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三偏心蝶閥力矩計算
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內(nèi)容提示：通過對三偏心蝶閥蝶板的靜力分析,推導(dǎo)出三偏心蝶閥的摩擦力矩,并且分析了徑向偏心距、軸向偏心距以及偏心角對摩擦力矩的影響。 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥,電動球閥,氣動球閥,電動閘閥,氣動閘閥,電動調(diào)節(jié)閥,氣動調(diào)節(jié)閥，減壓閥。水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。三偏心金屬密封蝶閥因其溫度壓力適用范圍廣,可實現(xiàn)“零泄漏”密封,近年來得到迅猛發(fā)展。但是三偏心蝶閥的啟閉運動是一個復(fù)雜的三維空間運動軌跡,要求蝶板與閥座在開啟與關(guān)閉過程中無干涉,密封比壓分布相對均勻。迄今為止國內(nèi)尚未對其進行系統(tǒng)的研究及合理規(guī)范的設(shè)計計算,致使三偏心蝶閥的發(fā)展及應(yīng)用受到一定程度的限制。本文闡述了三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu),推導(dǎo)出沿蝶板厚度任意截面的幾何方程并對其性質(zhì)進行了分析。結(jié)果表明,沿蝶板厚度的平行截面輪廓線為標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形,進而推導(dǎo)出了蝶板幾個主要截面幾何參數(shù)之間的關(guān)系。三偏心蝶閥，被廣泛用于介質(zhì)溫度≤425℃的冶金 、電力、石油化工、以及給排水和市政建設(shè)等工業(yè)管道上，作調(diào)節(jié)流量和載斷流體使用。*個偏心：軸偏離密封面中心線
第二個偏心：軸偏離管路及閥門中心線
第三個偏心：其*的偏心閥座斜錐角與管路中心的夾角，這樣，使得閥座與密封圈在閥門整個開關(guān)過程中*脫離。這種結(jié)構(gòu)既利用了凸輪效應(yīng)，又*消除了摩擦，去除了磨損和泄漏的可能。
零泄漏：三偏心蝶閥依靠安裝在蝶板上的復(fù)合不銹鋼密封圈來實現(xiàn)真正的零泄漏。
零泄漏是通過蝶板上密封圈的彈性來實現(xiàn)的。該密封圈的總結(jié)性是通過其徑向的壓縮和柔動產(chǎn)生的。密封圈與閥座接觸面為斜錐面。密封圈與閥座之間的接觸角產(chǎn)生輕微的“楔式效應(yīng)”，使密封圈發(fā)生柔動和徑向壓縮。正由于閥座與密封圈之間均勻接觸以及密封圈的柔性，使得加載在閥座上的載荷均勻，從而用zui小的扭矩實現(xiàn)zui嚴(yán)密的切斷。扭矩產(chǎn)生的彈性使得閥門嚴(yán)密關(guān)斷，而與介質(zhì)流向或介質(zhì)壓力無關(guān)。
其主要特點有：
1、API 規(guī)格
*、 API609 已事實上成為 工業(yè)重要管線上用閥門的規(guī)格。而 Tritec 則全面嚴(yán)格按照 API609 規(guī)格的 1997 年版設(shè)計、制造。更可貴的是、 Tritec 的基本設(shè)計不僅僅局限于 API 一個規(guī)格、 BS5155 ANSI B 16.34 、 ASME SEC VIII 等各大規(guī)格都能對應(yīng)、這保證了 Tritec 在所有的工業(yè)領(lǐng)域都有用武之地。
2、雙重安全構(gòu)造
Tritec 嚴(yán)格按照 API609 的規(guī)格要求、為防止因受流體壓力、溫度的影響而引起的蝶板變形、閥桿錯位、密封面咬合、在蝶板上下側(cè)分別裝有兩個各自獨立的止推環(huán)、從而保證了閥門在任何工況下的正常工作;
同時、為防止未知原因所引起的閥桿破損、飛出而造成的突發(fā)事故、在 閥門下端內(nèi)外兩處設(shè)計了各自獨立的閥桿飛出防止機構(gòu)、這也從側(cè)面保證了 Tritec 的壓力等級可以做到高達 2500 磅級。
3、無死區(qū)設(shè)計
Tritec 在設(shè)計過程中、特別考慮了在調(diào)控領(lǐng)域中的應(yīng)用問題、充分利用三偏心蝶閥的密封原理、做到了 閥門開關(guān)時蝶板不刮擦閥座、閥桿的扭矩通過蝶板直接傳遞至密封面、也就是說蝶板與閥座間幾乎無磨擦現(xiàn)象發(fā)生、從而杜絕了打開普通閥門是所常見的跳躍現(xiàn)象、*了閥門的低開度范圍內(nèi)因磨擦等各種不安定因素所造成的調(diào)控不能現(xiàn)象、即*了死區(qū)（不感帶）、這意味著 Tritec 幾乎可以從 0 開度開始即進入可調(diào)控區(qū)域、直至 90 開度、其正常調(diào)控比是一般蝶閥的 2 倍以上、調(diào)控比zui高可高達 100:1 以上。這為 Tritec 作為調(diào)控閥使用創(chuàng)造了良好的條件、特別是在大口徑時、截止閥的成本*、另外、截止閥無法實現(xiàn)零泄漏、在需要緊急關(guān)斷的工況中、必須在截止閥的旁側(cè)加裝關(guān)斷閥、而 Tritec 集調(diào)控與關(guān)斷于一身、其經(jīng)濟效益是極其可觀的。
4、本體閥座構(gòu)造
三偏心蝶閥的閥座安裝構(gòu)造有兩種、大多數(shù)是為圖方便而安裝在蝶板上、但 Tritec 則采用了本體閥座構(gòu)造、將閥座安裝在本體上。其優(yōu)點是與蝶板閥座相比、大大減少了閥座直接接觸介質(zhì)的機會、從而降低了閥座受沖蝕的程度、延長了閥座的使用壽命。
5、薄層片閥座結(jié)構(gòu)
Tritec 的閥座由不銹鋼薄片與石墨薄片層疊而成、這種結(jié)構(gòu)可以有效地防止介質(zhì)中的微小固形物的影響和熱膨脹所可能引起的密封面咬合、即使出現(xiàn)微小的損傷、也不會產(chǎn)生泄漏、而這在對雙偏心蝶閥或其它三偏心蝶閥來說是不可想像的。
6、可更換式密封副
Tritec 的密封副可謂獨樹一幟、不但本體閥座可以更換、而且由于蝶板密封面與蝶板是獨立的、蝶板密封面可也可以更換、也就是說當(dāng)?shù)迕芊饷媸軗p時、不必再興師動眾地運回制造廠或大舉分解閥門、只需調(diào)換蝶板密封面即可、這不但大大降低了保養(yǎng)成本、還大大減少了維修工時和檢修強度與難度。
7、均衡固定結(jié)構(gòu)
從三偏心 蝶閥的密封面形狀特點出發(fā)、 Tritec 的密封副固定方式采用了螺栓橢圓形分布固定、不但定位、而且還使每個螺栓都均衡受力、杜絕了因應(yīng)力分布不均而產(chǎn)生的密封副松動、泄漏。
1、前言
三偏心蝶閥是在雙偏心蝶閥的基礎(chǔ)上,使蝶板的中心偏置一定的角度,形成三偏心密封結(jié)構(gòu),從而消除了蝶閥啟閉時兩密封面之間的機械磨損和擦傷,減小了驅(qū)動力矩。密封面位于斜圓錐表面,閥座和密封圈的正截面均為橢圓,這正是其設(shè)計和制造的難點及關(guān)鍵,也是目前不能準(zhǔn)確計算摩擦力矩的原因所在[1]。
2、三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)分析
蝶閥的三偏心結(jié)構(gòu)(圖1)是在雙偏心蝶閥的基礎(chǔ)上再增加一個傾角, 經(jīng)過*化設(shè)計使密封副的摩擦力進一步下降, 由于采用面密封的結(jié)構(gòu)使接觸應(yīng)力分布均勻、密封更加可靠。三偏心蝶閥的*個偏心是指蝶板的回轉(zhuǎn)中心L 相對于蝶板中心在軸向存在偏心距c,第二個偏心是指蝶板的回轉(zhuǎn)中心L 相對于蝶板中心在徑向存在偏心距e,第三個偏心是指閥座所在圓錐形的高線與閥體通道軸線有一個夾角φ,即角偏心[2、3] 。 對于三偏心結(jié)構(gòu)的蝶閥, 由于軸向偏心距c的存在,保證了蝶閥密封面是一個完整連續(xù)的錐面,并且該密封面的幾何中心容易確定,降低了密封面加工制造的難度。若密封面為正圓錐面, 則由于蝶板密封面的回轉(zhuǎn)半徑大于閥座密封面相應(yīng)部位的半徑,從而在關(guān)閉時蝶板密封表面不能進入閥座,即產(chǎn)生“干涉”現(xiàn)象,而采用偏心角為φ的錐面即所謂圓錐斜切可以解決這個問題。其密封面為斜置錐形,蝶板與閥座的密封接觸為面接觸,依靠密封面與閥座的充分接觸來達到密封效果[4、5] 。
從圖1得蝶板中性面橢圓的長半軸A 和短半軸B 分別為:
式中A ———中性面橢圓長半軸, mm
B ———中性面橢圓短半軸, mm
R0 ———密封圓錐底半徑, mm
E———蝶板厚度, mm
θ———密封圓錐半錐角, °
φ———角偏心, °
3、靜力分析
當(dāng)?shù)逄幱谂R界狀態(tài)(即蝶板在關(guān)閉的瞬間)時,其上的作用力包括:密封面上的單位正壓力N (方向垂直于密封面且為均布的空間力系)和摩擦力fN (方向沿密封表面并且阻止蝶板運動的空間力系)以及介質(zhì)對蝶板的壓力p (方向取決與介質(zhì)流向) 。而摩擦力fN 與摩擦系數(shù)f有關(guān),摩擦系數(shù)f與密封副材料、加工方法、表面光潔度和硬度、潤滑狀態(tài)及溫度等因素有關(guān),可以通過試驗測試來確定其準(zhǔn)確數(shù)值[6] 。
f———與密封副材料有關(guān)的摩擦系數(shù)
4、摩擦力矩計算
由于三偏心蝶閥密封面為圓錐的表面, 密封為面接觸密封,求出蝶板密封表面上的摩擦力后,再求作用于蝶板上、下兩部分的摩擦力矩。在求摩擦力矩的時候,為計算方便,取蝶板中性面橢圓代替蝶板進行分析。如圖4所示, 首先將摩擦力進行分解,對于閥桿有力矩作用的分力,分別求出摩擦力矩,zui后將各分摩擦力矩合并為總的摩擦力矩。假定摩擦力矩逆時針為正,順時針為負。
圖4 摩擦力分解示意
(1)摩擦力分力fN cosα1 (圖4)引起的蝶板上部分的摩擦力矩(逆時針方向) :
(2) 摩擦力分力fN cosα1引起的蝶板下部分的摩擦力矩(逆時針方向) :
( 3) 摩擦力分力fN sinα1 cosα(圖4)引起的蝶板上部分的摩擦力矩(逆時針方向) :
(4) 摩擦力分力fN sinα1 cosα引起的蝶板下部分的摩擦力矩(順時針方向) :
式中C———長軸上的焦點半徑, mm
λ———焦點參數(shù),λ =B2 /A
e′———橢圓離心率
三偏心蝶閥摩擦力矩分析
時間:2009-08-15 來源:蘭州理工大學(xué) 編輯:俞樹榮
內(nèi)容提示：通過對三偏心蝶閥蝶板的靜力分析,推導(dǎo)出三偏心蝶閥的摩擦力矩,并且分析了徑向偏心距、軸向偏心距以及偏心角對摩擦力矩的影響。 5、特殊情況
當(dāng)φ = 0時,閥座的內(nèi)表面由斜圓錐變?yōu)檎龍A錐,閥座和密封圈的正截面為圓。這就是蝶閥的雙偏心結(jié)構(gòu),雙偏心是三偏心的特殊情況,此時密封面上所受的壓力N 為:
式中 R ———圓錐中性面圓半徑, mm 6、實例分析
下面通過實例分別探討摩擦力矩與三偏心蝶閥主要參數(shù)的關(guān)系。由于蝶板中性面橢圓的半長軸A 和半短軸B 均和蝶板密封面所在的圓錐半徑R0有關(guān)[7] , 現(xiàn)給出以下參數(shù): R0=42mm, c=5mm, e=3mm, φ =10°, E=8mm, p=1MPa, θ =10°, f=0.3。根據(jù)以上所給的參數(shù), 可以計算出三偏心蝶閥的摩擦力矩M。 分別改變徑向偏心距e,軸向偏心距c以及偏心角φ的值,相應(yīng)的視為已知量,由公式( 9)可計算出對應(yīng)的摩擦力矩,如圖5～7所示[10] 。 、結(jié)論
(1)三偏心蝶閥的軸向偏心距c對蝶閥的摩擦力矩影響不大, 幾乎成水平直線, 對于一定口徑,不同θ值及e值都對應(yīng)一個zui小的c值,否則將發(fā)生干涉。一般在設(shè)計時,由于結(jié)構(gòu)和空間的問題, c的值不會很大;
圖6 摩擦力矩與徑向偏心距e的關(guān)系曲線
圖7 摩擦力矩與偏心角φ的關(guān)系曲線
(2)對于同一口徑的三偏心蝶閥, 其摩擦力矩與徑向偏心距e近似成正比, 而其變化也很明顯,在設(shè)計時應(yīng)盡量減小e的值;
(3)同樣對于同一口徑的三偏心蝶閥, 其摩擦力矩與角偏心φ近似成反比, 增加偏心距有利于減小摩擦力矩,這是蝶閥三偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點,一般取0≤φ≤θ。 參考文獻：
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[7] 吳健. 三偏心蝶閥的力學(xué)分析[J]. 煤礦機電,2006,(3) : 8210.與本文相關(guān)的論文有：礦山電動插板閥
