一种高参数三偏心蝶阀结构的设计与研究

一种高参数三偏心蝶阀结构的设计与研究

在工业管道铺设当中，常常启闭的关键性位置一般选用三偏心硬密封蝶阀（或称为三偏心蝶阀）。

三偏心硬密封蝶阀有以下优点：

①密封性能好，提高了系统的可靠性；

②摩擦阻力小，开闭省力、灵活；

③三偏心硬密封蝶阀常用的有两种，一种是金属硬密封还有一种是金属多层次，后者比前者密封效果更好一些，同时技术难度也要更大一些，普通厂家生产的容易出现泄露，金属多层次是指由不锈钢薄板与石墨薄板相互交错层叠而成的多层密封圈，这种密封具有金属硬密封和弹性软密封的双重优点，解决了泄漏问题。

但目前高参数蝶阀还要从国外购买。为改变这一现状，应该分析和研究产品的设计方法，进而结合实际走技术创新道路，提高供货效益。

一、结构分析

蝶阀的三偏心结构指的是蝶板的旋转轴心相对于调节阀通道的轴向和径向偏心，而圆锥形阀座的中心线与阀门的轴线成一定夹角为第3个偏心。这种阀门的密封接触圆锥面，一般使用弹性密封圈。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。

蝶板从全开位置旋转90°时达到全关位置。蝶板转动到位后应在密封在保持一定压力，否则发生泄漏，为此要选取合适的几何尺寸。

密封圈的位置应在a1与a b之间，否则将发生泄漏，或出现蝶板旋转90o后继续转动，使蝶阀打开。因此，两个垂足距离与阀座和密封圈宽度的关系应符合E≤a1-a b式中E%密封圈宽，mm

二、静力计算

蝶板处于即将打开的临界状态时，其上的作用力有密封面圆周单位正压力N（方向垂直于表面）和摩擦力f n（方向表面并阻止蝶板转动）及介质对蝶板的压力f p（方向取决于介质流向）。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，应通过实验和测试来确定其准确数值。

正流状态（介质流动方向与转动方向相同）时，沿阀门通道轴向的密封面压力平衡式为：

为计算方便，取蝶板半径R d代替椭圆的长短半轴A、B，其误差很小。

正流状态时，密封面的压力是介质压力对蝶板的作用产生的、其中下部压力最大。

逆流状时，需要外加力矩使蝶板压向阀座，密封圈与阀座之间的单位正压力N+应大，也证明，最先发生泄漏的部位是密封圈的下部。正流状态下密封圆锥轴线倾角为（图2）、密封中心椭圆上一点对其坐标轴X、Y绕蝶板旋转轴心（阀杆中心）的力臂为

由密封中心椭圆上各力对轴心的力矩平衡得到当M d>M−时，如果没有附加力矩，蝶板将会在介质压力下自行打开。即没有附加力矩阀门将关闭不严，出现泄漏。

三、j=0

当j=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。为就是二维偏心，二维偏心是三偏心的特殊情况，这个力矩数值是阀门开启临界状态的脉冲值。蝶板开启后，两侧压减小，力矩值将下降。

正流状态下关闭阀门，理论上不需要外部施力，介质压力会使蝶板自动关闭。但是需要有启动力矩，以克服惯性和摩擦。转动过程还要施加适当的阻尼力矩，防止蝶板转动速度过快发生水击。

一般情况Mdz大于MZ−，开阀力矩为负值，为保证密封可靠，可采取重锤、气压和液压等办法获得附加力矩，但阀门结构较复杂。

四、设计实例

三偏心硬密封蝶阀的主要设计参数是密封圆锥锥角Q、圆锥轴线倾角j、径向编心距e、轴向偏心距c 和阀座宽度b。以A0=100mm，e=2.5~7.5mm，c=30~40mm为例，说明这些参数的作用。

角度Q和j对正流状态的开阀力矩影响很大，而正圆锥（j=0）时力矩为最大。j角越大，力矩越小。图5是径向偏心对开阀力矩的影响，同样也是在正圆锥时力矩最大。而增加偏心距有利于减小开阀力矩。至于轴向偏心距的影响则要复杂些，按照几何关系，相对于不同的j和j角，有一个最小值。从图6可以看出，这个参数可变动的范围很小。

五、结论

从几个主要参数的分析可看出，圆锥角Q与摩擦系数f密切相关。圆锥轴线倾角j=0时开阀力矩比较大。j角越大，开阀力矩越小，是蝶阀密封副三偏心设计的特点，一般取0&≤j≤Q，径向偏心距e过小对密封不利，过大又可能使蝶板与阀体发生干涉。轴向偏心距c可调节量较小，这个参数还和结构有关，至少要考虑阀杆的开孔位置，同样也要考虑干涉问题。阀座宽度b选择的合适，可以保证密封区位于阀座的中心。e、c和b统筹考虑才能得到最佳值。

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