扬州贝尔阀门控制有限公司

三偏心蝶阀的蝶板偏心角及回转中心位置的
优化设计

开封空分集团有限公司 李咸有

摘要：介绍了三偏心的密封结构特点和工作原理；以减小密封宽度!" 为目的，分析了蝶板偏心角!的计算与选择方法；为了减小摩擦力矩并且使蝶板关闭时弹性变形均匀，介绍了蝶板回转中心*位置的设计计算方法，对确定其回转中心的相关条件和几何参数作了分析。

关键词：蝶阀 偏心角 密封 回转中心

• 引言

近几年来，现代化工业的快速发展，使蝶阀广 泛应用于先进的工艺过程。为此世界各国都在研 究新的蝶阀密封结构形式，使其能够满足新的工 艺要求。zui近，我们在双偏心的基础上使蝶板的 中心偏置一定的角度，形成三偏心密封结构，它保 留了双偏心蝶阀的优点，同时又减小了偏心驱动 力矩。但是，三偏心结构的设计相当复杂，合理选 择回转中心的位置显得十分重要，本文就*偏 心角和回转中心的优化设计进行探讨。

2三偏心结构的密封原理

当前三偏心结构的密封副形式多种多样，有 球形、抛物线形、锥面形等，由于锥面密封面的加 工性能好，按一般工艺就可以保证其设计精度，在 此，以锥面密封为例讨论其密封原理。

图1为三偏心蝶板的设计原理图。蝶板密封 面为锥面，若采用正圆锥体，由于其大端直径大于 阀座密封圈内径，启闭蝶板时容易与阀座发生干 涉，采用偏心角为!的偏心锥面解决了这个问 题。设回转中心为E点，密封*点为Pi、P2，则 EP1 % EP2，EP1 % 01 $，能够实现快速脱离密封 面，而且EPt > E&，因此'点也能顺利通过阀座， 并实现接触密封。当蝶板继续关闭时，由于EA, > EPi，故蝶板越关越紧，能实现阀门的自锁。

图1三偏心结构 3蝶板*偏心角的选择原则

3.1保证阀门的密封性 阀门的密封性是靠密封副间挤压变形后，阻 断介质的渗透力而切断介质的流动来实现的。为 了实现密封，在密封副间必须具备一定的密封力， 具体反映在密封面上即需要一定的密封比压。根 据密封原理可知，应满足密封条件：

% ' <['] ⑴ 式中 q——实际密封比压，MPa

[!]——密封材料的许用比压，MPa ——必需密封比压，MPa 必需密封比压值按下式计算：

C % KP 、、

$ vm ⑴

式中C——与密封面材料有关的系数

K——在给定密封材料情况下，考虑介质 压力对比压值的影响系数 P——介质工作压力，MPa bm——密封面接触宽度，_

由此可见，阀门密封必需密封比压qm与接 触密封宽度b"有关。

而启闭时的摩擦力矩：

M" $ nDqb"fm V*2 % (D/2、2 (N-mm、 (3、

式中 D 密封直径，mm

* 轴向偏心距，mm

fm——密封材料的摩擦系数 要减小启闭瞬间的摩擦力矩，需要尽可能地 减小实际密封比压q，通常取q = 1.4qm，代入式 (3)，同时也将式(2)代入式(3)整理后得：

Mm =3.48Dfm( C % KP、bm(4*2 % D2、(4、 从式(4)可知在其它条件不变的情况下，减小 密封宽度可以减小摩擦力矩。根据式（1)知q = 1.4qm < [ q]，代入式(2)整理后得：

, 19.6( C % KP、2

bm >  (5、

[q]

由此可以看出，接触密封宽度bm在满足式 (5)的条件下，可以根据实际情况适当取较小值。

3. 2蝶板的锥度2^的选择 蝶板的锥度大小与所选的密封材料的摩擦系 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：

柳"fm (6)

可以根据密封材料的摩擦系数fm计算出蝶 板的锥度2"然后结合实际情况选择合理的锥

度。

3.3蝶板的偏心角《的计算 由图1知，在坐标系+ - Y中，根据几何学原 理得：

$ 二 " - a

-二上

2cos"

那么各点的坐标为O1 ( — sin"，0)，A[ — sin"- —sin(" - a、，— cos( " - a )]，B[ — sin" - — sin( " % a、，- — cos(" + a)]，Po[- —( cos a - sin2")/sin"， —sina/sin"]。

设直线Po P1的斜率为$1，则：

tg$ = $1 = tg("一 a、 (7、

圆0么的方程：

(/ % rsin"、2 % [ 1 - ( — % r)cos"]2 = r2 (8、

式中r为密封圈密封半径，.1 O2 = — % r，圆心坐 标：：-rsin"，( r % —、os"]

设直线P0A的方程y = K1 / % b，将点A的坐 标代入方程得到方程的截距为：

b = —[ 1 - sin(" - a)sin"]/cos(" - a、

那么直线P0A的方程：

y = /tg( " - a、％ — cos(" - a、一 —[ sin"

-sin( " - a、]tg( " - a、 (9、

将式(9、代入式(8、求出其交点间距离即接触 密封宽度bm ：

(导、2 = r2sin2a - —(1 -cos a、2 % 2 r—

X(1 -cos a )[ cos" % sin a sin (" - a、]

B cos ( " - a、 ( 10、

而接触密封宽度bm在式(5、中已经确定，锥 度2"也已知，将它们代入式(10、就可计算出符合 要求的偏心角a。

4蝶板*回转中心选择原则及计算

4.1三偏心的位置分析

设图1E点为回转中心，则当蝶板顺时针或逆 时针转动时，点朽、P2运动方向分别为h和t2的 方向。

设 AE = rA，BE = rB，t1 和 分别与 rA、rB 垂 直，并且与P。A和P。B的夹角为&、(％，由于q " rB 并且取％ > %2 则有 rA < 01 P1 > rB < 01 P2，设密 封圈的zui小内径点为P1 〃和P{'，于是蝶板的上半 部分能够实现快速关闭或者快速脱离密封面。下 半部分，虽然rB > 01 P2，但是其密封点在P2〃的 右侧，对三偏心的锥面密封，蝶板上密封点左侧的 旋转半径均小于rB，因此启闭过程不受影响，且 具有快速脱离或密封的特性，减小了启闭过程中 的摩擦力矩。

4.2保证密封面的均匀变形

;2 + {" - R[ 1 - sin%sin ( % - a) )/cos (% - a ) }2 ;2 + 2

将式(12) ~ (14)代入式(11)整理后得:

中心E的位置，也是符合条件的*位置。

5讨论

上述计算回转中心公式都是从理论上推导出 来的，在实际应用中，还受到各零部件机械性能的 约束。因此在确定理想位置后，还应根据零部件 的结构进行优化设计。

5.1结构优化

理论上计算出来的E点坐标（*",+")，由于 *" > H，根据式(3)知这种情况下启闭瞬间摩擦力 矩增大。为了减小摩擦力矩，各个零部件的结构 应在满足机械强度设计的前提下，结合实际情况 合理选取*"的值，通常取回转中心的轴向偏心距 X" % H或略小于H。

5.2 $1和的确定

首先根据蝶阀的实际参数、零部件结构和式 (11)来确定，r$、rB 一般为n > 1 ~ 1.1。大口径阀 门取n接近1，小口径阀门取大一些，当比值n选

2cos%( tg2 - tg2 $2 )

2 n 1 - sin % sin ( % -

+ tg $!  %

cos ( % - a )

2 D1tg^1 tg$ cos a - sin2% tg2 $ i - tg2 $2 cos2a + cos2^

圆上都满足均匀变形的条件，该圆方程中夹角$1 和％的取值对E点的坐标影响很大。根据文献 [1]知，满足蝶板弹性变形的条件为$ % $，这与 式(15)矛盾，为了兼顾这两个条件，结合式（11)取 $1 和 $2 值接近，1< & <1.1，2°<$、$2 <1'。

4.3计算E点的坐标 直线 P0 P1 的方程为 y %tg (%-a)x + R[1- sin(% - a )sin]/cos( % - a )，过点 Pi 与直线 P。P1 垂直的直线P1"的方程为：

1 + Dj

tg(% - a + $1 )* 2cos%cos(% - a )

X [1 - sin( % - a )sin%] ( 16)

(15)求它们的交点即为回转