上海申弘阀门有限公司
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三偏心蝶阀力矩计算
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内容提示：通过对三偏心蝶阀蝶板的静力分析,推导出三偏心蝶阀的摩擦力矩,并且分析了径向偏心距、轴向偏心距以及偏心角对摩擦力矩的影响。 上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀,气动截止阀,电动蝶阀,气动蝶阀,电动球阀,气动球阀,电动闸阀,气动闸阀,电动调节阀,气动调节阀，减压阀。水力控制阀、真空阀门、衬胶阀门、衬氟阀门。三偏心金属密封蝶阀因其温度压力适用范围广,可实现“零泄漏”密封,近年来得到迅猛发展。但是三偏心蝶阀的启闭运动是一个复杂的三维空间运动轨迹,要求蝶板与阀座在开启与关闭过程中无干涉,密封比压分布相对均匀。迄今为止国内尚未对其进行系统的研究及合理规范的设计计算,致使三偏心蝶阀的发展及应用受到一定程度的限制。本文阐述了三偏心蝶阀的结构,推导出沿蝶板厚度任意截面的几何方程并对其性质进行了分析。结果表明,沿蝶板厚度的平行截面轮廓线为标准的椭圆形,进而推导出了蝶板几个主要截面几何参数之间的关系。三偏心蝶阀，被广泛用于介质温度≤425℃的冶金 、电力、石油化工、以及给排水和市政建设等工业管道上，作调节流量和载断流体使用。*个偏心：轴偏离密封面中心线
第二个偏心：轴偏离管路及阀门中心线
第三个偏心：其*的偏心阀座斜锥角与管路中心的夹角，这样，使得阀座与密封圈在阀门整个开关过程中*脱离。这种结构既利用了凸轮效应，又*消除了摩擦，去除了磨损和泄漏的可能。
零泄漏：三偏心蝶阀依靠安装在蝶板上的复合不锈钢密封圈来实现真正的零泄漏。
零泄漏是通过蝶板上密封圈的弹性来实现的。该密封圈的总结性是通过其径向的压缩和柔动产生的。密封圈与阀座接触面为斜锥面。密封圈与阀座之间的接触角产生轻微的“楔式效应”，使密封圈发生柔动和径向压缩。正由于阀座与密封圈之间均匀接触以及密封圈的柔性，使得加载在阀座上的载荷均匀，从而用zui小的扭矩实现zui严密的切断。扭矩产生的弹性使得阀门严密关断，而与介质流向或介质压力无关。
其主要特点有：
1、API 规格
*、 API609 已事实上成为 工业重要管线上用阀门的规格。而 Tritec 则全面严格按照 API609 规格的 1997 年版设计、制造。更可贵的是、 Tritec 的基本设计不仅仅局限于 API 一个规格、 BS5155 ANSI B 16.34 、 ASME SEC VIII 等各大规格都能对应、这保证了 Tritec 在所有的工业领域都有用武之地。
2、双重安全构造
Tritec 严格按照 API609 的规格要求、为防止因受流体压力、温度的影响而引起的蝶板变形、阀杆错位、密封面咬合、在蝶板上下侧分别装有两个各自独立的止推环、从而保证了阀门在任何工况下的正常工作;
同时、为防止未知原因所引起的阀杆破损、飞出而造成的突发事故、在 阀门下端内外两处设计了各自独立的阀杆飞出防止机构、这也从侧面保证了 Tritec 的压力等级可以做到高达 2500 磅级。
3、无死区设计
Tritec 在设计过程中、特别考虑了在调控领域中的应用问题、充分利用三偏心蝶阀的密封原理、做到了 阀门开关时蝶板不刮擦阀座、阀杆的扭矩通过蝶板直接传递至密封面、也就是说蝶板与阀座间几乎无磨擦现象发生、从而杜绝了打开普通阀门是所常见的跳跃现象、*了阀门的低开度范围内因磨擦等各种不安定因素所造成的调控不能现象、即*了死区（不感带）、这意味着 Tritec 几乎可以从 0 开度开始即进入可调控区域、直至 90 开度、其正常调控比是一般蝶阀的 2 倍以上、调控比zui高可高达 100:1 以上。这为 Tritec 作为调控阀使用创造了良好的条件、特别是在大口径时、截止阀的成本*、另外、截止阀无法实现零泄漏、在需要紧急关断的工况中、必须在截止阀的旁侧加装关断阀、而 Tritec 集调控与关断于一身、其经济效益是极其可观的。
4、本体阀座构造
三偏心蝶阀的阀座安装构造有两种、大多数是为图方便而安装在蝶板上、但 Tritec 则采用了本体阀座构造、将阀座安装在本体上。其优点是与蝶板阀座相比、大大减少了阀座直接接触介质的机会、从而降低了阀座受冲蚀的程度、延长了阀座的使用寿命。
5、薄层片阀座结构
Tritec 的阀座由不锈钢薄片与石墨薄片层叠而成、这种结构可以有效地防止介质中的微小固形物的影响和热膨胀所可能引起的密封面咬合、即使出现微小的损伤、也不会产生泄漏、而这在对双偏心蝶阀或其它三偏心蝶阀来说是不可想像的。
6、可更换式密封副
Tritec 的密封副可谓独树一帜、不但本体阀座可以更换、而且由于蝶板密封面与蝶板是独立的、蝶板密封面可也可以更换、也就是说当蝶板密封面受损时、不必再兴师动众地运回制造厂或大举分解阀门、只需调换蝶板密封面即可、这不但大大降低了保养成本、还大大减少了维修工时和检修强度与难度。
7、均衡固定结构
从三偏心 蝶阀的密封面形状特点出发、 Tritec 的密封副固定方式采用了螺栓椭圆形分布固定、不但定位、而且还使每个螺栓都均衡受力、杜绝了因应力分布不均而产生的密封副松动、泄漏。
1、前言
三偏心蝶阀是在双偏心蝶阀的基础上,使蝶板的中心偏置一定的角度,形成三偏心密封结构,从而消除了蝶阀启闭时两密封面之间的机械磨损和擦伤,减小了驱动力矩。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,也是目前不能准确计算摩擦力矩的原因所在[1]。
2、三偏心蝶阀结构分析
蝶阀的三偏心结构(图1)是在双偏心蝶阀的基础上再增加一个倾角, 经过*化设计使密封副的摩擦力进一步下降, 由于采用面密封的结构使接触应力分布均匀、密封更加可靠。三偏心蝶阀的*个偏心是指蝶板的回转中心L 相对于蝶板中心在轴向存在偏心距c,第二个偏心是指蝶板的回转中心L 相对于蝶板中心在径向存在偏心距e,第三个偏心是指阀座所在圆锥形的高线与阀体通道轴线有一个夹角φ,即角偏心[2、3] 。 对于三偏心结构的蝶阀, 由于轴向偏心距c的存在,保证了蝶阀密封面是一个完整连续的锥面,并且该密封面的几何中心容易确定,降低了密封面加工制造的难度。若密封面为正圆锥面, 则由于蝶板密封面的回转半径大于阀座密封面相应部位的半径,从而在关闭时蝶板密封表面不能进入阀座,即产生“干涉”现象,而采用偏心角为φ的锥面即所谓圆锥斜切可以解决这个问题。其密封面为斜置锥形,蝶板与阀座的密封接触为面接触,依靠密封面与阀座的充分接触来达到密封效果[4、5] 。
从图1得蝶板中性面椭圆的长半轴A 和短半轴B 分别为:
式中A ———中性面椭圆长半轴, mm
B ———中性面椭圆短半轴, mm
R0 ———密封圆锥底半径, mm
E———蝶板厚度, mm
θ———密封圆锥半锥角, °
φ———角偏心, °
3、静力分析
当蝶板处于临界状态(即蝶板在关闭的瞬间)时,其上的作用力包括:密封面上的单位正压力N (方向垂直于密封面且为均布的空间力系)和摩擦力fN (方向沿密封表面并且阻止蝶板运动的空间力系)以及介质对蝶板的压力p (方向取决与介质流向) 。而摩擦力fN 与摩擦系数f有关,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,可以通过试验测试来确定其准确数值[6] 。
f———与密封副材料有关的摩擦系数
4、摩擦力矩计算
由于三偏心蝶阀密封面为圆锥的表面, 密封为面接触密封,求出蝶板密封表面上的摩擦力后,再求作用于蝶板上、下两部分的摩擦力矩。在求摩擦力矩的时候,为计算方便,取蝶板中性面椭圆代替蝶板进行分析。如图4所示, 首先将摩擦力进行分解,对于阀杆有力矩作用的分力,分别求出摩擦力矩,zui后将各分摩擦力矩合并为总的摩擦力矩。假定摩擦力矩逆时针为正,顺时针为负。
图4 摩擦力分解示意
(1)摩擦力分力fN cosα1 (图4)引起的蝶板上部分的摩擦力矩(逆时针方向) :
(2) 摩擦力分力fN cosα1引起的蝶板下部分的摩擦力矩(逆时针方向) :
( 3) 摩擦力分力fN sinα1 cosα(图4)引起的蝶板上部分的摩擦力矩(逆时针方向) :
(4) 摩擦力分力fN sinα1 cosα引起的蝶板下部分的摩擦力矩(顺时针方向) :
式中C———长轴上的焦点半径, mm
λ———焦点参数,λ =B2 /A
e′———椭圆离心率
三偏心蝶阀摩擦力矩分析
时间:2009-08-15 来源:兰州理工大学 编辑:俞树荣
内容提示：通过对三偏心蝶阀蝶板的静力分析,推导出三偏心蝶阀的摩擦力矩,并且分析了径向偏心距、轴向偏心距以及偏心角对摩擦力矩的影响。 5、特殊情况
当φ = 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。这就是蝶阀的双偏心结构,双偏心是三偏心的特殊情况,此时密封面上所受的压力N 为:
式中 R ———圆锥中性面圆半径, mm 6、实例分析
下面通过实例分别探讨摩擦力矩与三偏心蝶阀主要参数的关系。由于蝶板中性面椭圆的半长轴A 和半短轴B 均和蝶板密封面所在的圆锥半径R0有关[7] , 现给出以下参数: R0=42mm, c=5mm, e=3mm, φ =10°, E=8mm, p=1MPa, θ =10°, f=0.3。根据以上所给的参数, 可以计算出三偏心蝶阀的摩擦力矩M。 分别改变径向偏心距e,轴向偏心距c以及偏心角φ的值,相应的视为已知量,由公式( 9)可计算出对应的摩擦力矩,如图5～7所示[10] 。 、结论
(1)三偏心蝶阀的轴向偏心距c对蝶阀的摩擦力矩影响不大, 几乎成水平直线, 对于一定口径,不同θ值及e值都对应一个zui小的c值,否则将发生干涉。一般在设计时,由于结构和空间的问题, c的值不会很大;
图6 摩擦力矩与径向偏心距e的关系曲线
图7 摩擦力矩与偏心角φ的关系曲线
(2)对于同一口径的三偏心蝶阀, 其摩擦力矩与径向偏心距e近似成正比, 而其变化也很明显,在设计时应尽量减小e的值;
(3)同样对于同一口径的三偏心蝶阀, 其摩擦力矩与角偏心φ近似成反比, 增加偏心距有利于减小摩擦力矩,这是蝶阀三偏心结构设计的特点,一般取0≤φ≤θ。 参考文献：
[1] Singh Phull H. New developments in trip le - offsetbutterfly valves[ J ]. World Pumps,2004, (456) : 40244.
[2] 李咸有. 三偏心蝶阀的蝶板偏心角及回转中心位置的优化设计[J]. 流体机械, 2000, 28 (11) : 22225.
[3] 张清明. 双斜面三偏心蝶阀的设计[J]. 阀门,2005, (5) : 125.
[4] 梁瑞,姜峰,周新华,等. 三偏心蝶阀金属密封副干涉三维分析[J]. 流体机械, 2003, 31 (8) : 18220.
[5] 梁瑞,姜峰,俞树荣,等. 三偏心结构蝶阀金属密封副干涉几何学分析[J]. 流体机械, 2003, 31 (5) :22224.
[6] 郝承明. 三偏心蝶阀密封结构的分析与研究[J].阀门, 2001, (1) : 125.
[7] 吴健. 三偏心蝶阀的力学分析[J]. 煤矿机电,2006,(3) : 8210.与本文相关的论文有：矿山电动插板阀
