严苛工况下的计算机辅助 三偏心蝶阀设计

严苛工况下的计算机辅助

三偏心蝶阀设计

 

肖亮1，刘鑫阳2

（1重庆川武仪表有限公司 璧山，402760）

（2吉林省石油化工设计研究院 长春，130000）

 

摘要：目前国 内严苛工况（大口径、高温、高压、高压差、严密切断）下的三偏心蝶阀产品主要依赖进口。怎么提升三偏心的密封性能，是国内自控阀生产厂家一致的目标。而三偏心蝶阀的性能高低，与设计的三个偏心值有着密切的联系，从设计上杜绝启闭干涉，降低阀门输出力矩，且达到最佳的密封性能，一直是阀门生产厂家致力的方向。国内虽然有许多关于三偏心蝶阀三个偏心值的理论计算论文，但是三偏心蝶阀作为一个空间三维运动结构，且密封面为角度连续变化的曲面。想要密封面上的每个点都能严密贴合，且不发生干涉，按照计算理论完成整个计算量是非常庞大的。以口径DN100的三偏心蝶阀为例，如果每个点的取值宽度为0.2mm，需要计算125000次。

有没有一种快速验证偏心值设计是否合理的方法，重庆川武仪表有限公司经过总结计算理论，利用计算机编程开发，最终研制出一款能够快速验证三偏心值设计是否合理的计算软件。通过此软件不仅能快速找到最佳的偏心值，还能查看密封面上每个点的密封性能（启闭角）。

关键字：三偏心蝶阀、启闭角、严苛工况、高参数三偏心蝶阀。

 

 

Design of triple Eccentric Butterfly Valve under severe 

working condition

 

ABSTRACT: At present, the Triple Eccentric Butterfly Valve products under severe operating conditions (large diameter, high temperature, high pressure, high pressure difference, tight shut-off) mainly rely on imports. How to improve the sealing performance of three eccentric is the consistent goal of the domestic automatic control valve manufacturers. The performance of the Triple Eccentric Butterfly Valve is closely related to the three eccentric values of the design. It is always the direction of the valve manufacturers to eliminate the interference of opening and closing, reduce the output Torque of the valve and achieve the best sealing performance. Although there are many theoretical papers on the three eccentric butterfly valve, but the three eccentric butterfly valve as a three-dimensional motion structure, and sealing surface for angle continuous changes of the surface. It is very huge to complete the whole calculation according to the theory of calculation if every point on the sealing surface can be fitted tightly without interference. For example, a triple eccentric butterfly valve of calibre DN100 with a value of 0.2 mm at each point would require 125000 calculations.

Is there a method to quickly verify whether the design of ECCENTRICITY is reasonable? Chongqing Chuanwu Instrument Co. , Ltd. . After summing up the calculation theory and using computer programming to develop, finally, a calculation software is developed which can quickly verify the rationality of the design of the three eccentric values. This software can not only quickly find the best eccentric value, but also see the sealing performance of each point on the sealing surface (open and close angle) .

Key words: Three Eccentric Butterfly Valve, open and close angle, harsh working conditions, high-parameter three Eccentric Butterfly Valve

 

引言

本文首先通过介绍三个偏心值来阐述三偏心蝶阀的基本原理。在阀体的水平剖面上建立笛卡尔坐标体系，利用三角函数关系获取个偏心值的几何方程式，建立起三偏心理论计算方程。最后利用计算机辅助计算编程，分析密封面上个点的运动轨迹、运动干涉情况，以及偏心值匹配关系对阀门密封性能（启闭角）的影响。

正文

一、 三偏心原理概述

 

图一 、三偏心原理示意图             

 

  图二

 

从原理图一可知，阀板密封面可以理解为在椎体上斜切角为α的一段不对称的椭圆板材[2]。密封面是倾斜角连续不断变化的一种立体结构。这种运动空间结构的设计，既能保证阀门在开启时，阀板运动空间能够完全脱离阀座密封面，无摩擦干涉；且又能保证阀门在关闭时阀板密封面完全与阀座严密贴合。（如图二所示）

 

二、 三偏心值理论计算方程

以管道（阀体）中心线为X轴，过阀杆中心作垂直于X轴的连线为Z轴来建立坐标体系[1]（如图一所示）。圆锥半角为β，圆锥中心与X轴的夹角为α，e为密封环中心距离回转中心的距离，a为回转中心距离X轴的距离，b为密封环厚度，D为密封环的剖切面中径，H为椎体高度。

通过三角关系可知，在每个垂直于Y轴的剖切面，D 值与H值的关系如下：

通过正圆锥方程经坐标变换可得偏心圆锥方程如下：

   （1）

在给定yo剖切面下，即是密封面的双曲线方程。剖切面如图三所示的ABCD平面。

 

图三、yo剖切面

弧线AB、CD分别为剖面与圆锥的交线，即为阀座在y_0剖面下的密封线。OM为密封线上M点旋转半径Rc。

（2）

过M点作OM的垂线与过M点作密封线的切线形成的夹角θ即为启闭角。由图三可知，θ>0时，说明点M在开启时不发生干涉，且值越大，阀板与阀座越容易接触，阀门关闭时密封越紧密。，θ<0 ,说明点M在开启时发生干涉。

过M点的切线夹角可以通过求解方程1和2的一阶偏导可得，然后将两个切角相减即可获得θ值，然后通过θ的大小来判断M点的干涉及密封性能。

 

三、 三偏心计算机辅助计算模型

利用计算机计算迅速的特点，我们将密封面沿Y轴剖切为n个平面[3]，将密封面厚度沿X轴剖切为m个平面，通过n*m次计算，再按设定的阀值输出，即可获取密封环每个点的密封性能，和是否发生干涉情况。m、n值越大计算精度越高。一般Δ值取0.2mm为宜，Δ值计越小计算负荷太大，Δ值越大精度不高。

以口径DN100、PN1.6MPa的三偏心蝶阀为例，结构设计上可以确定的有：D=100，α=8°（加工工装角度，一般不做变化），b=5mm（根据公称压力计算的厚度），然后只需调整e值、a值和β值，直至不发生干涉和全部启闭角大于设定值即可。  

              

图四、参数设定

 

图五、计算结果

 

影响e值、a值、和β值调整的因素：

    e值：考虑到阀杆直径，密封垫圈的厚度等。虽然e值过大或过小都对阀门密封干涉及启闭角造成影响，但是为了使结构紧凑，在调整上满足空间结构即可。

    a值：一般取值为3.5mm左右，过大增加成不平衡力矩。

    β值：小于机床可加工的最大角度。

    α值：工装角度，过大将增加加工难度和延长加工时间。一般取值<=8°

 

四、 三偏心值关系及对密封性能（启闭角）的影响

通过大量的数据分析不难发现各三偏心值的相互影响关系：

a值越大，阀门启闭角会随着a值增加而增加[5]。启闭角越大，阀门的密封性能越好。但是增加a值，介质不平衡力矩也会增加，所以a值选值，以满足不干涉和启闭角不低于设定值°即可。

β值对启闭角的影响

β值偏大，在Z轴正方向，密封面的启闭角沿X轴增大，在Z轴负方向，密封面的启闭角沿X轴减小（如图六所示）；

β值偏小，在Z轴正方向，密封面的启闭角沿X轴减小，在Z轴负方向，密封面的启闭角沿X轴增大（如图七所示）。

 

图六：（β值过大）

 

                               图七：（β值过大）

 

五、 结束语

1、 1、三偏心蝶阀的设计，首先要满足阀门在启闭时不发生干涉为先决条件。

2、 阀门启闭角越大，阀门密封越严密，通过大量的生产实际证明，在严密封、双向严密封场合启闭角应均满足大于设定值°。

3、 α 值（工装角）的选择，直接关系到密封面的加工精度和加工效率，应以越小为宜。

 

参考文献

1、梁瑞 姜峰 俞树荣 杜兆年. 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年 第5期 22-24页　共3页

2、梁瑞 姜峰 周新华 俞树荣 杜兆年. 三偏心蝶阀金属密封副干涉三维分析[J]. 《流体机械》2003年 第8期 18-20页　共3页

3、陈兵 李霄 樊玉光 杜兆年. 三偏心蝶阀三维建模与启闭运动仿真 [J].《机械设计与制造》2005年 第6期 126-127页　共2页

4、丁庆新 刘国伟. ZO系列三偏心蝶阀的研究及应用 [J]. 《城市管理与科技》2000年 第4期 33-36页　共4页

5、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年 第11期 22-25页　共4页

作者1：肖亮（1984-），男，汉族，武汉化工大学学士，初级工程师，在重庆川武仪表有限公司从事自控阀门结构设计工作。

作者2：刘鑫阳（1982-），吉林省石油化工设计研究院自控仪表设计高级工程师

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