三偏心金属硬密封蝶阀的结构与有限元分析-硕士论文

硕士学位论文三偏心金属硬密封蝶阀的结构与有限元分析研究生姓名： 指导教师 ： 工作单位： 论文提交日期：答辩日期：学位授予日期：授予单位：论文评阅人：工作单位：论文评阅人：工作单位：答辩委员会主席：工作单位：Three eccentric metal seal butterfly valve structure and finite element analysisA thesis Submitted toBy(Majoring in Mechanical Engineering)Supervisor: 中 文 摘 要中 文 摘 要在改革开放以后，我国阀门行业欣欣向荣，而蝶阀也受到了许多应用领域的青睐，以往的普通蝶阀已经很难满足更加严酷的应用环境和更加严格的性能要求。而三偏心蝶阀的出现，改变了蝶阀的密封材料，用金属硬密封形式来取代以往的非金属密封形式。这一设计不仅提高了蝶阀密封副的使用寿命，而且耐高温、耐高压和具有良好的密封效果，扩大了蝶阀的适用领域。但目前国内还没有形成一个较为完善的分析体系，从而使三偏心蝶阀的发展和应用仍受到一定的限制。本文以三偏心蝶阀为研究对象，对其结构、受力进行了简单的分析，归纳出计算蝶阀蝶板的各主要截面的技术参数的公式、计算蝶阀各偏心值的计算公式；并通过理论分析对其摩擦力矩和密封力矩进行了分析；总结出三偏心值对蝶阀所受摩擦力矩和密封力矩的影响，列出了蝶阀各偏心值的适宜区域。本文以600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀为例，通过归纳出的公式，计算出600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的蝶板主要截面轮廓线上的主要技术参数和各偏心值。并通过所得出的各参数，建立600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的数值模拟分析模型，通过ANSYS有限元软件对其受力和流场进行分析，对所得分析结果进行对比分析，验证以上的设计方案是否合理。关键词：蝶阀，三偏心值，金属密封，受力分析，流畅分析iiAbstractABSTRACTABSTRACT: After the reform and opening up, Chinas valve industry thriving, and butterfly valves also got the favour of many application areas, of the ordinary butterfly valve has been difficult to meet more severe application environment and more strict performance requirements. Changed and the emergence of triple eccentric butterfly valve, butterfly valve sealing material, metal hard seal form is used to replace the previous nonmetal sealing form. This design not only improve the service life of a butterfly valve sealing deputy, and resistance to high temperature, high pressure and has good sealing effect, expand the applicable field of butterfly valve. But at present domestic has not yet formed a relatively perfect system of analysis, making the development and application of triple eccentric butterfly valve is still under certain restrictions.Based on the triple eccentric butterfly valve as the research object, for its simple structure, stress analysis, computing the butterfly valve butterfly plate is the main section of the technical parameters, three eccentric butterfly valve value; And the friction torque and the seal moment calculation and analysis; And triple eccentric value through the theoretical analysis of butterfly valve under the influence of friction torque and seal torque, lists the appropriate area of the eccentric butterfly valves value.Based on 600 DS343H two-way multi-level hard seal butterfly valve as an example, through summing up the formula to calculate the 600 DS343H two-way multi-level hard seal butterfly valve butterfly plate as the main technical parameters of the main cross section contour line and the eccentricity value. Drawn by various parameters, and set up 600 DS343H two-way multi-level hard seal butterfly valve model, numerical simulation analysis by finite element software ANSYS to its stress and flow field were analyzed, and the proceeds from the analysis results are comparative analysis, the test design scheme is reasonable.Key Words：Butterfly valve,Triple,Eccentric value,Metallic seal, Force analysis,Fluid analysisiii目 录目 录独创性声明i关于论文使用授权的说明i中 文 摘 要iiABSTRACTiii1 绪论11.1 课题的来源11.2 课题研究的内容及意义11.2.1 课题研究的内容11.2.2课题研究的意义21.3 三偏心蝶阀的国内外发展趋势21.3.1国内发展趋势31.3.2国外发展趋势31.4 蝶阀的概况及技术发展41.4.1 蝶阀的分类41.4.2 蝶阀的概况61.4.3 蝶阀的流量特性61.4.4 蝶阀对流体介质的阻力系数82 三偏心蝶阀的结构分析92.1 三偏心蝶阀的结构特点92.2 蝶板轮廓线方程的推导及性质分析92.3 各轮廓线几何中心方程的推导112.4 蝶板各主要截面的几何参数132.5 600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的参数计算结果142.6 小结143 三偏心蝶阀偏心值的计算分析163.1 金属密封蝶阀的密封副结构163.2 蝶阀的启闭过程163.3 偏心角的选择173.3.1 确保蝶阀的密封性173.3.2 蝶板偏心角的计算183.4 蝶板密封副接触宽度的计算203.5 蝶板锥度的选择213.6 三偏心蝶阀回转中心位置的计算分析223.6.1 三偏心蝶阀轴向和径向偏心距的计算233.6.2 偏心距适宜区域的计算分析253.7 600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的参数计算结果253.8 小结264 三偏心蝶阀摩擦力矩的计算分析274.1 建立蝶板截面上椭圆的极坐标方程274.1.1 椭圆上任意一点到两焦点距离的表示274.1.2 建立椭圆的极坐标方程284.2 静力分析294.2.1 蝶板的中性面椭圆上各点的受力分析304.2.2 力的平衡方程式314.3 三偏心蝶阀摩擦力矩的计算324.4 600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的摩擦力矩分析344.5 小结365 三偏心蝶阀密封力矩的计算分析375.1 载荷的计算分析375.2 轴承接触面的摩擦力矩375.3 蝶阀的轴封力矩385.4 由于径向偏心导致流体介质对蝶板产生的不平衡力矩385.5 蝶阀内流体介质作用在蝶板上的动水力矩395.6 由密封副之间的压力所产生的力矩405.6.1单位正压力作用在蝶板的合力矩405.6.2 作用在蝶板上的摩擦合力矩415.6.3 流体介质静压力作用在蝶板上所产生的不平衡力矩415.6.4 合力矩的表达式415.7 600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的密封力矩分析415.8 小结426 ANSYS有限元分析436.1 ANSYS有限元软件436.1.1 ANSYS有限元软件的介绍436.1.2 ANSYS Workbench软件介绍446.2 三偏心蝶阀的结构静力学分析456.2.1 600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的ANSYS有限元分析456.2.2 ANSYS Workbench分析结果466.2.3 ANSYS处理结果对比分析496.3 三偏心蝶阀的流场数值模拟分析506.3.1 蝶阀内流场数值模拟分析方法506.3.2 600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀内流场数值模拟分析526.3.3 600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的流场分析结果586.4 小结597 结论60参 考 文 献61致 谢65作者简介66viiXXX硕士学位论文1. 绪论 1.1 课题的来源在管道输送介质和控制介质流动状态的系统当中，阀门是重要的组成部件。阀门的应用范围极其广泛，在不同的应用领域、不同的工作环境下，利用阀门达到截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等目的，阀门在不同的应用领域起到了重要的作用。蝶阀是阀门众多种类中应用范围相对较广泛的一种，当蝶阀应用在管道输送系统中时，不仅可以控制管道内介质的通断，也可以像节流阀一样通过改变蝶板不同的开度来控制流体的流速和流量。虽然蝶阀的功能较为全面，但其结构形式简单、体积较小、重量较轻、操作力矩小、启闭过程迅速，以及具有良好的密封效果。因为蝶阀具有了这些优点，蝶阀在工业、农业、国防和人民生活当中都是必不可缺的设备之一。本课题以三偏心硬密封蝶阀为研究对象，通过蝶阀各零件的配合关系、几何位置关系和各部分受力情况，对三偏心蝶阀的结构进行分析。并采用有限元方法，利用有限元软件ANSYS对蝶阀密封系统和流过蝶阀的流体介质进行数值模拟和实验研究，从而对蝶阀的结构工艺进行优化，减少阀门启闭时密封副间的摩擦、降低操作力矩，提高蝶阀的使用寿命。11.2 课题研究的内容及意义 1.2.1 课题研究的内容本课题主要围绕三偏心蝶阀进行研究，以600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀为例，包括对其结构、受力等方面进行计算分析，以及运用ANSYS有限元软件对蝶阀在密封状态下蝶板的受力和流过蝶阀的流体进行分析。具体研究内容如下：(l)结构分析：利用蝶阀的结构特性和各部件的几何位置关系，归纳总结出蝶板各平行截面轮廓线方程的表达式，以及在截面上椭圆的长、短轴的函数表达式。并利用归纳出的公式，计算600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的各参数。(2)静力学分析三偏心蝶阀的结构部件一般为金属材质，这样对蝶板与阀体的密封副设计要求更为严格。故在设计蝶板时，不仅要保证其强度与刚度满足各种工况的要求，而且要尽量减小蝶阀的启闭力矩和避免蝶板在开启或者关闭时发生干涉现象。根据理论力学知识，归纳出蝶阀的启闭力矩函数表达式、蝶阀所受摩擦合力距的函数表达式、蝶阀密封力矩的函数表达式，并根据函数关系，列出三偏心蝶阀的各偏心值的适宜范围。以600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀为例，计算出其各偏心值的适宜区域。并根据各参数对蝶阀受力的影响，选择出600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的三偏心数值。（3）ANSYS有限元分析通过以上求得的三偏心值，建立600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的有限元模型。利用ANSYS有限元软件对蝶阀内流体进行数值模拟分析，即蝶阀在一定压力下，对蝶板的总应变和等效压力进行有限元分析。以及在不同开度下蝶阀对流过的介质的流速及压力的影响。将分析结果进行比对分析，检验以上设计出的三偏心值是否满足实际工作要求。1.2.2课题研究的意义由于蝶阀的应用领域较为广泛，那么对蝶阀的各项要求就变得更为严格。以往蝶阀的密封圈是软密封，即密封圈采用的材质是橡胶或聚四氟乙烯等非金属材料，那么这样的密封圈就不能应用于高温高压的工作环境当中。三偏心蝶阀的设计，使得蝶阀的密封圈可以采用金属材质的密封材料。使其能应用于较高的工作压力和温度下，使用时最高温度可达700，最高使用压力可达4.0MPa。由于三偏心蝶阀的应用领域较为广泛，所以出现了不同的结构形式和密封材质的三偏心蝶阀，本课题试图通过蝶阀的结构及受力分析，归纳出蝶阀的各偏心值的计算公式，分析各偏心值对其受力的影响，进而找出三偏心蝶阀的回转中心的适宜区域，并以600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀为例，得出其适宜的三偏心值，并对得出的三偏心值进行比对分析，检验此设计方案是否合理，为蝶阀的进一步优化做出一点贡献。21.3 三偏心蝶阀的国内外发展趋势 随着科技的发展，三偏心蝶阀越来越受到各应用领域的青睐，为提高蝶阀的各项性能，满足不同的工作条件。科研人员对其进行不断的优化。1.3.1国内发展趋势改革开放以后，随着我国经济的蓬勃发展，阀门行业的展现也突飞猛进。现在有几千家的大小阀门厂，尽管良莠不齐，但产品品种已达3000多型号，近30000个规格。在密封性能上、强度要求、调节功能、动作性能和流通性能，特别是密封性能，都有了较为明显的进步。倒退十年，城镇供水协会的权威人士有句行业名言说“十阀九漏”，尽管有些夸张，但国内阀类的性能的确不尽人意，闸阀的缺点主要是其密封性能较差，蝶阀是操作机构的可靠性差等等。但现在这种情况确有明显改进，球墨铸铢、树脂砂铸造工艺、奥氏体不锈钢阀轴、硬密封阀座、专用特殊阀门品种、防腐喷涂涂料的应用，以及密封结构的优化设计等技术的出现，使得有些厂家的阀类产品已接近或达到国际的先进设计水平，取代了一些进口产品，并且出口国外，全国阀类的整体水平也在不断提高，和国外的先进水平之间的差距进一步缩小。但由于我国的机械制造行业的整体水平不高，因此国内的阀门质量还需要进一步的提高。31.3.2国外发展趋势蝶阀在国外的应用十分广泛，而且对其各项功能方面的设计水平已达到一定的高度，而且某些蝶阀可在许多严酷的工作环境下工作。1960年,德国的Karl Adams提出了蝶阀应具有的三种基本功能：切断、调节，以及止回这三种功能。并在1965年以名为“斜置锥形阀座密封系统”申请了专利，这项技术的出现对蝶阀以后的发展有深远的意义。1967年，法兰克福举行的国际机械产品展览中，展示出一种T型的新式法兰偏心蝶阀，此设计很大程度的提高了蝶阀的密封能力，很快就在中高压蝶阀的密封系统中得到了应用；日本株式会社所设计的三偏心蝶阀的压力等级己高达2500磅级，最高所能承受压力可达26MPa，工作环境的最低温度可至-196、最高温度达700，密封性能良好，调控比高达100：1以上。也就是说，在不同的控制管线中，不论是想要起到截止的作用，还是想要控制管道的流体，只要蝶阀的规格选择适当，都可以满足应用的要求；还有美国的KYSTONE和加拿大的SCORE等公司的金属硬密封蝶阀，不仅是蝶阀的质量，还是其性能都达到了国际先进水平，并在各自的国内市场得到了广范的应用。41.4 蝶阀的概况及技术发展 1.4.1 蝶阀的分类 改革开放后，我国的科技得到了突飞猛进的发展，阀门行业也展现了欣欣向荣的生机。蝶阀为适应各种严格的工作条件、提高自身的各性能指标，科研人员不断地对蝶阀的结构进行优化。蝶阀具有以下几种类型。（1）中线蝶阀图1.1a是中线蝶阀，是蝶阀最初的结构形式，中线蝶阀把阀杆、阀体、蝶板这三个重要部件的回转中心放在了同一位置上，虽然这一设计结构简单、组装快捷和制造方便。但是使蝶板与阀座始终处于挤压、刮擦状态，并且在开启或者关闭时阻力矩大，蝶板与阀座的密封面磨损较为严重。为克服以上现象，确保蝶阀的密封性能，阀座基本上采用橡胶或聚四氟乙烯等弹性材料，导致蝶阀不能应用于高温环境，从而使中线蝶阀的应用领域受到了极大的限制。（2）单偏心蝶阀单偏心蝶阀的结构形式是在中线蝶阀的结构形式基础上，提出了蝶板中心与阀杆轴心有一定偏心距离的这一结构形式（如图1.1b)，这种单偏心的设计使蝶板上下端不再成为回转轴心，大大减轻了蝶板与阀座在开启或者关闭过程中时的刮擦现象，并分散了在密封状态下蝶板与阀座的挤压应力，但蝶阀的单偏心这一设计并没有完全使刮擦现象得到消除，其结构形式仍需要优化。（3）双偏心蝶阀双偏心蝶阀是目前应用最广泛的蝶阀之一，双偏心蝶阀在单偏心蝶阀的基础上得到进一步改良，不仅使蝶板中心在径向上与阀杆轴心存在一定的偏心距离，又使蝶板中心在管道轴向上与阀体中心存在一定的偏心距。结构形式如图1.1c所示。双偏心蝶阀的这一设计使阀门在开启后蝶板密封副接触面能迅速与阀座密封副接触面分离，弥补了中线蝶阀和单偏心蝶阀的过度挤压和刮擦等现象，减轻了蝶阀在开启或关闭时的摩擦力矩，从而提高了蝶阀的使用寿命。双偏心蝶阀的双偏心设计在极大消除磨损的同时，使得双偏心蝶阀可以采用金属材料代替以往的橡胶来制造阀座，提高了蝶阀的适用温度。当蝶阀采用金属材质制作阀座的同时，对蝶阀关闭位置的要求也更严格一些，主要由于双偏心蝶阀是位置密封，即蝶板与阀座的密封面的接触方式为线接触。通过管道中介质对蝶板的压力，利用蝶板对阀座的挤压而产生的弹性变形达到密封效果。因为蝶板与阀座发生的弹性变形不宜过大，故双偏心蝶阀不能耐高压，而且密封效果差强人意。图1.1三种蝶阀的结构简图Fig. 1.1 Three butterfly valve structure diagram（4） 三偏心蝶阀图1.2三偏心蝶阀Fig. 1.2 Three-eccentric center butterfly valve三偏心蝶阀的结构如图1.2所示，在以后的章节当中，会对该蝶阀的结构进行详细的分析。4-51.4.2 蝶阀的概况 蝶阀也称作翻板阀，是应用领域较为广泛的调节阀之一，经常被选择用于中低压管道的控制系统当中。通过对蝶阀蝶板的控制来实现管道的通断，蝶板（或阀瓣）为圆盘，以阀轴为旋转中心，通过蝶板不同的开启角度来达到调节流量的目的，因此蝶阀也具有一定的调节特性。不同材质的蝶阀，适用于不同的介质，一般情况下，蝶阀可以应用于输送各种腐蚀性和非腐蚀性流体介质的管道上，作用是调节和截断介质的流动。蝶阀具有以下几个优点:(l)体积较小、重量轻。由于蝶阀的组成零件少，且都为薄壁结构，故其重量约为相同压力级和同样口径的闸阀重量的一半左右。(2)启闭迅速、操作简单。蝶阀控制管道通断的主要部位是蝶板，通过改变蝶板的开度来控制蝶阀的通断以及调节管道中介质的流速，蝶板的最大旋转角度仅为90，即只在90范围内就可达到启闭的效果。(3) 调节和密封性能好。蝶阀可以通过改变蝶板的旋转角度来实现流量的分级控制，调节性能较好。而且在不同的工作环境下，蝶阀的密封系统的材质也可以多样化，密封效果良好。(4) 流体阻力和操作力矩小。根据以往对蝶阀所作的流阻试验可以得出，蝶阀与其他的阀门相比，流阻相对较小。由于蝶板在工作当中处于近似平衡状态，从而操作力矩与其他阀门相比也相对较小，这样就可以用较小的力矩来实现阀门的启闭。71.4.3 蝶阀的流量特性 流量调节特性是蝶阀的重要特性之一，是在蝶阀前后两端压差保持一定的条件下，介质流过蝶阀的相对流量与蝶板开度的关系。一般调节阀的流量特性具有以下几种类型：线性特性、等百分比特性及抛物线特性。而蝶阀并不像其他调节阀那样在全行程中一直具有调节流量的能力，而是只在一定的开度范围内具有流量调节特性。那么，弄清楚在多少开度范围内蝶阀才具有流量调节特性，以及在该范围内蝶阀的流量调节特性曲线又是如何变化的是研究蝶阀流量特性的重要环节，也是提高蝶阀的流量特性的必要阶段之一。下图1.3是以往对一台中压蝶阀的流量特性进行了测试，其流量特性如图所示。8图1.3中压蝶阀的流量特性试验曲线Fig. 1.3 Medium pressure butterfly valve flow characteristics test curve通过图1.3可明显看出：（1）蝶阀相对开度在O%5.5%之间时,没有任何流体流过蝶阀。这是由于蝶板自身具有一定的厚度,导致在该开度范围内蝶板与阀座的密封面尚未完全分离，故仍然处在关闭状态。（2）当相对开度在5.5%以上时,蝶板开始与阀座密封圈脱离，流体可以流过蝶板。从而随着蝶板开度的增加，流过蝶阀流体的相对流量也相继上升。（3）由图1.1可明显看出，只有当蝶阀相对开度在60%以下时，蝶阀才具有流量调节特性。相对开度在5.5%40%范围内时，蝶阀具有直线流量特性,其流量特性表示式为： （1.1）（4）相对开度在40%70%范围内具有快开流量特性，其流量特性表达式为： （1.2）在式（1.1）与式（1.2）中 蝶阀的流量； 蝶阀的开度； 蝶阀在不同开度下的流量放大系数。值越大，蝶阀的流量调节曲线越陡，表示蝶阀调节流量的能力越小；反之，若值越小，则蝶阀调节流量的能力越大。蝶阀在相对开度达到70%以上时，己没有调节流量的能力。91.4.4 蝶阀对流体介质的阻力系数 蝶阀对流过阀体流体介质的阻碍能力用阻力系数表示，是蝶阀在开度达到90时，蝶阀对流过阀体的流体的阻碍能力。根据以往的研究结果，对常用的阀门的阻力系数给出了推荐值，闸阀的阻力系数在0.150.8范围内；截止阀的阻力系数在4.57范围内；而止回阀的阻力系数约为7左右。但由于当时的测量条件有限,对蝶阀的阻力系数并无明确的定义。通过对文献2的了解，给出了中低压蝶阀的阻力系数参考值。在测量阻力系数时，记录阀门全开时的流量和阀门前后的压差，然后根据所测得的数据计算出该蝶阀的阻力系数。在实验过程中，观察到当蝶阀在全开状态时，其前后压差能支撑0.49米高的水柱，并测得流过蝶阀的流体介质的流速为3.042，然后通过计算得出中低压蝶阀的阻力系数约为1.05。最后对所测得的结果进行可靠性分析，具体如下：(l)根据不同的结构形式分析。因为蝶阀的结构与其他阀门略有不同，故蝶阀对流体介质的阻力系数应介于截止阀和闸阀之间，比截止阀小，大于闸阀。然而通过实验测得的1.05这一数值符合这一规律。(2)通过对一些资料的了解，给出了低压蝶阀的阻力系数值应该在1以下，而且曾经对低压蝶阀的一些相关实验测得其最大阻力系数为0.972。然而上诉1.05这一阻力系数值的测量对象是中压蝶阀，中压蝶阀相对低压蝶阀各部分零件尺寸较大，故各零件在管道中所占用的空间相对较大，其阻力系数值也理所应当比低压蝶阀大一些，故实验测得结果也满足实际情况。2、99xxxx硕士学位论文2 三偏心蝶阀的结构分析 本章目的是对三偏心蝶阀的结构进行分析，利用三偏心蝶阀的结构特点，归纳总结出蝶板的轮廓线方程表达式、轮廓线几何中心表达式及蝶板各主要截面上参数表达式。并对600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀为例，计算出其各参数。2.1 三偏心蝶阀的结构特点 三偏心蝶阀的结构形式是对双偏心蝶阀进行优化得到的，使蝶板密封副所在锥面的轴线与管道轴线有一定的偏斜角度，即又具有一个偏心角，这一优化设计大大减轻了密封副的摩擦力，而且密封形式用面密封来代替以往的线密封，使蝶板密封副所受应力分布更为均匀、密封效果更加可靠，三偏心蝶阀的结构见图1.2。三偏心蝶阀的三个偏心具体是指：第一个偏心是指蝶板的回转中心相对于蝶板中心在管道轴线方向有一个偏心距；第二个偏心是指蝶板的回转中心相对于蝶板中心在沿蝶板径向方向上有一个偏心距；第三个偏心是指蝶板密封副所在锥面的轴线与阀体管道轴线成一个偏心角度。由于三偏心蝶阀的结构特点，即在管道轴向方向存在一个偏心距，这一设计保证了蝶阀的密封面是一个连续完整的锥面，同时又降低了密封面加工的难度，并且在设计当中，能够更容易的确定密封面的几何中心。采用密封副所在锥面轴线与管道轴线存在偏心角为的这一结构，使蝶板密封面的半径小于阀座密封面相应部位的半径，从而避免在蝶阀关闭时蝶板的密封表面不能进入阀座而产生的干涉现象。102.2 蝶板轮廓线方程的推导及性质分析 蝶板的几何模型如图2.1所示,建立三维坐标系,其中圆锥顶点为原点，高线所在直线为轴。圆锥的半锥角为，蝶阀所在管道轴线设为，设为蝶板密封面上任意一点，过点作垂直于的平面，平面与轴的交点为，并截圆锥所成轮廓线的长轴的两个端点分别为和，平面与轴的倾斜角度为，且与互为余角。过坐标原点作平面的垂线，垂足为，并以为原点建立新的三维坐标系，其中以所在直线为轴，分别连接，。设,。图2.1蝶板密封面所在圆锥的结构简图Fig. 2.1 disc sealing surface cone structure as shown in figure在直角三角形中，因为，利用勾股定理可得又因为在中，利用余弦定理可得到圆锥半锥角的余弦值，整理后得: (2.1)又因为 (2.2)联立式(2.1)、式(2.2)并整理得：(2.3)通过方程(2.3)可以发现，只有当时，方程(2.3)表示蝶板的横截面是一个椭圆。即该椭圆方程的标准形式可表示为：11 （2.4）椭圆中心坐标表达式为：（，0）椭圆长半轴表达式为：；椭圆短半轴表达式为：。2.3 各轮廓线几何中心方程的推导 由平面斜截圆锥而成的蝶板的几何结构示意图，见图2.2,其中表示三偏心蝶阀的蝶板，为蝶板密封表面上任意一点，建立直角坐标系,以圆锥顶点为坐标原点，圆锥高线为轴。为过点的轮廓线的长轴，与轴的夹角为，圆锥的底面中心为。、分别是、与轴的交点，各截面轮廓线的几何中心分别为、。12图2.2中，设，通过几何关系可得： （2.5）因为与平行，可得到，所以: （2.6）整理式(2.4)和式(2.5)得的半长轴表达式为: （2.7）整理式(2.6)和式(2.7)得: （2.8）所以点的横纵坐标可表示为: （2.9）图2.2平面斜截圆锥而成的蝶板Fig. 2.2 Plane of truncated cone disc plate利用以上方法，同理可得到点和点的坐标表达式: (2.10) (2.11)在以上公式中：圆锥底半径，单位：； 几何参数； 蝶板厚度，单位：因为、互相平行，则可得到： （2.12）故可得出、三点都在过原点的同一条直线上，斜率为；直线方程形式为: （2.13）由不完全归纳法可以得知，蝶板各个平行截面轮廓线的几何中心均在一条直线上。13-152.4 蝶板各主要截面的几何参数 如图2.2，设蝶板密封表面所在的圆锥面的高为(即)，密封圆锥的底半径为(即)，蝶板大端截面上椭圆(BD)的长半轴为、短半轴为，蝶板厚度大小为，在蝶板中性面上的椭圆长半轴为、短半轴为，蝶板小端截面上椭圆（GF）的长半轴和短半轴分别为、。则各参数关系如下：16蝶板大端截面上的椭圆中各参数如下: （2.14） （2.15） （2.16）蝶板中性面上的椭圆的长半轴和短半轴表达式为: （2.17） （2.18）蝶板小端截面上的椭圆的长半轴和短半轴表达式为： （2.19） （2.20）2.5 600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的参数计算结果取600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的各参数如下：、其中：蝶板厚度，单位：； 蝶板密封面所在圆锥的半锥角，单位：度； 密封系数； 偏心角，单位：度； 蝶板所在表面与管道轴线的夹角，与互为余角，单位：度。根据本章归纳出的公式(2.13)(2.20)，分别计算出600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的各参数如下：蝶板轮廓线各中心所在直线方程：蝶板大端椭圆的长半轴：蝶板大端椭圆的短半轴：蝶板密封面所在圆锥的高：蝶板中性面椭圆的长半轴：蝶板中性面椭圆的短半轴：蝶板小端椭圆的长半轴：蝶板小端椭圆的短半轴：2.6 小结 本章对三偏心蝶阀的结构进行了简单的分析，归纳出蝶板各截面轮廓线上参数的计算方法。并以600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的结构特点进行了简单的分析，利用蝶板各截面轮廓线上参数的计算公式，计算出600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的蝶板轮廓线各中心所在直线的方程，以及蝶板的大端、中性面和小端上的椭圆方程中的几何参数。633 三偏心蝶阀偏心值的计算分析 本章目的是对三偏心蝶阀的结构进行分析，归纳出三偏心蝶阀的各偏心值计算公式，并计算出600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的各偏心值及蝶板密封面所在圆锥的锥角。3.1 金属密封蝶阀的密封副结构 蝶阀在关闭状态时，蝶板密封面与弹性阀座相接触，密封副在介质的压力作用下产生微小的弹性变形，从而实现密封效果。金属密封蝶阀的密封副结构设计的合理性对蝶阀的操作灵活、扭矩小和密封性能良好等因素至关重要。根据不同的公称通径，选择不同的阀门结构形式，不同的公称直径也决定了选择蝶阀的结构类型。当时，一般采用双偏心结构(图1.2c所示)，当时，一般采用三偏心结构(图1.3)。173.2 蝶阀的启闭过程 三偏心蝶阀的结构原理如图3.1所示，蝶板密封副接触面所在曲面为锥面，若蝶板密封副所在表面采用正置的圆锥体，则由于蝶板大端的直径比阀座密封圈的内径大，故导致在开启或者关闭时，蝶板与阀座在蝶阀启闭过程中会发生干涉现象，导致无法达到开启或关闭的效果。三偏心蝶阀的偏心角这一设计，使密封副所在的锥面轴线与管道轴线有一定的偏斜角度，便解决了这个问题。由于密封副接触位置(点)的旋转半径大于点的旋转半径，即点的旋转轨迹位于点的旋转轨迹以下，所以蝶板可旋入阀座，并在不与阀座发生干涉的前提下实现接触密封。同理可以得出，蝶板下端后进入阀座的端点的旋转半径小于密封副接触位置的旋转半径，即蝶板下端在开启或关闭时也不会出现干涉现象。18图3.1三偏心蝶阀的结构原理示意图Fig. 3.1 Three eccentric structure of butterfly valve diagram3.3 偏心角的选择 3.3.1 确保蝶阀的密封性 蝶阀的密封效果是利用蝶板与阀座之间的密封副产生的挤压变形，来达到密封效果的。所以要想达到良好的密封效果，则需要在密封副之间有一定大小的密封力，即需要满足一定的密封比压。根据三偏心蝶阀的密封原理，在蝶阀关闭时，密封副间的压力需满足下列条件：式中：蝶阀达到密封效果必须具有的密封比压，； 蝶阀实际工作下的密封比压，； 蝶阀采用密封材料的许用比压，。其中蝶阀达到密封效果必须具有的密封比压的计算式为：式中:计算压力； 温度对液体的影响系数,常温液体； 由密封副采用的材料决定，考虑阀内流体介质对比压值的影响； 密封副接触宽度。通过以上分析可得出，阀门的必需密封比压与密封副接触宽度有关。193.3.2 蝶板偏心角的计算 蝶阀的偏心角这一设计，避免了碟板在开启或关闭过程中与阀座发生干涉现象。由图3.1可以看出，利用图中的几何关系，先求出密封接触面所在的圆锥顶点，然后求出直线与轴的夹角，即可求出偏心角的表达式。（1）求圆锥顶点的坐标如图3.1所示,为蝶板中性面椭圆的几何中心，过蝶阀所在管道轴线定为轴，方向向左，以点为坐标原点,建立坐标系。由上一章的结构分析得与圆锥高线的夹角为。在中，若设与轴的夹角为（是的外角），则： （3.1）通过各参数的几何关系，可得到、的坐标为： （3.2）其中：蝶板大端截面上的椭圆长半轴（图3.1中直线所在蝶版表面，即蝶板大端椭圆表面）由图3.1可知直线与轴的负向夹角为，则直线的斜率为：则直线的方程可以表示为：，将点的坐标值代入直线的方程中，得到直线与轴的截距为： （3.3）同理，直线与轴的正向夹角为,则直线的斜率为：则直线的方程可表示为：,，将点的坐标值代入直线的方程中，得到直线与轴的截距为： （3.4）设点的坐标，解方程组得点的坐标: （3.5）将代入(3-5)式得： （3.6）（2）偏心角的计算由图3.1可知，直线与轴的夹角为偏心角，则直线的斜率可表示为： （3.7）根据上一节求得的点的坐标，将坐标值代入式(3.7)并整理的得： （3.8）由式（3.8）可明显看出，只要给定的数值，并结合密封副的密封力矩以及接触宽度，就可以计算出合适的偏心角。203.4 蝶板密封副接触宽度的计算 蝶阀通过旋转碟板来实现开启或关闭，蝶阀在关闭状态时，应在密封面上保持一定的密封比压，否则会发生泄漏现象，为此在设计蝶阀的密封副时，对其尺寸的选择要十分谨慎。过旋转中心作密封副所在圆锥上、下两条母线的垂线，垂足为，见图3.1。蝶板大端椭圆长轴的两个端点为、，回转中心的坐标为，仿造第三节的计算方法，各直线的斜率可表示为:21直线的斜率:直线的斜率:则直线的斜率:直线的斜率:故直线和直线的方程可表示为:直线的方程为:直线的方程为:直线与直线的交点为，即：解方程组，得到点的坐标:(3.9)同理，直线与直线的交点为，即：解方程组，得到点的坐标:(3.10)上一节已求出和的坐标，则利用两点间的距离公式可得出和的距离表达式：分别为点与蝶板大端椭圆表面的距离。由几何关系可得的表达式为: (3.11) (3.12)蝶板在全关状态下要想实现密封效果，则需要密封面的位置在和之间，否则无法达到良好的密封效果，从而会出现泄漏现象。或者出现蝶板旋转90后仍能继续转动，发生关闭过位的现象。所以，蝶板密封副接触宽度的大小，以及阀座宽度的计算式为:22 (3.13)式中:密封副接触宽度， 阀座的设计宽度，3.5 蝶板锥度的选择 蝶板密封接触面所在的曲面是轴线与轴有一定倾斜角度的倾斜圆锥，密封材料摩擦系数的选择决定了蝶板密封副所在圆锥的锥度，为了能够使蝶阀在关闭状态时能实现自锁，从而达到要求的密封效果。通过机械原理可以推理出，蝶板密封副所在圆锥的锥度需满足如下公式： (3.14)由上式（3.14）可以看出，通过了解蝶板密封副采用何种密封材料，便可求出蝶板密封副所在圆锥体的锥度，然后根据蝶阀的实际工况，再选择适宜的锥度。233.6 三偏心蝶阀回转中心位置的计算分析 图3.2中表示蝶板，蝶板绕点旋转，是过蝶板中性面椭圆中心且与管道轴线平行的直线，过点且与直线垂直，过点且与直线垂直，为过蝶板中性面椭圆的半长轴的中点，且与管道轴线平行的直线，是圆锥底面的中心。图3.2三偏心蝶阀的回转中心区域Fig. 3.2 The rotary center of the triple eccentric butterfly valve area在图3.2中，当逆时针方向关闭蝶阀时，、是蝶板密封副上优先与阀座配合的两点，只有当点的绕回转中心旋转的轨迹在直线线以上，点绕回转中心旋转的轨迹在线以下时，才能使蝶板旋转时不与阀座产生干涉现象，即，因此可知、是回转中心的临界位置。又因为通过以上章节的分析，在蝶阀设计当中需采用较小的径向偏心距，从而降低蝶板的启闭力矩，推荐取，即三偏心蝶阀回转中心位置的可在由，所围成的区域内进行选择，其区域见如图3.2阴影部分。243.6.1 三偏心蝶阀轴向和径向偏心距的计算 建立坐标系，如图3.2所示，轴与重合，轴是蝶板中性面上的椭圆长半轴所在直线，坐标原点是中性面上的椭圆中心。、分别交轴于、，在坐标系中，由上一节分析及蝶板中心的位置，可知径向偏心大小应满足： (3.15)式中：蝶板中性面上椭圆的长半轴，（1）求点、点的坐标和直线的斜率24如图3.2所示，在中，根据图中各点的位置关系可得以下运算：因为又因为得因为点的横坐标的大小是在的基础上，去掉蝶板的一般厚度（蝶板厚度为）所以 （3.16）即点的坐标可表示为：而之前已经求出点的坐标可表示为：因为则直线的斜率可表示为: (3.17)通过三偏心蝶阀的结构特点，由图3.2可以列出回转中心坐标表达式：因为则直线的斜率为： （3.18）（2）求点、点的坐标和直线的斜率24如图3.2所示，在中，根据图中各点的位置关系可得到以下运算：因为， 所以则 （3.19）即点的坐标可表示为：而点的坐标可表示为：(,)，因为则直线的斜率可表示为： （3.20）同理,则直线的斜率为： （3.21）3.6.2 偏心距适宜区域的计算分析 如图3.2所示，为避免蝶板在启闭过程中与阀体密封圈发生干涉，则有(3.22)式成立： （3.22）若回转中心位于图3.2中阴影部分区域内，则回转中心与端点的连线的斜率必然满足式(3.23) （3.23）式中：并且轴向偏心距应介于点与点之间，既有：即： （3.24）设蝶阀的阀杆直径为，由于阀杆的影响，为使蝶板密封表面是一个完整连续的锥面，则轴向偏心距还应满足下面的不等式：25 (3.25)3.7 600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的参数计算结果 根据本章归纳出的公式(3.8)、(3.14)、(3.15)、(3.24)，分别计算出600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的各参数如下：蝶阀偏心角：蝶板密封面所在圆锥的半锥角：蝶阀径向偏心的取值范围：蝶阀轴向偏心的取值范围：以上是通过计算公式得出的理论值，在实际设计当中应根据具体的情况来选择合适的数值。3.8 小结 本章通过三偏心蝶阀的结构特点，归纳出其三偏心值的取值范围计算公式。然后对600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀的径向偏心距、轴向偏心距、偏心角和蝶板密封面所在圆锥的半锥角分别进行了计算分析，从而得到蝶板回转中心的适宜区域。4 三偏心蝶阀摩擦力矩