的阻力系数为0 9 7 2 。中压蝶阀的蝶板较厚，阀杆也较粗，在阀门全开时 蝶板和阀杆所占去的流通面积也较大，因而其阻力系数也相应增加，而1 0 5 符 合这一推理。 由此可得出一般规律，低压蝶阀的阻力系数在截止阀和闸阀之间，小于截止 阀，但大于闸阀且均在1 以下；中压蝶阀的阻力系数约为1 0 5 。 1 1 4 蝶阀的结构形式。1 3 】 蝶阀的卓越性能与其自身不断地改进、演变、发展密切相关。为满足各种工 况要求，蝶阀先后经历了从同心向单偏心蝶阀、双偏心蝶阀和三偏心蝶阀的演变。 1 1 4 1 中线蝶阀 如图1 2 ( a ) ，该种蝶阀的结构特征为阀杆中心、蝶板中心、阀体中心在同一 位置上，结构简单，制造方便。缺点是蝶板与阀座始终处于挤压、刮擦状态，阻 力矩大、磨损快。为克服挤压、刮擦，保证密封性能，阀座基本上采用橡胶或聚 四氟乙烯等弹性材料，但也因此在使用上受到温度的限制，这就是为什么传统上 人们认为蝶阀不耐高温高压的原因。 1 1 4 2 单偏心蝶阀 为解决中线蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题。由此产生了单偏心蝶阀，如图 1 2 ( b ) 。其结构特征为阀杆轴心移出了蝶板中心，从而使蝶板上下端不再成为回 转轴心，分散减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压。但单偏心结构在阀门的整个 开关过程中蝶板与阀座的刮擦现象并未完全消失。 1 1 4 3 双偏心蝶阀f 1 1 - 1 5 】 在单偏心蝶阀的基础上进一步改良成型的就是目前应用最广泛的双偏心蝶 阀，如图1 2 ( c ) 。其结构特征为阀杆轴心既偏离蝶板中心，又偏离阀体中心。双 偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅速脱离阀座，大幅度地消除了蝶板与阀座的 不必要的过度挤压、刮擦等现象，减轻了开启力矩，降低了磨损，提高了阀座寿 三偏心蝶阀的结构优化分析 命。 刮擦的大幅度降低，同时还使得双偏心蝶阀也可以采用金属阀座，提高了蝶 阀的适用温度，但因为其密封原理属于位置密封构造，即蝶板与阀座的密封面为 线接触，通过蝶板挤压阀座所造成的弹性变形产生密封效果，故对关闭位置要求 很高( 特别是金属阀座) ，承压能力较低，这就是为什么传统上人们认为蝶阀不 耐高压、泄漏量大的原因。 当蝶板处于关闭阀位时，在密封压差4 p 一定的条件下，蝶板上介质压力与 密封半径a ( 即蝶板中性面半径) 的平方成正比。阀轴承受的偏置力矩为剃? z i p e ， 其值数倍于阀座的摩擦力矩。这对阀轴强度和执行机构驱动力提出了很高的要 求，限制了蝶阀性能的进一步提高，特别是在使材料强度大幅度下降的高温工况 中，双偏心密封结构更是受到限制。 a 1 中线蝶阀b ) 单偏心蝶阀c ) 双偏心蝶阀 图1 2 三种蝶阀的结构简图 n l 一阀体通道轴线；n 2 一过旋转轴心的直线；j 一密封面运动轨迹； e 一径向偏心距：c 一轴向偏心距；e 一蝶板厚度 l 一阀杆：2 一蝶板；3 一弹性阀座；4 一压盖；5 一阀体 1 1 4 4 三偏心蝶阀 1 6 - 1 8 】 图1 3 三偏心蝶阀结构简图 1 一蝶板；2 一阀座；3 一阀体；4 一阀轴 4 筒一激 ， 一秀 两 介 ， 一 一 ， 、 ，二 ，童r錾 硕十学位论文 三偏心醭阀是本文主要研究的对象，它的结构特点将在以后章节中进行介 绍。其结构如图1 3 所示。 1 2 课题的提出 1 2 1 三偏心蝶阀的国内外发展现状【协2 1 】 三偏心蝶阀自问世以来，为满足日益严酷的工况要求，其本身也经历着自我 完善和不断发展的过程，即便最基本的零泄漏，理论上三偏心蝶阀都可以做到， 但实际上还是有赖于周密的设计、精密的制造。 1 2 ，1 1 国内发展的现状 三偏心蝶阀即高性能蝶阀是8 0 年代引入我国的，国内制造厂从测绘和样品 仿制入手开始研制，一开始在国内只有少数厂家在生产仿制三偏心金属密封蝶 阀，但都远达不到密封副近似零摩擦零泄漏的性能，在要求高的场合中主要采用 进口蝶阀，其原因是以往的国产蝶阀达不到质量和性能要求，采用进口蝶阀虽然 能满足要求，但价格十分昂贵。 1 2 1 2 国外发展的现状 1 9 6 0 年的德国k a r la d a m s 提出蝶阀同时具有切断( i s o l a t i o n ) 、调节 ( t h r o t t l i n g ) 和止回( c h e c k ) 3 种功能，并于19 6 6 年以“斜置锥形阀座密封系 统 ( t h ei n c l i n e dc o n i c a ls e a ts e a l i n gs y s t e m ) 为名注册了专利，这是蝶阀技术的 一次重大进展；19 6 7 年在法兰克福举办的“国际化工展览”( c h e m r ) 上展出 了新型的法兰偏心设计( t r i p l ee c c e n t r i cd e s i g n ) 蝶阀，这种新型蝶阀的密封性 能大为提高，很快用于中高压系统；日本株式会社的三偏心蝶阀t r i t e c 的压力等 级已达到2 5 0 0 磅级，最高压力达到2 6 m p a ，耐温低至1 9 6 、高达7 0 0 ，密 封基本达到零泄漏，调控比高达10 0 ：1 以上，也就是说，在各种严酷、关键的 过程控制管线上，不论是开关阀还是调控阀，只要选型得当现在都可以使用蝶阀； 还有美国的k y s t o n e ，加拿大的s c o r e 等公司的金属硬密封蝶阀不论是质量 还是性能都达到了很高的水平，并在各自的国内市场得到了广泛的应用。 1 2 2 课题研究的内容 本课题所要研究的内容包括以下几点： ( 1 ) 结构分析 推导出沿蝶板厚度方向截面轮廓线的方程及其性质，以及截面轮廓线的长轴 与短轴的函数表达式，它是偏心角热圆锥顶角2p 、以及圆锥底半径r 。，蝶板 厚度e 、轴向偏心队径向偏心p 的函数。 5 三偏心蝶阀的结构优化分析 ( 2 ) 运动分析 在金属密封蝶阀的设计中，密封副的设计尤为重要。设计蝶板时，要保证其 刚度和强度，尽量降低阀门的启闭力矩以及使阀门在启闭过程中蝶板与阀座不发 生干涉。当蝶板为三偏心结构时，其密封面是一个由正圆锥面旋转一个偏心角后 被两平行平面截取而得到的一个偏心锥面。在启闭过程中，蝶板将绕一个双偏心 轴旋转，其密封面的运动轨迹是一个十分复杂的空间三维曲面。 ( 3 ) 动力学研究 根据理论力学原理推导出蝶阀的开闭力矩跟蝶阀的三个偏心值的函数关系， 最终确定蝶阀的三偏心值的适宜范围。 ( 4 ) 结构优化设计开发 采用计算机软件对三偏心蝶阀进行径向偏心、轴向偏心和角偏心的结构优化 设计，分析蝶板在开启、关闭过程中的干涉运动，调整相应参数，实现蝶板与阀 座的良好吻合、启闭无干涉、密封副摩擦扭矩小及关闭状态无泄漏，最终得到合 理的三偏心蝶阀工程设计图。 1 2 3 课题研究的意义 工业技术的飞跃发展对蝶阀提出了更苛刻的要求，普通软密封蝶阀己经不能 适应一些特殊工况。近年来金属密封蝶阀由于能够适用于较高的工作压力和工作 温度，最高使用温度达到7 0 0 ，最高使用压力达4 o m p a ，因而得到了迅速的 发展，出现了各种不同、各具特色的结构形式，其中最具代表性的是三偏心结构， 大多数金属密封蝶阀产品都采用了这种结构，然而迄今尚缺乏对它进行完整系统 的研究，也还没有规范合理的设计计算方法，金属密封蝶阀的实际运行状况还不 尽理想与此也不无关系。而蝶阀的夹持卡塞等现象大部分是由于三偏心蝶阀的回 转中心的位置选择不合适，从而影响了蝶阀的密封性能，本课题试图在这个方面 做一些深入、系统的研究，进而找出三偏心蝶阀适宜的回转中心即适宜的三偏心 值，为蝶阀的设计提供理论上的支持。 1 3 课题研究的可行性分析 ( 1 ) 经济性 由于蝶阀具有结构紧凑，操作灵活，密封比较可靠以及可调节流量等优点， 受到广大用户的青睐。来自中国城镇供水协会科技委管道专业委员会对部分阀 f - j 制造厂家的考察报告的信息，现将返回信息的2 0 家自来水公司中，对阀门 选型的意见汇总如表1 1 ： 6 硕+ 学位论文 表1 1 考察报告 阀门口径( m m )本公司使用蝶阀比例( )本公司使用闸阀比例( ) 之1 5 0 0 9 01 0 l0 0 0 1 4 0 07 9 2 1 5 0 0 9 0 06 0 4 0 1 0 0 4 0 02 08 0 由表可见，在大口径阀门的选择上，人们更倾向于蝶阀。而三偏心蝶阀不仅 继承双偏心蝶阀的所有优点，而且拓宽了它的使用范围，也适用于中小口径管道 中，所以三偏心蝶阀的研究和开发具有广阔的市场前景。 ( 2 ) 理论上的可行性 由于双偏心蝶阀的密封普遍为线接触密封，依靠蝶板或阀体上的弹性元件产 生变形来加大密封面宽度，而且在蝶板的圆周上各点的压力角变化比较大。三偏 心结构蝶阀的密封面为斜置锥形，蝶板与阀座的接触为面接触，这样可保证蝶板 上各点的密封正压力分布均匀，图1 4 为在给定初始参数后所绘出的三偏心蝶阀 蝶板密封表面上的压力角的变化曲线【22 1 ，该压力角是指蝶板密封表面上点的运 动方向与该点的受力方向之间所夹的锐角，从图中可以看出，压力角在0 。3 6 0 。的圆周上变化比较均匀，是一条比较平缓的曲线，故三偏心蝶阀能够在3 6 0 。 的圆周上保证密封。同时在最小压力角大于由密封材料所决定的摩擦角的条件 下，就会杜绝二者之间相互夹持卡塞的现象。 皇x 暇 r l l ：一 ： 9 0 p 6 0 d 3 0 d o 口 渺 c 王 图1 4 圆周方向压力角变化曲线 ( 3 ) 技术上的可行性 对于球形或抛物线形的密封形式，其加工难度比较大，而锥形密封副易于 加工，按一般工艺就可以保证其加工精度。 另外，对于蝶板的空间运动分析，可寻求相关的软件支持。例如，国际著 名的c a d 、c a m 软件、m a s t e rs e r i e si d e a s 5 0 及a n s y s 软件和u g 软件都可对 设计结果进行全参数化三维实体建模及阀门实际工作过程的计算机模拟。现有的 试验设备，可对所设计的三偏心蝶阀作进一步的检测与性能试验。 7 二偏心蝶阀的结构优化分析 第2 章三偏心蝶阀的结构分析 2 1 三偏心蝶阀的结构特点【2 3 】 蝶阀的三偏心结构见图1 3 ，即在双偏心蝶阀的基础上再增加一个倾角，经 过最优化设计使密封副的摩擦力进一步下降，由于采用面密封的结构伎接触应力 分布均匀、密封更加可靠。 蝶阀的三偏心是指： 第一个偏心是指蝶板的回转中心h 相对于蝶板中心在轴向存在偏心距c ； 第二个偏心是指蝶板的回转中心h 相对于蝶板中心在径向存在偏心距e ； 第三个偏心是指蝶板锥面轴线与阀体通道轴线成一个角度够，即角偏心。 对于三偏心结构的蝶阀，由于轴向偏心距c 的存在，保证了蝶阀密封面是一 个完整连续的锥面，且该密封面的几何中心容易确定，降低了密封面加工制造的 难度。若密封面为正圆锥面，则由于蝶板密封面的回转半径大于阀座密封面相应 部位的半径，从而在关闭时蝶板密封表面不能进入阀座，即产生“干涉”现象， 而采用偏心角为矽的锥面即所谓圆锥斜切可以解决这个问题。 2 2 沿蝶板厚度的平行截面轮廓线方程及其性质【2 4 】 如图2 1 所示，以圆锥顶点o 为原点，圆锥高线为x 轴建立三维坐标系。m 为蝶板密封面上一点，过m 点作垂直于蝶阀通道轴线t t 的平面p 与x 轴的交 点为i ，与圆锥截交的轮廓线的长轴的两个端点分别为t i 和t 2 ，平面p 和x 轴 的夹角为夕。过o 向平面p 作垂线，垂足为0 1 ，以o l 为原点建立新的坐标系 x 1 y l z l ，连接o m ，0 1 m ，i m 。设m ( x 1 ，y 1 ) ，l o i i = 尼。 图2 1 平面斜截圆锥 8 硕十学位论文 在a o m o l 中，。z 0 0 1 m = 9 0 。，则j o m l 2 = i o y l 2 + 1 0 0 , 1 2 在o i m 中，由余弦定理得： 3 4 12 = 彳+ 衍+ 尼2s i n 2p + k 2 2 k c o s 8 屑i 万面 式中：护一圆锥的半锥角，度 夕一一平面p 和x 轴的夹角且与矽互为余角，度 又l m l 2 = ( k c o s f l 一五) 2 + 订 由( 2 1 ) ( 2 2 ) 两式联立并整理得： ( c o s 2 , 矽- - c o s 2o ) x ；+ 2 k c o s f l s i n 2p x , 一c o s 2o y l = k 2s i n 2 7 ( c o s 20 - s i n 2 ) 对于( 2 3 ) 式，只有夕 0 时方程才表示一个封闭的图形一一椭圆。 程的标准形式为： 瓦( x 1 k 瓦c 。s i f ls i 瓦n 2ft万8)2+瓦s岛in s i n0 ：。七2s i n 2 c o s 2 臼s i n 2 秒后2 2 2 ( c o s 29 一c o s 2 ) 2c o s 2 秒一c o s 2 椭圆的中心为 (co糍sc o sj ， o ) ， 。一 。 椭圆的长半轴为：笔兰群， 椭圆的短半轴为： k s i nf l s i n 目 2 3 沿蝶板厚度各个平行截面轮廓线的几何中心方程 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 该椭圆方 ( 2 4 ) 如图2 2 所示，b d g f 为三偏心蝶阀的蝶板，圆锥底面中心为n ，m ( x m ，y m ) 为蝶板密封表面上一点，t 1 t 2 为过m 点的轮廓线的长轴，其与x 轴的夹角为。 g f 、t i t 2 、b d 与x 轴交点分别为i l 、i 、l ，几何中心分别为o i 、o 、0 2 。 令i o ，j = 尼，贝0 有k = x m + y w 住m ( 2 5 ) 由o i t 2 。o o l b 可推出： 皿l ：尼生 ( 2 6 ) 。“ c o s ( o + 妒) 将( 2 5 ) 代入( 2 4 ) 式可得t l t 2 的半长轴： i o ，z l ：k 竺型! 坐一 ( 2 7 ) 纠 c o s ( o + 伊) c o s ( o 一伊) 9 三偏心蝶阀的结构优化分析 弘 o 芦 币一 n x d 由( 2 6 ) 、( 2 7 ) 两式得： 0 7 i ：尼 曼! 里：皇! ! 翌竺 。 c o s ( t g + 妒) c o s ( 臼一9 ) 故o 点的坐标可表示为： ， c o s 2t g c o s 2 缈 k ，= 尼上一 “ c o s ( t g + 缈) c o s ( t g - 垆) ，s i n 2p s i n 妒c o s 矽 y o 一宓丽两丽志高 图2 2 平面斜截圆锥而成的蝶板 同理可求出0 1 点以及0 2 点的坐标： 嘞= r 面c o 丽s 2t 9 c o s 6 p s l n c o s l 一够) 一民端c o s i 一驴) 式中：r d 一一圆锥底半径，m m 七一一几何参数 k = r oc o s ( t 9 + p ) e s i n t 9 c o s ( o c o s 够 e 一一蝶板厚度，m m 垃：堑：堕：一t a n 2t g t a n 够 x 。t x 旺x 0 ； ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) ( 2 1 2 ) 塑一 一一一一一一 、，、fj 硕十学位论文 故o l 、0 、0 2 三点在一条直线上，且该直线过原点0 ，斜率为：k = 一纰28 t a nc , a ， 直线方程形式为：y = ( 一t a l l 20 t a n 弘, ) x ( 2 1 3 ) 由不完全归纳法可以推知沿蝶板厚度各个平行截面轮廓线的几何中心均在 一条直线上。 2 4 蝶板的几个主要截面的几何参数之间的关系 如图2 2 所不，砹蜾议碰封表回所在的圆锥回的商为月o ( 即o n ) ，髫封圆 锥的底半径为r d ( 即b n ) ，蝶板小端椭圆的长半轴和短半轴分别为a s 、b s ，蝶 板中性面椭圆的长半轴和短半轴分别为a 、b ，蝶板大端椭圆的长半轴和短半轴 分别为a o 、b d ，蝶板的厚度为e 。则各参数与彳d 的几何关系如下： 对于大端椭圆( b d ) ： 民= 4 百c o s ( o - 够) ( 2 14 ) 或= 4 百c o s ( o - m ) ( 2 15 ) 玩：a oc o s ( o 一伊) 扛i 而 ( 2 1 6 ) 对于中性面椭圆( t 1t 2 ) ： 彳= 民而c o s 6 7 一f t a n ( 8 + c p ) + t a n ( 秒一9 ) ( 2 17 ) b ：r 型型一一丝竺一 ( 2 18 ) ”vc o s ( 0 一缈)2 4 c o s ( 0 + 伊) c o s ( 秒一缈) 对于蝶板小端椭圆( g f ) ： 么： 墨兰垫丝 ( 2 195ao- 4 2 2 c o s ( 0 + f a ) c o s ( 8 - r p ) 。2 。 e = a o 2 5 小结 ( 2 2 0 ) 以上分析了三偏心蝶阀的结构特点，导出了沿蝶板厚度的平行截面轮廓线方 程及其性质；给出了蝶板的几个主要截面的几何参数之间的关系。 三偏心蝶阀的结构优化分析 第3 章三偏心蝶阀密封副干涉计算分析 阀门的种类繁多，蝶阀是应用最广的阀门之一。为适应现代工业的高参数化， 近年来三偏心金属密封蝶阀得到迅速的发展，但是作为一种新产品，它在技术上 还不成熟。主要原因是在启闭过程中蝶板的空间运动轨迹十分复杂，而在实际设 计过程中难免有误差出现，蝶板与阀座发生干涉而导致打不开的现象时有发生， 所以在金属硬密封蝶阀的设计中，密封副的设计尤为重要。设计蝶板时，要保证 其刚度和强度，尽量降低阀门的开闭力矩以及在阀门开启过程中蝶板与阀座不发 生干涉。随着计算机的普遍应用，设计人员也摈弃了过去主要采用手工的计算方 法，因为其中计算十分复杂，用手工算法难以对所有点的轨迹都进行计算，只能 选取几个特殊点来判断其与阀座是否干涉，很难保证蝶板的整个密封面在开启过 程中不与阀座发生干涉。本章从蝶板的运动轨迹着手，研究蝶板与阀座发生干涉 的本质问题，提出一个判别的方法。并利用s o l i d w o r k s 来分析和描述三偏心蝶 阀在启闭过程中的空间运动，利用它可以指导设计和检测蝶阀的密封副是否存在 干涉、刮擦或间隙1 2 引。 3 1 三偏心蝶阀的蝶板运动分析 3 1 1 平面上点的旋转的坐标变换 如图3 1 所示，w 为平面上一点，逆时针旋转0 角至点w ，其坐标分别为 w ( x ，y ，z ) ，w ( x 1 ，y l ，z 1 ) ，连接o w ，o w 。 图3 1 平面上点的坐标变换 设o w 与x 轴夹角为q ，o w 与x 轴夹角为b ，则b - - 0 + q ，两点的坐标之 间的关系推导如下： 。l o w l = l o w l 设i o w l = l o w l = r ，则有： 1 2 硕十学位论文 x i = r c o s = 厂c o s ( p + o f ) = r c o s a c o s o f r s i n a s i n o f m = rs i n f l = ，s i n ( a + 口) = r c o s o s i no f + ，c o s a s i n c r 又x = r c o s o f ，y 2 厂s i n o f 将( 3 3 ) 代入( 3 1 ) 、( 3 2 ) 两式得： = x c o s a - y s i n a1 咒= x s i n a + y c o s aj ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 3 1 2 圆锥面方程的旋转变换 如图3 2 所示，该圆锥面的方程可写为： z 2 + y 2 = x 2t a n 2o( 3 5 ) 图3 2 正圆锥 图3 3 圆锥的旋转及平面与圆锥的相交曲线 设w ( x ，y ，z ) 是图3 2 中圆锥面上任一点，现将图3 2 所示的圆锥绕z 轴逆时 针旋转0 角得到图3 3 ，经旋转变换后，原来的w 点的坐标变化为( x 1 ，y l ，z 1 ) ，则 由空间点坐标旋转变换的关系可得： 五= x c o s a y s i n a1 月= x s i n a + y c o s a ( 3 6 ) 毛= z j 解得： x = 五c o s a + y j s i n a l y = 一x ls i n o + y lc o s o ( 3 7 ) z = 毛 j 将( 3 7 ) 代入( 3 5 ) 得： z ? = y ；( t a n 2 臼一1 ) + 2 x l y lt a na ( 3 8 ) 此即为新坐标系下圆锥面的方程。 3 1 3 蝶板密封表面上点的运动轨迹 如图3 4 所示，设m ( x ，y ，z ) 是蝶板密封表面上的任一点，其必然满足方程( 3 8 ) ， m n 是蝶板回转中心轴线，b l a 2 和b 2 a 3 为蝶板的两端面的长轴，t 1 t 2 为蝶板的 中性面的长轴，蝶板的厚度为e ，三偏心值分别为c ，p ，a 。 三偏心蝶阀的结构优化分析 图3 4 相交曲线和运动轨迹的投影 设ft 1 t 2 i = d ( 即密封面的平均直径) ，则蝶板左端到原点的距离为： = d t a n 2 0 一i e ( 3 9 ) 图3 4 中回转中心h 的坐标为： x ，：x + 兰+ c ( 3 1 0 ) x h2x o 七i 七c 3 j 1 ，。：一d e ( 3 11 ) y h2i e 3 。 m 点到回转轴线m n 的距离即为m 点的旋转半径，即： ，- = x ( x - x ) 2 + ( y 一妇) 2 ( 3 1 2 ) 所以m 点的旋转轨迹为圆。 3 1 4 蝶板密封表面上任一点的旋转坐标变换 由于蝶板关于x o y 面对称，故只需研究蝶板的一半，取z o 部分的蝶板。 对于任一点m 绕回转轴线m n 顺时针旋转q 角后至点m l ，由于回转轴线上 的点的坐标为( x h ，y h ，z h ) ，设点m l 的坐标为( x 1 ，y l ，z 1 ) ，两坐标间的关系推导步骤 如下： 将图3 4 坐标系原点平移至h 点，则m ( x ，y ，z ) 的坐标相应地就变为： m ( x - x h ，y y h ，z ) ； 将m t 点绕回转轴线顺时针旋转q 角，得到点m l 。( x l ，y l ，z iw ) ，由坐标旋转 变换之间的关系得： 五= ( x h ) c o s a 一( y 一蜘) s i n 口 咒7 = ( x h ) s i n 口+ ( y y ，) c o s ( z ， 毛2 z 1 4 ( 3 13 ) 硕士学位论文 将坐标系原点再从h 点平移回原来的o 点，则m 点的坐标相应地变为 m l ( x l ，y l ，z 1 ) ，由坐标平移变换之间的关系得： ( 3 1 4 ) 将( 3 13 ) 代入( 3 14 ) 得： 而= ( x x h ) c o s a 一( y y h ) s i n 口+ x hl y l = ( x x , v ) s i n c r - i - ( y y h ) c o s t 2 - t - y 日 ( 3 1 5 ) z 。= zj 式中x h ，y h 由( 3 10 ) 、( 3 11 ) 确定。 由此便建立了从m 点经坐标平移与旋转变换后至m l 点的坐标之间的关系。 3 2 蝶板与阀座密封面干涉的判别方法 2 6 。2 9 】 如图3 3 和图3 4 所示，此时蝶板与阀座两密封面完全接触，处处贴合。由 于蝶板的启闭是可逆的过程，即蝶板若能从阀座中自由脱离，也能自由进入阀座。 不妨假设蝶板处于关闭状态，现将蝶板绕回转轴线m n 顺时针旋转a 角，如果在 蝶板旋转过程中无任何干涉，则表明该回转中心的位置是适宜的。 m 为蝶板密封表面上任一点，由于m 点绕回转轴线旋转的轨迹是圆，过m 点且与回转轴线m n 垂直的平面p 截交阀座密封表面，所得的交线为双曲线一个 分支上的两段，即图中m m 2 和n l n 2 ，而m 点所在的轨迹圆必然也在p 平面内， 故只需比较m m l 和m m 2 两曲线间的位置情况，若m m l 曲线始终位于m m 2 曲线 下方