三偏心蝶閥力矩計算

                    上海申弘閥門有限公司
 
內容提示：通過對三偏心蝶閥蝶板的靜力分析,推導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,電動調節閥,氣動調節閥，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“零泄漏”密封,近年來得到迅猛發展。但是三偏心蝶閥的啟閉運動是一個復雜的三維空間運動軌跡,要求蝶板與閥座在開啟與關閉過程中無干涉,密封比壓分布相對均勻。迄今為止國內尚未對其進行系統的研究及合理規范的設計計算,致使三偏心蝶閥的發展及應用受到一定程度的限制。本文闡述了三偏心蝶閥的結構,推導出沿蝶板厚度任意截面的幾何方程并對其性質進行了分析。結果表明,沿蝶板厚度的平行截面輪廓線為標準的橢圓形,進而推導出了蝶板幾個主要截面幾何參數之間的關系。三偏心蝶閥，被廣泛用于介質溫度≤425℃的冶金 、電力、石油化工、以及給排水和市政建設等工業管道上，作調節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過程中*脫離。這種結構既利用了凸輪效應，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合不銹鋼密封圈來實現真正的零泄漏。
零泄漏是通過蝶板上密封圈的彈性來實現的。該密封圈的總結性是通過其徑向的壓縮和柔動產生的。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生輕微的“楔式效應”，使密封圈發生柔動和徑向壓縮。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zui嚴密的切斷。扭矩產生的彈性使得閥門嚴密關斷，而與介質流向或介質壓力無關。

其主要特點有：
1、API 規格
*、 API609 已事實上成為 工業重要管線上用閥門的規格。而 Tritec 則全面嚴格按照 API609 規格的 1997 年版設計、制造。更可貴的是、 Tritec 的基本設計不僅僅局限于 API 一個規格、 BS5155 ANSI B 16.34 、 ASME SEC VIII 等各大規格都能對應、這保證了 Tritec 在所有的工業領域都有用武之地。
2、雙重安全構造
Tritec 嚴格按照 API609 的規格要求、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、在蝶板上下側分別裝有兩個各自獨立的止推環、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、飛出而造成的突發事故、在 閥門下端內外兩處設計了各自獨立的閥桿飛出防止機構、這也從側面保證了 Tritec 的壓力等級可以做到高達 2500 磅級。
3、無死區設計
Tritec 在設計過程中、特別考慮了在調控領域中的應用問題、充分利用三偏心蝶閥的密封原理、做到了 閥門開關時蝶板不刮擦閥座、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象發生、從而杜絕了打開普通閥門是所常見的跳躍現象、*了閥門的低開度范圍內因磨擦等各種不安定因素所造成的調控不能現象、即*了死區（不感帶）、這意味著 Tritec 幾乎可以從 0 開度開始即進入可調控區域、直至 90 開度、其正常調控比是一般蝶閥的 2 倍以上、調控比zui高可高達 100:1 以上。這為 Tritec 作為調控閥使用創造了良好的條件、特別是在大口徑時、截止閥的成本*、另外、截止閥無法實現零泄漏、在需要緊急關斷的工況中、必須在截止閥的旁側加裝關斷閥、而 Tritec 集調控與關斷于一身、其經濟效益是極其可觀的。
4、本體閥座構造
三偏心蝶閥的閥座安裝構造有兩種、大多數是為圖方便而安裝在蝶板上、但 Tritec 則采用了本體閥座構造、將閥座安裝在本體上。其優點是與蝶板閥座相比、大大減少了閥座直接接觸介質的機會、從而降低了閥座受沖蝕的程度、延長了閥座的使用壽命。
5、薄層片閥座結構
Tritec 的閥座由不銹鋼薄片與石墨薄片層疊而成、這種結構可以有效地防止介質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、即使出現微小的損傷、也不會產生泄漏、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、也就是說當蝶板密封面受損時、不必再興師動眾地運回制造廠或大舉分解閥門、只需調換蝶板密封面即可、這不但大大降低了保養成本、還大大減少了維修工時和檢修強度與難度。
7、均衡固定結構
從三偏心 蝶閥的密封面形狀特點出發、 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、杜絕了因應力分布不均而產生的密封副松動、泄漏。

 1、前言 
  三偏心蝶閥是在雙偏心蝶閥的基礎上,使蝶板的中心偏置一定的角度,形成三偏心密封結構,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,這正是其設計和制造的難點及關鍵,也是目前不能準確計算摩擦力矩的原因所在[1]。

2、三偏心蝶閥結構分析 
  蝶閥的三偏心結構(圖1)是在雙偏心蝶閥的基礎上再增加一個傾角, 經過*化設計使密封副的摩擦力進一步下降, 由于采用面密封的結構使接觸應力分布均勻、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] 。  對于三偏心結構的蝶閥, 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半徑大于閥座密封面相應部位的半徑,從而在關閉時蝶板密封表面不能進入閥座,即產生“干涉”現象,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 
  當蝶板處于臨界狀態(即蝶板在關閉的瞬間)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)以及介質對蝶板的壓力p (方向取決與介質流向) 。而摩擦力fN 與摩擦系數f有關,摩擦系數f與密封副材料、加工方法、表面光潔度和硬度、潤滑狀態及溫度等因素有關,可以通過試驗測試來確定其準確數值[6] 。

  f———與密封副材料有關的摩擦系數

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,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    編輯:俞樹榮  
內容提示：通過對三偏心蝶閥蝶板的靜力分析,推導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φ = 0時,閥座的內表面由斜圓錐變為正圓錐,閥座和密封圈的正截面為圓。這就是蝶閥的雙偏心結構,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的關系。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[7] , 現給出以下參數: R0=42mm, c=5mm, e=3mm, φ =10°, E=8mm, p=1MPa, θ =10°, f=0.3。根據以上所給的參數, 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,相應的視為已知量,由公式( 9)可計算出對應的摩擦力矩,如圖5～7所示[10] 。 、結論 
  (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值都對應一個zui小的c值,否則將發生干涉。一般在設計時,由于結構和空間的問題, c的值不會很大; 
  
圖6 摩擦力矩與徑向偏心距e的關系曲線 

圖7 摩擦力矩與偏心角φ的關系曲線 
  (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,在設計時應盡量減小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,這是蝶閥三偏心結構設計的特點,一般取0≤φ≤θ。 參考文獻： 
[1] Singh Phull H. New developments in trip le - offsetbutterfly valves[ J ]. World Pumps,2004, (456) : 40244. 
[2] 李咸有. 三偏心蝶閥的蝶板偏心角及回轉中心位置的優化設計[J]. 流體機械, 2000, 28 (11) : 22225. 
[3] 張清明. 雙斜面三偏心蝶閥的設計[J]. 閥門,2005, (5) : 125.

[4] 梁瑞,姜峰,周新華,等. 三偏心蝶閥金屬密封副干涉三維分析[J]. 流體機械, 2003, 31 (8) : 18220. 
[5] 梁瑞,姜峰,俞樹榮,等. 三偏心結構蝶閥金屬密封副干涉幾何學分析[J]. 流體機械, 2003, 31 (5) :22224. 
[6] 郝承明. 三偏心蝶閥密封結構的分析與研究[J].閥門, 2001, (1) : 125.

[7] 吳健. 三偏心蝶閥的力學分析[J]. 煤礦機電,2006,(3) : 8210.與本文相關的論文有：礦山電動插板閥