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：介绍了三偏心蝶阀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 、、
$vm ⑴
式中c——与密封面材料有关的系数
k——在给定密封材料情况下，考虑介质压力对比压值的影响系数p——介质工作压力，mpabm——密封面接触宽度，_
由此可见，阀门密封必需密封比压qm与接触密封宽度b有关。
而启闭时的摩擦力矩：
m$ndqbfmv*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[-—(cosa-sin2)/sin，—sina/sin]。
设直线pop1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，.1o2=—%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-cosa、2%2r—
x(1-cosa)[cos%sinasin(-a、]
bcos(-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qrb并且取％>%2则有ra<01p1>rb<01p2，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>01p2，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+{+-r[1-sin%sin(%+a)]/cos(%+a)}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$2)
2n1-sin%sin(%-
+tg$! %
cos(%-a)
2d1tg^1tg$cosa-sin2%tg2$i-tg2$2cos2a+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p0p1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