（机械工程专业论文）超低温三偏心硬密封蝶阀的设计与研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 超低温三偏心硬密封蝶阀的设计与研究 摘要 大型空分设备配套的专用阀门具有专业性强、制造难度大的特点。随着国际上空分 设备的大型化，配套的空分设备用阀门也从中小口径向大口径( d n l 6 0 0 ) 发展；再者，由 于大型空分设备逐步向内压缩流程发展，气体产品压力等级的提高，对空分配套阀门提 出了从低压到高压的要求。 开发大型空分配套用超低温三偏心硬密封蝶阀可以加快空分设备配套部机国产化 的步伐，不仅可以提高自己的核心技术与核心竞争力，还关系到空分设备的技术提升， 具有极其重要的意义。 论文根据大型空分配套场合的工艺特点，对超低温三偏一c 、硬密封蝶阀进行理论研 究。分析三偏心蝶阀的结构，得出密封面外轮廓线的方程，并对截面长轴与圆锥母线构 成的夹角进行分析，从而导出三个偏心之间的函数关系，并对阀门的干涉进行进步研 究，开发了快速验证程序。 研究了超低温使用场合的材料、工艺处理及三偏心蝶阀阀体、密封圈的加工工艺， 开发了相应的工装夹具。 分析了三偏心蝶阀的力学性能，并结合轴的扭矩进行建模和仿真。 试制了超低温三偏心硬密封蝶阀，经压力性能试验，符合设计要求，并跟踪现场的 实际使用情况，完全满足工况要求。 通过本论文的研究，可向不同口径、不同压力等级，以及常温等方面进行衍生设计。 关键词：三偏心，蝶阀，硬密封，超低温 d e s i g na n dr e s e a r c ho fc r y o g e n i c t h r e e e c c e n t r i ch a r ds e a lb u t t e r f l yv a l v e a b s t r a c t s p e c i a lv a l v ef o rl a r g es c a l ea s uh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r o n g l yp r o f e s s i o n a la n d d i f f i c u l t ym a n u f a c t u r i n g w i t hd e v e l o p i n go ft h el a r g es c a l ea s u ，t h ed i a m e t e ro ft h es p e c i a l v a l v ea l s ob e c o m e sm o r ea n dm o r eb i g g e r f u r t h e r , d u et ot h el a r g es c a l ea s u g r a d u a l l yt e n d t ou s ei n t e m a lc o m p r e s s i o np r o c e s s ，t h ep r e s s u r er a t i n go ft h eg a sp r o d u c t si n c r e a s e d ，s oi t m a k e sa r e q u i r e m e n to ff i o ml o wp r e s s u r et oh i g hp r e s s u r ef o rs p e c i a lv a l v e s d e v e l o p i n gt h ec r y o g e n i ct h r e e e c c e n t r i ch a r ds e a lb u t t e r f l yv a l eh a v ea ni m p o r t a n t m e a n i n g ，w h i c hc a ni n c r e a s et h es t e po f d o m e s t i cl a r g es c a l ea s u ，a n da l s oi m p r o v et h ec o r e t e c h n o l o g ya n dc o m p e t i t i v e n e s s ，m e a n w h i l e ，t h ea i rs e p a r a t i o nt e c h n o l o g yi sp r o m o t e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a ls t u d yo ft h ec r y o g e n i ct h r e ee c c e n t r i ch a r ds e a lb u t t e r f l yv a l v e ， t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r eo ft h et h r e ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e ，t h e nf i g u r eo u tt h e e q u a t i o no f t h es e a lf a c ec o n t o u rl i n e s ，a n da n a l y z et h ea n g l ew h i c hi sm a d e u p b yt h es e c t i o n l o n ga x i sa n dt h ee l e m e n to fc o n e ，a f t e rt h a tt h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n sb e t w e e nt h e s et h r e e e c c e n t r i c sc a nb ed e d u c e do u t f i n a l l yaf a s tv e r i f i c a t i o np r o g r a mf o rt h et h r e ee c c e n t r i cv a l v e i sb u i l t u p m a k i n gah o c kc l a m pt h r o u g har e s e a r c ho ft h ec r y o g e n i cm a t e r i a la n dt h ep r o c e s s i n g t e c h n i co f t h et h r e ee c c e n t r i cv a l v e a n a l y z et h et h r e ee c c e n t r i cv a l v ew i t hm e c h a n i c s ，c o m b i n ew i t hs h a f tt o r q u es t u d y , t h e v a l v ec a nb em o d e l e da n ds i m u l a t e d a c r y o g e n i ct h r e ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v ei st e s tm a n u f a c t u r e dw h i c hi sc o m p l i e dw i t h t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sb yt h ep r e s s u r et e s t i n g a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gs i t u a t i o n ，t h e v a l v ep e r f o r m a n c ec o m p l e t e l ym e e t st h ew o r k i n gc o n d i t i o n i t i se a s yt om a k et h ed e r i v a t i v ed e s i g nb yt h i sr e s e a r c ht o w a r d sd i f f e r e n t d i a m e t e r , d i f f e r e n tp r e s s u r ea n ds oo n k e yw o r d s ：t h r e ee c c e n t r i c ，b u t t e r f l yv a l v e ，h a r ds e a l ，c r y o g e n i c 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 阀门作为流程工业管路控制极其重要的基础元件，其作用越来越受到重视，已从单 一的通断装置逐步发展成具有导流、截止、调节、节流、止回、分流和溢流泄压等多 种功能、多种用途的工业产品，品种和规格繁多，应用领域越来越广泛。 近年来，长输管线、大型催化裂化装置、新型核电站、南水北调、煤化工、空分设 备等多项大型工程项目的建设及成套技术的发展，对阀门提出了新的、更高的要求，其 特点是高参数、高性能、大型化、自动化、长寿命、智能化和成套化。工况环境和介质 条件复杂多样并趋向极端苛刻恶劣，如高温高压、易燃易爆、强腐蚀、高辐射、深冷环 境等。驱动方式上，除一般手动、电动、气动、液动之外，各种电一液联动，气一液联动 及智能化远程监控要求不断提高。这对阀门制造业来说，既是一场机遇，也是一次挑战。 我国是世界上最大的阀门生产国和使用国，各类阀门制造企业约6 0 0 0 家，阀门行 业的发展十分迅速，我们在这个历史时期要紧跟时代的步伐，为振兴我国的装备制造业 做出应有的贡献。 1 1 背景及来源 1 1 1空分设备的现状 随着钢铁、石化、煤化工、l n g 的发展，空分设备的单机容量也越来越大，目前钢 铁行业一般单机容量在6 0 0 0 0 等级以内，其中3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 等级的为多，而煤化工的单 机容量一般都比较大，动辄6 0 0 0 0 ，目前最大的有1 0 0 0 0 0 等级空分设备。 杭州杭氧股份有限公司是一家从事空气分离设备、工业气体、石化设备的生产及销 售业务的企业。其空气分离设备产品主要包括大中型成套空气分离设备、小型空气分离 设备；工业气体产品主要包括氧、氮、氩等；石化设备产品主要包括乙烯冷箱、液氮洗 冷箱、天然气液化分离设备、液化石油气储配装置等设备，是目前国内最大的空气分离 设备制造企业之一，国内市场占有率始终保持行业第一。 杭州杭氧工装泵阀有限公司是杭氧股份的子公司，是国内空气分离设备专用阀、l n g 专用阀、低温贮槽专用阀、氧气管路专用阀、低温液体泵等产品制造最具实力的厂家， 浙江工业大学硕士学位论文 是全国低温泵阀最主要的设计制造基地之一。 目前，杭氧致力于8 0 ，0 0 0 1 2 0 ，0 0 0 m 3 h 等级特大型空分设备的研发与生产，其中 1 2 0 0 0 0 m 3 h 空分设备已正式签订合同并投入生产。 空分设备的快速发展，对其配套的阀门也提出了更高的要求。 1 1 2 空分设备系统的构成及内压缩空分流程 空分设备系统是一个大型的复杂的系统，主要是通过深度冷冻法来获取氧气、氮气、 氩气等产品，其主要流程为先将空气压缩，之后将压缩的空气净化、冷却、干燥，通过 膨胀机制取大部分冷量，使空气液化，再通过精馏，使空气分离，从而制得纯净氧气、 氮气、氩气等产品。现在大部分工业都是用这样的方法制取氧气等产品，这种制氧技术 在我国可以说很成熟了。 整个系统的组成如图1 1 所示，通过这些系统的运作，将原料空气分离，得到不同 形态、不同压力等级的氧、氮、氩产品，以及稀有气体产品。 图1 - 1空分设备系统流程图 目前，空分系统的流程主要分为外压缩流程和内压缩流程。外压缩流程就是空分设 备直接生产低压氧气然后经透平氧压机加压至所需压力供给用户，一般最终的压力在 2 o m p a 左右，用在钢铁行业比较多；内压缩流程就是取消氧压机，直接从空分设备生产 出中高压的氧气供给用户，主要用于煤化工、化工、i g c c 领域。 该流程与外压缩流程的主要区别在于产品氧的供氧压力是由液氧在冷箱内经液氧 泵加压并与高压空气进行热交换从而汽化复热来达到的。 浙江工业大学硕士学位论文 内压缩空分流程是目前较先进的空分流程，可根据用户需求、流量、使用特点等情 况，经过不断的优化计算，选择合理的流程组织方式、最佳的气化压力和循环流量，得 到不同压力等级、不同形态产品，使空分设备的氧、氩提取率最高，经济性最好。 目前，内压缩流程较广泛地应用于液体需求量大、产品终压高、容量大的空分装置 中。 1 1 3 液氧泵前阀门的特定使用环境 外压缩流程是由精馏塔直接产生低压氧气，再经主换热器复热出冷箱，而内压缩流 程是从精馏塔的主冷凝蒸发器抽取液氧再由液氧泵加压至所需压力，然后再与一股高压 空气换热，使其汽化出冷箱作为产品气体。可以简单的认为，内压缩流程是用液氧泵加 上空气增压机取代了外压缩流程的氧压机。 按照目前的工艺流程，在液氧泵入口，经多次过滤后仍存在大量的铝屑，其主要原 因为： ( 1 ) 下塔在装塔板前已经完成简体和封头的对接，清扫干净后应不存在铝屑。所 以下塔的铝屑主要是在塔板拼装时产生，且不易清除。按照现有的装配工艺，须在塔内 进行塔板等结构件的配铆和钻孔，此时产生的铝屑多数掉落在塔板之间，因而无法用吸 尘等方法完全消除干净。 ( 2 ) 在上塔、粗氩塔装配制造时，车间进行筒体对接和接管安装时，需进行大量 的坡口修配工作，如无任何防护措施或清理不完全，也会将大量铝屑留在塔内。特别是 在对接筒体内已有填料的筒体段。 ( 3 ) 在空分塔器现场安装时产生铝屑，主要是塔体对接、闷板及闷盖切割，会产 生大量铝屑，另在现场进行配管工作也会因修理坡口和管道焊接产生大量铝屑。如现场 在处理这些工作时，没有按照相关要求，及时做好防护和清理工作，则会将大量铝屑留 在塔内。 由于铝屑较为细小，附着性能比较好，因此在吹扫过程中也不可能全部吹扫干净。 而在现场开车时，一般是通过液氧、液空的冲洗，将设备内的铝屑汇集在上塔底部的液 氧内，随着时间不断积累，在氧泵之前过滤出较多的铝屑。 内压缩空分流程液氧泵一般并联安装两台，、一用一备。泵的前后安装有进口阀、 过滤器、出口阀、排液阀及回流阀。当泵前的过滤器一旦铝屑积累多了，泵的吸入性能 受到影响，必须拆过滤器，这时候需关闭进口阀、出口阀，打开排液阀、回流阀，对泵 浙江工业大学硕士学位论文 进行加温处理，以便进行操作，若进口阀关不严，导致泵加温不起来，造成严重的后果。 内压缩流程液氧泵的出口压力都比较高，大概为4 0 9 0 m p a ，在液氧泵运行过程中， 需要主冷大量的供液氧，这个时候需要泵前安装的阀门流阻尽量的小。 在液氧泵的入口位置选用三偏心硬密封蝶阀，是比较合适的。首先蝶阀的流阻比较 小，一方面可以提高泵进口管路的n p s h a ( 装置气蚀余量) ，改善泵的运行条件，使泵 运行更稳定；另一方面，由于流阻较小，可以降低阀前压力。其二采用蝶阀安装，在蝶 阀的密封面部位不易积累铝屑，且蝶阀本身具有耐磨损、抗腐蚀的特性，装置的安全性、 经济性较好。 1 2 课题的提出 1 2 1 空分阀门的发展 随着国际上空分设备的大型化，配套的空分设备用阀门也从中小口径向大口径 ( d n l 6 0 0 ) 发展；再者，由于大型空分设备逐步向内压缩流程发展，气体产品压力等 级提高，对空分配套用阀门提出了从低压到高压的要求，但由于国内大型空分配套阀门 的技术起步较晚，许多空分关键部位却只能使用进口阀门。空分设备发展遇到了难得好 时机，与此同时，大型空分配套阀门的发展却成为空分技术发展、空分配套国产化的一 个制约。 1 2 2国外大型空分配套三偏心蝶阀的发展概况 大型空分设备配套的专用阀门本身具有专业性强、制造难度大的特点。目前国际上 有t y c o 旗下v a n e s s a 、德国z w i c k 、德国m a p a g 等著名公司提供设计制造，尤其v a n e s s a 自4 0 多年前就开始生产并在世界范围内销售专用阀门，并于1 9 7 5 年首次开发出3 0 0 0 0 系列回转式工艺阀一j 偏心硬密封零泄漏阀，并在大型空分中广泛应用，至今，v a n e s s a 仍然在高技术回转式工艺阀的制造上保持国际领先地位。另外，国外阀门厂专业化的分 工导致了设计制造工艺的精益求精，产品的档次还在不断地提高。 1 2 3国内空分配套三偏，厶蝶阀的发展概况 国内空分专用阀门经过7 0 年代末从德国林德公司的技术引进，n , s t , 十年代的消化 吸收，九十年代“八五”三万空分设备专用阀的立项开发，空分阀门配套行业有了较大 的发展。目前在国内空分行业从事阀门制造的主要有杭氧、川空、开空等几家厂家，相 比较，杭氧始终站在行业的最前面。 随着空分技术的发展，杭州杭氧工装泵阀有限公司设计、成套的空分配套阀门不仅 能满足国内用户的需求，还获得了国际知名气体公司和用户的认可，而空分配套低温三 浙江工业大学硕士学位论文 偏心硬密封蝶阀，目前国内空分专用配套阀门厂家只有杭氧在研制开发。 当然在通用阀门行业，三偏心蝶阀已有一定的生产量，但通用阀门生产的三偏心硬 密封蝶阀，密封圈是采用多层软硬叠片形式，其有以下缺点： 1 ) 当阀门在开启状态时介质对其密封面形成正面冲刷，金属片夹层中的软密封带 受冲刷后，容易损坏直接影响密封性能； 2 ) 频繁启闭会导致软密封部分先损坏，密封失效，寿命不长； 3 ) 超低温下软密封容易变形。所以多层软硬叠式密封圈中的软夹层不能用于超低 温( 一1 9 6 。c ) 和压力( 压差) 较高场合，不能适应频繁启闭的分子筛切换场合，不能 适合空分的需求。 1 2 4 课题研究的内容 根据大型空分配套场合的工艺特点，对超低温三偏心硬密封蝶阀进行理论研究，本 文主要从以下几方面进行研究： 1 、分析三偏心蝶阀的结构，得出密封面外轮廓线的方程，并对截面长轴与圆锥母 线构成的夹角进行分析，从而导出三个偏心之间的函数关系对阀门的干涉进行进一步 研究，开发一个程序可进行快速验证。 2 、对超低温使用场合的材料、工艺处理进行研究，并对三偏心蝶阀的加工工艺进 行研究，开发出相对应的工装夹具。 3 、分析三偏心蝶阀的力学进行研究，并结合轴的扭矩进行建模和仿真。 4 、试制了超低温三偏心硬密封蝶阀，并对其进行压力性能试验及低温性能试验。 通过本论文的研究，可向不同口径、不同压力等级，以及常温等方面进行衍生设计。 1 2 5 课题研究的意义 本文所研究设计的阀门为超低温三偏心硬密封蝶阀，用于内压缩流程空分系统液氧 泵的入口，开发大型空分配套超低温三偏心硬密封蝶阀可以加快空分设备配套部机国产 化的步伐，不仅可以提高自己的核心技术与核心竞争力，还关系到空分设备的技术提升， 具有极其重要的意义。 1 3 课题研究的可行性分析 1 3 1市场需求、经济效益 在未来的五年时间里，大型空分设备的用户主要集中在钢铁、煤化工、化工、i g c c 领域，需求量大大增加，但四万等级以上的空分设备的切换系统以及膨胀机系统、低温 泵系统的三偏心蝶阀目前均依靠进口。2 0 0 9 年杭氧股份进口三偏心蝶阀配套约有2 5 0 0 浙江工业大学硕士学位论文 多万元；2 0 1 0 年进口三偏心蝶阀配套约有3 5 0 0 多万元，2 0 11 进口蝶阀配套约有4 5 0 0 多万元。我们的目标是在五年内基本替代进口。 1 ) 超低温三偏心硬密封蝶阀：随着密封等级的提高，在大空分中膨胀机进出口位 置、泵进口位置及膨胀机紧急切断位置将逐步替代低温铝角阀，争取杭氧内部配套达到 2 0 套空分，1 2 0 台年，杭氧外部达到6 0 台年，预计销售收入将达1 2 0 0 万元。 2 ) 常温三偏心硬密封蝶阀：在大空分中逐步替代目前的软密封切换蝶阀。分子筛 系统应用此类阀后，再生温度可提高至3 0 0 度，提高分子筛的吸附性能，而且阀门本体 部可以终生免维修。我们主要方向是d n 6 0 0 d n l 2 0 0 的大口径分子筛切换阀，争取为 2 5 套2 万及以上空分配套，数量为2 5 0 台年，预计销售收入将达2 2 0 0 万元。 综上所述，三偏心蝶阀将形成每年约4 3 0 台的销售量及3 5 0 0 万元的销售收入，预 计可实现利润5 0 0 万元年，上交利润1 8 0 万元年，成为本公司的主导产品。 可以看出，三偏心蝶阀的成功开发一方面将为企业产生了较大的经济效益，另一方 面还可以为国家节约大量外汇。 1 3 2 社会效益 大型空分设备是国家许多重要工业装备不可缺少的重大配套装备，属于高科技产 品，世界上仅有美国、德国、法国、日本等少数几个国家能设计制造。特别是大型高压 内压缩空分设备的技术要求更高，如果实现其配套阀门的国产化，可以使我国空分配套 阀门设计制造水平及综合开发能力提高到一个新的水平，还可以提高我国空分设备在国 内国际市场上的竞争力。 大型空分配套阀门的国产化，将促使国外大公司的大型空分成套阀门大幅降价，使 国内用户收益，另外，在膨胀机及低温泵系统，超低温三偏心硬密封蝶阀替代大口径超 低温截止阀还可以降低空分的能耗指标，产生一定的社会效益。 总之，成功开发空分配套三偏心硬密封蝶阀，不仅可以为国家节约大量外汇，填补 国内大型空分配套三偏心硬密封蝶阀的一大空白，也为企业带来巨大的经济效益，使企 业具备参与国际空分配套阀门竞争的能力。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章超低温三偏心硬密封蝶阀的设计原理 2 1 三偏心蝶阀的结构 三偏心蝶阀，顾名思义，蝶阀的组合结构中存在3 个偏心，从图2 1 中可得出，三 个偏心的具体定义为： 阀瓣的回转中心与阀体中心存在偏心距p ； 阀瓣的回转中心与阀瓣密封面存在偏心距口； 阀座所在的圆锥体的高线与阀体通道存在偏心角芦。 图2 1 三偏心蝶阀结构图 臼一圆锥的半顶角沪密封面宽度 2 2 三偏心蝶阀的设计原理 三偏心蝶阀因为轴向偏心距a 的存在，蝶阀的密封面是一个完整的连续锥面，三偏 浙江工业大学硕士学位论文 心蝶阀的工作原理见图2 2 。 若密封面为连续的正圆锥面，l 为回转中心，p 为密封面密封最佳点，p 3 、p 4 为密 封面上最外侧的两个点，以l 为圆心，l ，p 为半径画圆，连接l p 3 、l p 4 ，则l p 3 、l p 4 中总有一条线段大于l p ，相当于阀瓣密封面的某些点的回转半径大于阀座密封面密 封最佳点的回转半径，从而在关闭阀瓣时密封面不能完全进入阀座，产生“干涉”现象。 而采用偏心角为的斜锥面可以解决这个问题，p l 、p 2 为密封面密封最佳点，从 回转中心l 向圆锥两边引垂线，垂足为f 1 、f 2 ，p 1 、p 2 都在f l 、f 2 逆时针方向侧， 且从f 1 到p 1 、f 2 到p 2 的线上的点都逐渐增大，故阀瓣可以旋入阀体密封面，且越关 越紧。 当然，不能说有了偏心角就一定不会产生“干涉”现象这和偏心距a 、e 、及圆锥 的锥度角加也有一定的关系。 图2 - 2 三偏心蝶阀设计原理图 通过这种结构，使阀瓣在启闭时密封面相对于阀体密封面渐出脱离和渐入压紧，从 而完全消除了在整个行程中密封面和阀体密封面之间的磨擦，并消除了因磨损而引起的 泄漏，还优化了阀座与密封圈之间的接触特性。 阀瓣和阀体啮合后，提供其密封性能的密封比压由作用在阀瓣上的阀杆和介质作用 浙江工业大学硕士学位论文 在阀瓣上的压力提供，根据实际使用的场合，可以提供不同压力等级的密封比压，使其 使用场合大大增加。并且，采用这种结构，在保证密封面啮合的情况下，其阀门开关所 需扭矩在阀门使用年限内不会产生很大的变化。 阀瓣与阀座间几乎无磨擦现象发生，从而杜绝了打开普通蝶阀时所常见的跳跃现 象，根除了阀门的低开度范围内因磨擦等各种不安定因素所造成的调控不能现象，这意 味着三偏心蝶阀几乎可以从0 开度开始即进入可调控区域，直至9 0 开度，其正常调控 比是一般蝶阀的2 倍以上。这也为三偏心蝶阀作为调控阀使用创造了良好的条件，特 别是在大口径管路上。 三偏心蝶阀和普通蝶阀相比，是密封形式发生了变化，由一般蝶阀的阀座弹性密封， 改为类似截止阀的面接触密封，使三偏心蝶阀的密封性能、使用寿命、调节性能都得到 极大的提高。 2 3 斜锥面的方程 如图2 3 所示，重新建立模型，以斜截面为底平面做基准，最短母线点和最长母线 连线为x 轴，圆锥体的高线与平面焦点彳为原点，建立坐标，取斜截面上一点m & ，y ) 。 从圆锥顶点d 向平面做垂线，垂足为b ，且b 点在x 轴上连接m b ，m a ，o m ，设o a = k ， 圆锥半锥角为0 ，o a 与底平面的夹角为( 9 0 。书) 。 图2 3 斜截面圆锥 在a o b a 中，z o a b = 9 0 。- 8 ，么 o b a = 9 0 。，o a = k ： 浙江工业大学硕士学位论文 ；a b = ks i n f ；，o b 2 k c o s p 在a b m 中，。a b = ks i n f l ，a m = x 2 + y 2 。b m = 4 ( x k s i n f l ) 2 + 少2 在a o b i d 中，o b = k c o s f l ，b m = 4 ( x k s i n 3 ) 2 + y 2 ，z o b g = 9 0 。 o m = ( k c o s 3 ) 2 + ( 工一k s i n 3 ) 2 + y 2 在a o a m 中，。z a o m = 0 ，a m = x 2 + y 2 ，o a = k ； o m = k c o s o + x 2 + y 2 一( ks i n 0 ) 2 由式2 1 、2 - 2 ，整理方程，可得： k 2 - 2 k s i n 3 x = ( k c o s 0 ) 2 一( ks i n o ) 2 + 2 k c o s 0 4 x 2 + y 2 一( ks i n o ) 2 转化为标准形式为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 当日节 9 0 。，且伊 o ，z o 2 7 三偏心蝶阀阀体和阀瓣的加工 三偏心的理论从上世纪7 0 年代就已经出现，但在国内的发展一直不是很顺利，究 总体来说，阀体密封面、密封圈的车削及磨削，以及阀瓣轴孔到密封平面的高度是 由图2 - 9 可知，为保证偏心角，斜模的的斜度也为声，当阀体的中心线斜模中心 线在斜模平面上相交时，圆锥的中心线与车床的回转中心线存在偏心距x ，该偏心的计算 x = 矗培卢( h 为轴孔中一c , n n 体底平面的距离) 卜：= 兰兰业大邈堂垡墼 厂二型：2 岁 j 与斜黧淼篇淼瓣嚣一翟 浙江工业大学硕士学位论文 2 - 3 阀瓣密封面工装设计 一般来说，阀瓣上的密封面是靠一个密封圈来实现的，密封圈和阀瓣相连，方便阀 瓣的i j h t _ 。这里主要介绍密封圈的i j n - r _ 。 阀体和密封圈都在同一斜模上加工，但密封圈有自行的托盘，托盘放在t 型槽上，t 型槽与斜模相连，通过调节调整螺杆可得到不同的石” ”= ( + 兰) 辔卢) 值，见图2 1 1 。 图2 1l密封罔通用夹具示意图 2 7 4 轴子l 的加工 2 7 4 1配镗 将密封圈与阀瓣组装，并吊装到阀体内，使密封圈和阀体的密封面啮合，然后压紧， 并用工装固定，对阀瓣轴孔和阀体轴套孔进行配镗。 通过配镗，可以保证阀体密封面到轴孔的中心与密封圈到阀瓣轴孔的中心在同一位 置，这在极大程度上保证阀门的泄漏性能，阀门的泄漏量可达v 级以上，但单配的阀瓣 与阀体只能一一对应，互换性较差、生产效率较低。 2 7 4 2单独加工 通过合理的加工手段和精确的测量手段以及高精度的设备，单独加工各关键零件， 并保证阀体密封面到轴孔的中心与密封圈到阀瓣轴孔的中心的误差在0 0 2 t u r n 以内，经 阀门性能试验验证，这对整阀的性能基本没有影响，可保证阀门的泄漏量在iv 级密封 以内。单独加工可大大提高生产效率，但需要靠高精度的测量和加工设备保证。 浙江工业大学硕士学位论文 2 8 超低温阀门 因阀门使用的场合在液氧泵的进口，其大致温度在一1 7 6 。c - 1 9 6 。c 之间，属于超低 温阀门。对于超低温阀门，国外主要采用b s6 3 6 4 低温阀门和m s ss p 1 3 4 对低 温阀门及其阀体阀盖加长体的要求两个标准，国内一般参照g b t2 4 9 2 5 - 2 0 1 0 低 温阀门技术条件 2 8 1 承压件材料选择 在超低温状态下，金属材料将发生低温冷脆现象，即强度和硬度大幅提高，塑性和 韧性大幅降低，这会影响阀门的性能和安全。在一般情况下，阀体、阀盖、阀瓣等承压 零部件大多采用具有面心立方晶格的奥氏体不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金等。但铜 及铜合金、铝及铝合金因强度、硬度等差于奥氏体不锈钢，参照标准要求，一般选用c f 3 m 或c f 8 。 由于奥氏体不锈钢在常温下处于亚稳定状态，在低温下容易发生马氏体转变，故在 实际使用中，需对零件进行固溶处理和深冷处理。 2 8 2 阀杆材料选择 在超低温状态下，阀杆材料一般采用奥氏体不锈钢，但其机械强度较低，表面硬度 不大，阀杆和填料接合处容易相互擦伤，容易发生泄漏。因此对于奥氏体不锈钢阀杆表 面必须进行镀硬铬处理或氮化处理，以提高表面硬度，或采用强度和表面硬度较高沉淀 硬化钢或镍铬合金作为阀杆材料。 2 8 3 密封面材料选择 采用奥氏体不锈钢做密封副的，可以不进行表面硬化处理，直接使用。但在实际使 用中，流体的冲刷以及两个密封面之间在一定密封比压下的压力，可能会对密封面产生 一定的影响，故一般采用堆焊硬质合金的方法，提高密封面的耐磨性和抗擦伤性，从而 提高使用寿命。 为保证两个密封副的长寿命运行，以及在使用中的特殊情况，一般在设计时，两个 密封面的硬度存在一定的硬度差。 2 8 4 深冷处理 深冷处理可以使奥氏体内部的相变和变形充分发生，稳定材料金相组织，消除低温 变形，这样精加工后的零件才能保持组织和尺寸的相对稳定，所有的和低温介质接触的 零件都要进行深冷处理。 具体方法为：将零件浸泡在液氮中，当零件表面所冒气泡完全消失时，开始保温1 2 浙江工业大学硕士学位论文 小时，然后取出，自然恢复到常温，重复循环2 次。 2 8 5 结构设计 超低温阀门采用长阀盖结构，其目的防止低温介质的冷量传递出来，从而导致阀门 端部结霜或冷冻。一般来说，结构长度需符合实际使用的需要，并保证填料函的温度在 0 以上，使填料能正常工作。 2 8 6 防静电设计 用于易燃介质的阀门应设计成防静电结构，以保证阀门的导电性，本文设计中，全 部采用导电的金属连接，使阀体和阀杆具有导电连贯性，放电路径最大电阻不超过1 0q 。 2 9小结 本章节分析了三偏心蝶阀的结构，以及其设计原理，推导出斜锥面截面的椭圆方程 以及偏心角的表达式。通过对三偏心蝶阀的运动分析，确定了阀瓣回转中心的区域，并 对判断是否干涉得出了一种思路。 通过三偏心蝶阀的结构，对偏心圆锥的加工方法进行了初步的研究，并对超低温阀 门的选材和工艺处理进行了初步的研究。 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章力学分析 三偏心蝶阀的密封面是一个斜的圆锥面，阀瓣与阀座的密封副为面接触，其密封的 本质是靠阀杆的扭矩直接传递给阀瓣，使阀瓣的密封面和阀座的密封面产生一定的密封 比压，从而实现密封，故密封力矩是衡量阀门性能的一个指标，本章从力学方面来分析 阀门的密封力矩。 3 1 载荷 阀门的密封力矩主要有以下几方面构成： 轴承处的摩擦力矩：m ( n m ) ； 轴封力矩：m 。 ( n m ) ： 由于径向偏心作用作用于阀瓣上的不平衡力矩：m i ( n m ) ； 介质作用于阀瓣的动力矩：m d ( n m ) ； 由密封副之间的压力产生的力矩：m ，( n m ) ： 各扭矩之和：m 。= 丝+ m 妒+ m ，+ m 。+ m ，( n m ) ，执行机构提供的扭矩只需大于 m 。即可。 3 2 轴承处的摩擦力矩：m ， 轴承处的摩擦力矩的经验公式为：m 。= 要d 2 p 石d ； 式中d 为蝶阀的公称通径，m m p 为阀前压力升值，够c ，z 2 石为轴承的摩擦系数 d 为阀杆直径，m m 3 3 填料密封力矩：m 。 填料密封力矩的经验公式为：m 。= 丌q d 。2 h 以； 浙江工业大学硕士学位论文 式中q 为密封比压，k g c m 2 d l 为轴承直径，m m h 为密封长度，m m 六为填料本身的摩擦系数 3 4 由于径向偏心作用于阀瓣上的不平衡力矩：m i 如图3 - 1 所示，把中性面椭圆作为研究对象，p 1 p 2 为长轴，t 1 t 2 为短轴，建立坐 标，x 轴为阀瓣的回转中心轴线在椭圆面上的投影，则椭圆方程为： 紊+ 荸- 1 ( 3 - 1 ) ( a 椭圆的长半轴，b 椭圆的短半轴) 图3 一l中性面椭圆的直角坐标 则介质压力p 对阀瓣x 轴( 即回转中心) 上下部分作用的力矩分别为： 印i b 厅( y - e ) d y = - ，- j m - - c 善厢吵咖! a 而。 = 等c ；厅珂一孚+ 孚厨+ 等a 矧n 予 2 ， 浙江工业大学硕士学位论文 峙2 p 川一手( - y + e ) d y = 等( 点厢( - 办咖- j a 历而) = 等( 三厅可+ 竿+ 孚丽+ 等删n 俘3 ， 设力矩对回转中心顺时针为正，逆时针为负，则合力矩： m ，= m 下一me = p 7 r a b e ( 3 - 4 ) 3 5 由密封副之间的压力产生的力矩：m ， 3 5 1 静力分析 当阀瓣处于临界状态( 即阀瓣在关闭的瞬间) 时，其上的作用力包括：密封面上的 单位正压力n ( 方向垂直于密封表面且为均布的空间力系) 和摩擦力厂n ( 方向沿密封 表面并阻止阀瓣的运动的空间力系) 以及介质对阀瓣的压力p ( 方向取决于介质流向， 本文假设介质流向为正向，及阀瓣背面流向正面) 。 摩擦力厂与摩擦系数有关，摩擦系数厂与密封副材料、加工方法、表面光洁度 和硬度、润滑状态及温度等因素有关，可以通过实验和测试来确定其准确数值。 如图3 2 所示，介质为正流状态时( 介质流动方向与阀瓣关闭方向相同) 受力情况。 密封面上所受的压力是均布的，方向垂直于密封表面，即垂直于圆锥母线与该点的切 线所组成的平面，并且压力是一空间力系。由于蝶板密封表面与阀座密封面之间有运动 的趋势，且存在着相互作用力，则两者之间也必然存在着一定的摩擦力，大小为厂， 方向为沿圆锥母线且阻止蝶板的运动。 图3 2 阀瓣受力图 浙江工业大学硕士学位论文 3 5 2 密封面所受压力的计算 因压力分布在椭圆面的边缘，为研究方便，以中性面椭圆为研究对象，设长轴为 y 轴，短轴为x 轴，x 轴为阀瓣的回转中心轴线在椭圆面上的投影。设m ( x ，y ) 为 椭圆上一点，n 为x 轴与椭圆的一个交点，连接d m 、d i ，如图3 3 所示。 则椭圆的参数方程为： i y = a s i n q 5 l l x = b c o s o ( 3 - 5 ) ( 参数矽为离心角) n o m = r = ( b c o s o ) 2 + ( 爿s i n 矽f ) 2 图3 3 中性面坐标分析 因对o m = 凡积分计算比较繁杂，为计算方便，把极点设在椭圆的焦点f 2 上，连 接f 2 m 、尼l ，设f 2 m - 与y 轴的夹角为西，f 2 n - 与y 轴的夹角为0 ，f 2 m = r ，则有一个焦 点在原点的椭圆的极坐标方程为： 心= 竺等= 志熵棒c = 厨 ( 3 - 6 ) 阀瓣中性面椭圆周边的受力分析为： 1 ) 沿椭圆周边上的正压力在正圆锥轴线上的力的投影的合力为： 浙江工业大学硕士学位论文 f = 2 f n s i n 0 r , d o ，方向沿圆锥轴线向右。 0 f ：2 s i n o ”f 二l d 西：2 s i n 日b 2 二a c c o s 西 = 2 n s i n o b 2 0 l + ( 留要) z z 枷 地一q 4 n s i n 0 ( a - c ) - 2 ，1 焉撒争 圳s i n 州，c 虞一蔫一s i n 胁 ( 3 - 7 ) 2 ) 已阀杆轴线为界，阀瓣上下两部分的运动方向相反，故摩擦力的方向也相反， 中性面椭圆也相应的分围两个区域： o ，0 t 】、 口，厅 。 一器= 0 = a r c t g b 踊 c + e c + e b , a 2 一p 2 2 以陀留j 了i 乏葛f 忑 0 石= 2 i f c 。s o r d q 6 l ，方向沿圆锥轴线向左。 0 p 。 觯j 。 f n c o s o r c , d q 6 = 4 f n c o s 0 ( a - c ) j o , 巧焉1 0 t c r 舷争 0fl 、+ 。 叫刚c 击删觚篙 、么+ cva + c 设k = a r c t a n 臼 t g i z = a r c 协c 去- 留争 2 6 ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 一2一一2 2 2 留一留 一 一 十 ，l 一1 l c一4 口rjo 叭7 一叭7 留一留 一 一 + 1 l 一i c一4 浙江工业大学硕士学位论文 n f , = 4 f n c o s o b k 六- - 2 i y c 。s 臼凡d ，方向沿圆锥轴线向右。 口 觯。f - n c o s o r c f l d ? = 4 f n c o s 0 ( a - c ) i 叼。1 0 焉妫 口 f ，口三、+ 。 叫刚吲c 击删孤篙l o , ) = 4 f n c o s o b ( 三一。锄 4 + c1 a + c ( 3 1 0 ) 口 留了 二 = 4 厂c 。s o b 。( 三一k ) = 2 f - c 。s o b 万一4 厂c 。s o b k ( 3 - 1 1 ) 3 ) 介质对阀瓣的压力p 在正圆锥轴线上的力的投影的合力为： f = 万彳却c o s 0 ，方向沿圆锥轴线向左。 。所有的力在轴线上的投影的合力为0 f = f 一石+ 五 r c a b p c o s 0 = 2 n s i n o b r c 一4 f n c o s o b k + 2 f n c o s o b r c 一4 f n c o s o b k = n ( 2 s i n o b 7 r + 2 f c o s 0 b j r 一8 f c o s 0 b k 1 ： 至生竺! 皇 2 1 rs i n 0 + 2 * r f c o s 0 8 r f c o s 0 式中r 介质对阀瓣的压力p 卜与密封副相关的摩擦系数 0 圆锥的半顶角 3 5 3密封面所受压力在阀瓣上对回转中心的力矩 1 ) x 轴上半部分的力矩： 口1口 m ，= 2 i n s i n p 心( qc o s 一p ) 6 哝一2 s n c 。s 眠b 口d 0。00 q2 i n s i n 喝( 心c 。s 一p ) 6 以= 2 n s i n o b ( i r ；c 。s d , - e i r c d ) 000 一n c 善c 煮丢，2c o s 纷p ic 煮丢 2 7 ( 3 1 2 ) 0 = 2 n s i n p 6 ，( 0 b 2 浙江工业大学硕士学位论文 ：2 s i np m 弘二唑d ( 留等) 一2 b = 2 8 i n p m i i ：鬲云高d 留量一2 b 1 扎，cl 0 -2sin州丽284i：一a ca c 地扣以， 一 ，西 一 2 s i 撕 丽2 8 4 善番a c 地钳 一 圳s i n 叫羔。羔c p t 9 7 ( t 9 2 争 抛争2 b 冰) + 石b k 卜石b k ) 一2 b + 等k 一石b 闽一2 b 冰)ba c 。 。 划s i n 叫嚣i 丽筹丙等砰2 蚓 = 2 n s i n o b ，日 m 分谵 ( 彳+ c ) 留2 譬+ 彳一c m l = 2 ns i n o b = 2 n c 。s o b 口， o 2 a b e t g o - - - 2 ( 爿+ c ) 留2 譬+ 4 一c 2 8 + 等m c ) 3 _ b 2 e - 4 c o s o b 粼 ( 3 1 3 ) 而兰2一矗兰2 辔一留 一 一 + t 一1 l c一4 袁型叫 型叫 c一4 森 篙c c二+4 一么 f - 、| 1 j 9 钥 以 ，口 劬 户 c v 0 时，不发生干涉，当a g o 时，发生干涉，当a g = o 时，刚好相切。 程序的框图如下： 开始 i 输入m o 、0 、卢、a 、b 、e 计算、 定义z o 的值 定义口的值 1 定义工的值 1 i 计算工、y 、f o ) 计算6 = ( 工f ) 一y 干涉d ，不干涉 i 结束 j 浙江工业大学硕士学位论文 首先把n 瓣上的曲面分成若干个区域，每个区域选择一个点旋转来进行研究，区域 分的越细，仿真度越高，但计算量也越大。x 的取值范围为n 瓣密封面宽度，阀座的宽 度定为阀瓣密封而宽度的3 倍，z 轴的取值范围为阀瓣大端椭圆短半轴长。 所以工l 一( 口+ 兰) ，一( 口一兰) l 、z ( 。， ，u n o e 性面椭圆的短半轴长。 为计算方便，先选取z 0 = 警、l 8 _ n 、3