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关于蝶阀结构的设计与创新

目前在实际工程中在需要经常开启的重要部位均可选用三偏心蝶阀。三偏心蝶阀有以下优点:

①密封性能好,提高了系统的可靠性;
②摩擦阻力小,开闭省力、灵活;
③三偏心蝶阀在蝶板周边镶装着由不锈钢薄板与石墨薄板相互交错层叠而成的多层密封圈,这种密封具有金属硬密封和弹性软密封的双重优点,解决了泄漏问题。

但目前高参数蝶阀还要从国外购买。为改变这一现状,应该分析和研究产品的设计方法,进而结合实际走技术创新道路,提高供水效益。

一、结构分析

蝶阀的3偏心结构(图1)是指蝶板的旋转轴心相对于调节阀通道的轴向和径向偏心,而圆锥形阀座的中心线与阀门的轴线成一定夹角为第3个偏心。这种阀门的密封接触圆锥面,一般使用弹性密封圈。密封面位于斜圆锥表面,阀座和密封圈的正截面均为椭圆,这正是其设计和制造的难点及关键。

从图1得密封圆锥的底半径(位于阀座的大端)和高度为

图1 蝶阀的三偏心结构

密封圈位于阀座中间,阀座宽度为b时,密封中心椭圆的长、短半轴为

该椭圆中心角处的半径为(图2)

从图1可看出,蝶板从全开位置旋转90∃时达到全关位置。蝶板转动到位后应在密封在保持一定压力,否则发生泄漏,为此要
选取合适的几何尺寸。从旋转中心到密封圆锥上下在两条垂线,其垂足距离为(图3)

式中

Rk--密封圆锥的底半径,mm
A0--椭圆的长半轴,mm
Q --圆锥角
j --圆锥轴线倾角
Hk--密封圆锥的高度,mm
A --密封中心椭圆的长半轴,mm
b --阀座宽度,mm
B --密封中心椭圆的短半轴
Rb--密封中心椭圆中心角处的半径,mm
a1--密封圆锥上垂足,mm
ab--密封圆锥上垂足,mm

密封圈的位置应在a1与ab之间,否则将发生泄漏,或出现蝶板旋转90o后继续转动,使蝶阀打开。因此,两个垂足距离与阀座和密封圈宽度的关系应符合E≤a1-ab式中E%密封圈宽,mm

b--阀座宽度,mm

c--轴向偏心距,mm

图2 椭圆中心角

图3 密封圈位置

二、静力计算

蝶板处于即将打开的临界状态时,其上的作用力有密封面圆周单位正压力N(方向垂直于表面)和摩擦力fn(方向表面并阻止蝶板转动)及介质对蝶板的压力fp(方向取决于介质流向)。摩擦系数f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,应通过实验和测试来确定其准确数值。

正流状态(介质流动方向与转动方向相同)时,沿阀门通道轴向的密封面压力平衡式为:

为计算方便,取蝶板半径Rd代替椭圆的长短半轴A、B,其误差很小。

密封面下部附加的正压力为

宽度为E的密封圈,上、下部位的压力为

正流状态时,密封面的压力是介质压力对蝶板的作用产生的、其中下部压力最大。试验

整理得

因此,正流状态的开阀力矩为

逆流状时,需要外加力矩使蝶板压向阀座,密封圈与阀座之间的单位正压力N+应大,也证明,最先发生泄漏的部位是密封圈的下部。正流状态下密封圆锥轴线倾角为(图2)、密封中心椭圆上一点对其坐标轴X、Y绕蝶板旋转轴心(阀杆中心)的力臂为

由密封中心椭圆上各力对轴心的力矩平衡得到

系数与角度Qj有关,但在常用数值范围内差别不大,都在工程允许误差之内。取

(标量)

介质压力对蝶板转动中心产生的附加力矩为

于介质压强才不会泄漏。

外加力矩为

逆流状态的开阀为矩为

当Md>M−时,如果没有附加力矩,蝶板将会在介质压力下自行打开。即没有附加力矩阀门将关闭不严,出现泄漏。

三、j=0

j=0时,阀座的内表面由斜圆锥变为正圆锥,阀座和密封圈的正截面为圆。为就是二维偏心,二维偏心是三偏心的特殊情况,这时密封面的垂足为(图3)

式中Rx--阀座大端半径,㎜正流状态时,蝶板在介质压力作用下压向阀座,即止回阀效应。圆形密封圈与阀座之间的单位正压力N2沿圆周是均等的,其值为

阀门从完全关闭到开启所需的力矩为

这个力矩数值是阀门开启临界状态的脉冲值。蝶板开启后,两侧压减小,力矩值将下降。

正流状态下关闭阀门,理论上不需要外部施力,介质压力会使蝶板自动关闭。但是需要有启动力矩,以克服惯性和摩擦。转动过程还要施加适当的阻尼力矩,防止蝶板转动速度过快发生水击。

逆流时为保持密封面的严密性,需要外加的力矩值为

开阀力矩为

一般情况Mdz大于MZ−,开阀力矩为负值,为保证密封可靠,可采取重锤、气压和液压等办法获得附加力矩,但阀门结构较复杂。

四、设计实例分析

三偏心蝶阀的主要设计参数是密封圆锥锥角Q、圆锥轴线倾角j、径向编心距e、轴向偏心距c和阀座宽度b。

以A0=100mm,e=2.5~7.5mm,c=30~40mm为例,说明这些参数的作用。

图4 开阀力矩与圆锥角的关系

从图4的3条曲线看出,角度Qj对正流状态的开阀力矩影响很大,而正圆锥(j=0)时力矩为最大。j角越大,力矩越小。图6是径向偏心对开阀力矩的影响,同样也是在正圆锥时力矩最大。而增加偏心距有利于减小开阀力矩。至于轴向偏心距的影响则要复杂些,按照几何关系,相对于不同的jj角,有一个最小值。从图5可以看出,这个参数可变动的范围很小。

五、结论

从几个主要参数的分析可看出,圆锥角Q与摩擦系数f密切相关。圆锥轴线倾角j=0时开阀力矩比较大。j角越大,开阀力矩越小,是蝶阀密封副三偏心设计的特点,一般取0&≤jQ,径向偏心距e过小对密封不利,过大又可能使蝶板与阀体发生干涉。轴向偏心距c可调节量较小,这个参数还和结构有关,至少要考虑阀杆的开孔位置,同样也要考虑干涉问题。阀座宽度b选择的合适,可以保证密封区位于阀座的中心。e、c和b统筹考虑才能得到最佳值。

图5 Cmin数值表

图6 开阀力矩与径向偏心的关系