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

论文作者：刘腾飞

指导教师：刘波

专业：机械制造及自动

化

系（院）：机电系工程

答辩日期：2014年5 月日

目录

1、三偏心碟阀的发展 (4)

1.1、同心蝶阀 (4)

1.2、单偏心蝶阀 (4)

1.3、双偏心蝶阀 (4)

1.4、三偏心蝶阀 (4)

2、三偏心蝶阀结构概述 (5)

3、三偏心各个参数的分析 (6)

3.1、结构分析 (6)

3.2 、三偏心蝶阀的干涉分析 (7)

3.2.1、三偏心蝶阀的运动干涉条件 (7)

3.2.2、运动干涉分析 (8)

3.2.3、蝶板的最佳偏心计算 (11)

3.3 、数据分析 (12)

4、不同偏心结构蝶阀的性能变化 (14)

5、三偏心蝶阀偏心的改进 (14)

5.1目前三偏心蝶阀的偏心缺陷 (14)

5.2改进三偏心蝶阀缺陷的方法 (15)

6、参考文献 (16)

7、致谢 (17)

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摘要蝶阀是近十几年来发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、发展密切相关，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 -196 ℃、高达700 ℃、密封达到 0 泄漏。其中具有代表性的三偏心硬密封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。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发展。

关键词：三偏心干涉分体式的阀座曲轴

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，在各种严酷关键的过程控制管线上、不论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。

在三偏心的基础上设计一曲轴结构，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，且密封性得到加强，三偏心的作用进也得到了加强。这样的结构对现有的三偏心蝶阀进行了卓有成效的改进。

1、三偏心碟阀的发展

1.1、同心蝶阀该种蝶阀的结构特征为阀杆轴心，蝶板中心，本体中心在同

一位置上。结构简单，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，基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，其结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板中心，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基础上进一步改良成型的就是目前应用最

广泛的双偏心蝶阀。其结构特征为在阀杆轴心既偏离蝶板中心，也偏离本体中心。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，提高了阀座寿命。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、提高了蝶阀在高温领域的应用。但因为其密封原理属位置密封构造，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），承压能力低，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。

1.4、三偏心蝶阀要耐高温，必须使用硬密封，但泄漏量大；要零泄漏，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。其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，一边倾斜于本体中心线，另一边则平行于本体中心线。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达到密封效果，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。

三偏心蝶阀结构概述

2、三偏心蝶阀结构概述

由于在双偏心的基础上，将阀座中心线与蝶板密封面中心线形成一个角度为α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α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。因为这两个夹角的存在，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密封副两密封面之间的密封比降低和消失，而且可以

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高。

3、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α和锥顶角β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、α和β的选择则决定了三偏心蝶阀关闭时是否干涉及关闭后密封面密封比压是否均匀，密封是否可靠。

图1 三偏心蝶阀

3.2 、三偏心蝶阀的干涉分析

3.2.1、三偏心蝶阀的运动干涉条件

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心相对偏心(长度H);第二偏心是指阀杆中心与阀门通道中心的相对偏心(长度E);第三偏心是指圆锥形密封面的中心线与阀门通道中心线的相对偏心(角度γ)。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;υ代表蝶板在该点的速度方向;速度方向和切线AB的夹角为θ，θ逆时针方向为正，顺时方向针为负。文中称θ为启闭性能指示角。

图2 三偏心蝶阀密封结构

蝶板逆时针方向转动，蝶板开启。当速度方向υ位于切线AB方向的下方时，密封副不发生干涉，θ≥0；当速度方向位于切线AB方向的上方时，密封副发生干涉，θ<0。由此可知，当θ<0时，密封副运动存在干涉。因此，在设计过程中，确定合理的三个偏心量，保证θ≥0，从而解决干涉问题。

3.2.2、运动干涉分析

为了计算启闭性能指示角并判断三偏心蝶阀的干涉情况，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心线的垂直方向等分为n份，得到n+1个相互平行的椭圆形平面(S平面)，如图3所示。

图3 密封面的角度刨切

建立椭圆方程：

式中 H0———圆锥顶点到蝶板密封面的中性面之间的距离，mm；α———圆锥半角，°；γ———偏心角，°

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：

联立式(1)、(2)，解得x、y：

当φ=90°，x=0时：

输入已知设计参数D1、T、E、H、α、γ，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。

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为阀杆旋转中心，v为m点绕O1旋转运动时的速度方向，θ是运动方向与m点切线的夹角，即该点的启闭性能指示角。

图4 运动关系

由图4中的几何关系可得：

式中 y01，z01———阀杆中心的坐标

根据式(7)～(9)可求出m点的启闭性能指示角，并判断其干涉情况。即θ≥0当时，密封副不发生干涉;θ<0时，密封副发生干涉。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、蝶板的最佳偏心计算

(1)蝶板的锥顶角2α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：

tg2α≤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2α，然后结合实际情况选择合理的角度。

(2)蝶板偏心角的计算

由图2的几何关系得：γ=α-η (11)

式中α———摩擦角，°，tgα=fm；η———圆锥母线与阀门流道中心线的夹角，°

结合式(10)、(11)可得： 0<γ≤α/2 (12)

(3)轴向偏心H的范围：

式中d———阀杆的直径，mm；t———阀座密封面的厚度，mm

(4)径向偏心的计算

当θ≥0时，密封副不发生干涉，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α、γ、H，按照式(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涉的最小径向偏心值。

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。开启阀门如果不发生干涉，则过关阀门密封副必将全面干涉。开启阀门如果有干涉产生，则过关阀门密封副将部分干涉、部分脱离。此时的参数选择不可用。

3.3 、数据分析

以DN300超低温蝶阀为例，分析各个参数选择的方法。DN300超低温蝶阀是设计应用于空分行业，需在-196℃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、α和β的取值范围(表1)。

表1 参数a、α、β取值范围

在参数a、α、β的取值范围内，单一变换某一参数过关阀门0.3°，计算密封副的干涉量。以变换参数为横坐标，干涉量为纵坐标绘制出参数与干涉量变化趋势图(图5)。

(a)径向偏心 (b)偏心角 (c)锥顶角

图5 参数与干涉量关系

从径向偏心、偏心角、锥顶角与干涉量的关系可以看出，在不干涉的参数取值范围内，径向偏心、偏心角和锥顶角与干涉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涉，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，则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较小的。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，维修成本极为高昂。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。

三偏心蝶阀偏心的改进

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。

5.2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，通过压盖压紧，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，因为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，表面粗糙度差，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。

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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，最后再镗阀体和阀板的中心孔。这样的设计和工艺虽然也能保证密封，但由于是单件配做，所以无法更换和维修，而且在打销的过程中很容易损坏密封面，造成泄漏，而且无法达到双向密封。我们的方案是在阀杆上设计了一曲轴结构，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。这样的结构对现有的三偏心蝶阀进行了卓有成效的改进，它具有密封自由调整、双向零泄漏、装配方便、维修简单且寿命长等特点。

6、参考文献

李小明.《三偏心金属密封蝶阀的原理及特性》.2005

丁庆新.刘国伟.ZO系列《三偏心蝶阀研究及应用》.2005

郝成明.《阀门技术的新进展》.2011

丁庆鑫.刘国伟.ZO系列《三偏心蝶阀研究及应用》2011

7、致谢

经过几个月的努力，完成了毕业论文，在这个过程中我学到了很多的东西。不仅学到更多的理论知识，扩展了知识面，提高了自己的实际操作能力；而且学会了如何去学习新的知识，学会了面对困难和挑战，在这里我要感谢大学里教过我的所有老师，没有他们谆谆教诲，我也不会成长的这么快。

在学校有很多很好的老师，细心，认真，我在这里真的很感谢，同时，在大学中，认识了很多新的朋友，让我能更好的体会大学生活。谢谢给予我快乐的各位同学们，认识大家我真的很开心。

在大学里的时光很充实，很值得回味，也过的很快，转眼我们就要毕业了，马上要走入社会了，相信我能适应社会，适应新的生活。