三偏心蝶阀偏心的研究

1、三偏心蝶阀偏心的研究毕业设计论文三偏心蝶阀偏心的研究论文指导教师：专业：系院：辩论日期：刘腾飞刘波机械制造及自动化机电系工程2021年5月日b5E2RGbCAP目录1、三偏心碟阀的发展4plEanqFDPw1.1、 同心蝶阀4DXDiTa9E3d1.2、 单偏心蝶阀4RTCrpUDGiT1.3、 双偏心蝶阀45PCzVD7HxA1.4、 三偏心蝶阀4jLBHrnAILg2、三偏心蝶阀结构概述5xHAQX74J0X3、三偏心各个参数的分析6LDAYtRyKfE3.1、 结构分析6Zzz6ZB2Ltk3.2、 三偏心蝶阀的干预分析7dvzfvkwMI13.2.1、 三偏心蝶阀的运动干预条件7rqy

2、n14ZNXI3.2.2、 运动干预分析8EmxvxOtOco3.2.3、 蝶板的最正确偏心计11SixE2yXPq53.3、 数据分析126ewMyirQFL4、不同偏心结构蝶阀的性能变化14kavU42VRUs5、三偏心蝶阀偏心的改进14y6V3ALoS895.1 目前三偏心蝶阀的偏心缺陷14M2ub6vSTnP5.2 改进三偏心蝶阀缺陷的方法150YujCfmUCw6、参考文献16eUts8ZQVRd7、致谢17sQsAEJkW5T2其中摘要蝶阀是近十几年来开展最快的阀门品种之一.蝶阀的卓越性能与其自身不断地偏心、演变、开展密切相关,被广泛应用于石油、化工、冶金、电力等行业.为满足各种工

3、况要求、蝶阀先后经历了从同心向单偏心、双偏心和三偏心的演变.现在的三偏心碟阀适用范围已可以耐压高达2500磅级、耐温低至-196C、高达700C、密封到达0泄漏.具有代表性的三偏心硬密封蝶阀是在双偏心蝶阀的根底上,使蝶板的中央偏置一定的角度,形成三偏心密封结构.该结构不仅具有双偏心蝶阀摩擦力矩小,开启灵活等优点,同时由于其偏心锥角的作用,在阀门关闭时能够实现自锁,因此,三偏心硬密封蝶阀在现代阀门工业中得到了快速开展.GMsIasNXkA关键词：三偏心干预分体式的阀座曲轴引言现在的三偏心碟阀具有双偏心蝶阀摩擦力矩小,开启灵活等优点,同时由于其偏心锥角的作用,在阀门关闭时能够实现自锁.也就是说,在

4、各种严酷关键的过程限制管线上、不管是开关阀还是调控阀,只要选型得当,都可以放心地使用碟阀.目前的三偏心蝶阀,虽然有许多的优点,如要真正的发挥作用有赖于精密的加工.三偏心碟阀的耐高温、零泄漏特点与三偏心的各个参数的大小是密不可分的.TIrRGchYzg在三偏心的根底上设计一曲轴结构,密封圈和阀座的密封位置由该曲轴调整,使装配更为方便,同时可使密封圈强制压紧阀座,实现双向密封,且密封性得到增强,三偏心的作用进也得到了增强.这样的结构对现有的三偏心蝶阀进行了卓有成效的改进.7EqZcWLZNX1、三偏心碟阀的开展1.1、同心蝶阀该种蝶阀的结构特征为阀杆轴心,蝶板中心,本体中央在同一位置上.结构简单,

5、制造方便.常见的衬胶蝶阀即属于此类.缺点是由于蝶板与阀座始终处于挤压刮擦状态,阻距大,磨损快.为克服挤压刮擦,保证密封性能,根本上采用橡胶或聚四氟乙烯等弹性材料、但也因而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的原因.1.2、单偏心蝶阀为解决同心蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题,由此产生了单偏心蝶阀,具结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板中央,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.但由于单偏心构造在阀门的整个开关过程中蝶板与阀座的刮擦现象并未消失,在应用范围上和同心蝶阀大同小异,故采用不多.1.3、双偏心蝶阀在单偏心蝶阀的根底上进一步改进成型的就是目前

6、应用最广泛的双偏心蝶阀.具结构特征为在阀杆轴心既偏离蝶板中央,也偏离本体中央.双偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅即脱离阀座,大幅度地消除了蝶板与阀座的不必要的过度挤压,刮擦现象,减轻了开启阻距,降低了磨损,提升了阀座寿命.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、提升了蝶阀在高温领域的应用.但由于其密封原理局位置密封构造,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,承压水平低,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.lzq7IGf02E1.4、三偏心蝶阀要耐高温,必须使用硬密封,但泄漏量大；要零

7、泄漏,必须使用软密封,却不耐高温.为克服双偏心蝶阀这一矛盾,又对蝶阀进行了第三次偏心.具结构特征为在双偏心的阀杆轴心位置偏心的同时,使蝶板密封面的圆锥型轴线偏斜于本体圆柱轴线.也就是说,经过第三次偏心后,蝶板的密封断面不再是真圆,而是椭圆,其密封面形状也因此而不对称,一边倾斜于本体中央线,另一边那么平行于本体中央线.这第三次偏心的最大特点就是从根本上改变了密封构造,不再是位置密封,而是扭力密封.即不是依靠阀座的弹性变形,而是完全依靠阀座的接触面压来到达密封效果,因此一举解决了金属阀座零泄漏这一难题,并因接触面压与介质压力是成正比的,耐高压高温也迎刃而解.zvpgeqJ1hk2、三偏心蝶阀结构概

8、述由于在双偏心的根底上,将阀座中央线与蝶板密封面中央线形成一个角度为a的偏置,当三偏心密封蝶阀处于完全开启状态时,蝶板密封面会完全脱离阀座密封面,由于a角偏置的形成会使长、短半径的蝶板变化,蝶板密封面转动轨迹的切线与阀座密封面形成两个夹角.由于这两个夹角的存在,蝶阀开启时,蝶板密封面会在开启的瞬间立即脱离阀座密封面；在关闭时,只有在关闭的瞬间,蝶板的密封面才会接触并压紧阀座密封面,从而彻底消除了蝶板启闭时蝶板密封副两密封面之间的机械磨损和擦伤.而在蝶阀关闭时,其密封副两密封面之间的密封比压可以由外加于蝶板转轴的驱动转矩产生,不仅消除了常规蝶阀中弹性阀座弹性材料的老化、冷流、弹性失效等原因造成的

9、密封副两密封面之间的密封比降低和消失,而且可以NrpoJac3v1过对外加驱动转矩的改变实现对其密封比压的任意调整,从而使三偏心密封蝶阀的密封性能和使用寿命得到大大的提升.1nowfTG4KI3、三偏心各个参数的分析3.1、 结构分析三偏心蝶阀的径向偏心a、动密封副厚度b、静密封副厚度c、密封面椭圆长轴d、轴向偏心e、偏心角a和锥顶角B等7个参数可以确定三偏心蝶阀的密封副结构.d是由阀门的公称通径DN确定,e是由阀门的蝶板厚度和阀轴直径决定的,b和c是由阀门的设计压力及密封面材料、密封面密封比压决定的,a、a和B的选择那么决定了三偏心蝶阀关闭时是否干预及关闭后密封面密封比压是否均匀,密封是否可

10、靠.fjnFLDa5Zo图1三偏心蝶阀3.2、 三偏心蝶阀的干预分析3.2.1、 三偏心蝶阀的运动干预条件三偏心蝶阀的蝶板是在圆锥体上斜截得到的一定厚度的椭圆形截面实体,如图2所示.3个偏心的第一偏心是指阀座密封面或蝶板厚度方向的等分线与阀杆中央相对偏心长度H;第二偏心是指阀杆中央与阀门通道中央的相对偏心长度E;第三偏心是指圆锥形密封面的中央线与阀门通道中央线的相对偏心角度丫.直线AB表示阀座密封面上某点m在某个平面处的切线方向；u代表蝶板在该点的速度方向；速度方向和切线AB的夹角为9,9逆时针方向为正,顺时方向针为负.文中称9为启闭性能指示角.tfnNhnE6e5图2三偏心蝶阀密封结构蝶板逆

11、时针方向转动,蝶板开启.当速度方向U位于切线AB方向的下方时,密封副不发生干预,9>0;当速度方向位于切线AB方向的上方时,密封副发生干预,9<00由此可知,当8<0时,密封副运动存在干预.因此,在设计过程中,确定合理的三个偏心量,保证9>0,从而解决干预问题.HbmVN777sL3.2.2、 运动干预分析为了计算启闭性能指示角并判断三偏心蝶阀的干预情况,建立三偏心蝶阀启闭性能指示角的角度刨切计算模型.先将密封面沿着阀体通道中央线的垂直方向等分为n份,彳4到n+1个相互平行的椭圆形平面S平面,如图3所示.V7l4jRB8Hs图3密封面的角度刨切建立椭圆方程：式中H0圆锥

12、顶点到蝶板密封面的中性面之间的距离,mm;a圆锥半角,°；丫偏心角,°83lcPA59W9然后以O点为圆心,将每个椭圆平面按等角度平分为n等份进行等角度刨切,从而得到椭圆曲线和直线OA的交点m,计算m点的启闭性能指示角.其中直线OA的方程为：mZkklkzaaP联立式、(2),解得x、y:当小=90°,x=0时：输入设计参数D1、T、E、H、a、丫,即可确定m点的坐标(xi,y,z).其中D1代表蝶板密封面中径的长轴,T为蝶板密封面的宽度.AVktR43bpw建立蝶板运动关系,计算m点的启闭性能指示角.如图4所示,O1为阀杆旋转中央,v为m点绕O1旋转运动时的速度

13、方向,9是运动方向与m点切线的夹角,即该点的启闭性能指示角oORjBnOwcEd图4运动关系由图4中的几何关系可得：式中y01,z01阀杆中央的坐标根据式(7)(9)可求出m点的启闭性能指示角,并判断其干预情况.即8>0当时,密封副不发生干预；8<0时,密封副发生干预.用牛顿二次切分法求出精确的干涉范围,精度可以通过设定变量的值来确定.3.2.3、 蝶板的最正确偏心计算(1)蝶板的车t顶角2a的计算蝶板的锥顶角大小与所选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：tg2a<fm(10)可以根据密封材料的摩擦系数fm计算出蝶板的锥顶角2a,然后结

14、合实际情况选择合理的角度.蝶板偏心角的计算由图2的几何关系得：丫=a-4(11)式中a摩擦角,.,tga=fm；圆锥母线与阀门流道中央线的夹角,°结合式(10)、(11)可得：0<Y&a/2(12)轴向偏心H的范围：式中d阀杆的直径,mm；t阀座密圭面的厚度,mm径向偏心的计算当8>0时,密封副不发生干预,结合式(7)(9)得到：式中e密封面中径所在圆与圆锥轴线的交点和与阀体轴线的交点间距离,只要给定a、丫、H,根据式(14),结合密封面上任意点的坐标,就可以计算出每一点的最小径向偏心.提取所有点中最小径向偏心中的最大值,该最大值就是密封面不发生干预的最小径向偏心

15、值.无论参数如何选取,在阀门全关状态下蝶板与阀体的密封副都是完全贴合的.开启阀门果不发生干预,那么过关阀门密封副必将全面干预.开启阀门如果有干预产生,那么过关阀门密封副将局部干预、局部脱离.此时的参数选择不可用.3.3、 数据分析以DN30而低温蝶阀为例,分析各个参数选择的方法.DN30Q®低温蝶阀是设计应用于空分行业,需在-196C深冷工况下长期工作.此设计中d为290mm,e为35mm,b为8mm、c为20mm.通过Solidworks软件可以确定a、a和0的取值范围(表1).2MiJTy0dTT表1参数a、a、B取值范围在参数a、a、B的取值范围内,单一变换某一参数过关阀门0.

16、30,计算密封副的干预量.以变换参数为横坐标,干预量为纵坐标绘制出参数与干预量变化趋势图(图5).(a)径向偏心(b)偏心角(c)锥顶角图5参数与干预量关系从径向偏心、偏心角、锥顶角与干预量的关系可以看出,在不干预的参数取值范围内,径向偏心、偏心角和锥顶角与干预量呈正线性关系三偏心参数及锥顶角的选取,决定了阀门开启时是否干预,关闭时密封面密封比压是否均匀,及其密封的可靠性.4、不同偏心结构蝶阀的性能变化随着阀板偏心数增加,阀板的厚度也加厚,那么流体流经三偏心蝶阀的阻力增加；随着蝶阀偏心数目的增加,阀门的性能也有很大的变化.三偏心蝶阀可以产生较大的压力降,可当作调节阀使用；流体流经阀门时的压力降

17、随偏心数目的增加而增加；但与其它一些非蝶阀相比,三偏心蝶阀的压力降还是比拟小的.随着蝶阀偏心数目的变化,阀座密封性能也随之改变,三偏心蝶阀有极佳的阀座密封性能.偏心数目增大,阀门启闭时所需的扭矩减小,所以三偏心蝶阀启闭所需的扭矩比其它型式的蝶阀要小得多.随偏心数目的变化,蝶阀的温度压力等级范围和适用的温度范围也会有较大的变化,三偏心蝶阀的适用温度和压力等级的范围是其它型式蝶阀无法比拟的.5、三偏心蝶阀偏心的改进5.1 目前三偏心蝶阀的偏心缺陷目前的三偏心蝶阀,虽然有许多的优点,如要真正的发挥作用有赖于精密的加gliSpiue7A工.目前的三偏心蝶阀的阀座和阀体为一体式结构(图6),即阀座直接堆

18、焊在阀体上,阀座无法更换,如果阀座损坏,就只能整阀更换,维修本钱极为高昂.而且阀板和阀座之间的配合尺寸无法调整,只能单配,如果有一个零件尺寸不到位,只能重做一个,所以装配极为困难.这严重影响了三偏心蝶阀的质量,也造成了客户对三偏心蝶阀的不信任.图6阀座和阀体为一体式结构的三偏心蝶阀为了克服三偏心蝶阀存在的缺陷,对三偏心蝶阀的密封原理和结构进行了深入的研究和改进.并开发了一种分体式可自由调整的双向零泄漏硬密封蝶阀,提供一种分体式的阀座结构,阀座和密封圈可互换,密封圈可自由调整、装配、维修简单,能实现双向零泄漏的硬密封三偏心蝶阀.uEh0U1Yfmh5.2 改进三偏心蝶阀缺陷的方法首先为了解决阀座更换的问题,设计了分体式的阀座图7.阀座在阀体上,通过压压紧,卸下压盖,可更换阀座,这不仅解决了阀座不能更换的难题,而且方便了阀座的加工,由于一体化的阀座工装不仅笨重,而且大口径需在立车加工,加工精度差,外表粗糙度差,分体后阀座可以在数控车床加工,精度高,而且可以设计成几个规格组合式的工装,极为方便.IAg9qLsgBX15图7分体式的阀座一般的三偏心蝶阀为了实现密封,是将阀体和密封圈加工好后,将两个零件装配密封压紧,最后再链阀体和阀板的中央孔.这样的