双斜面三偏心蝶阀的结构与工装设计

    在三偏心蝶阀的设计和生产中，国内企业大都采用的第三角偏心β为单斜面角偏心和同向斜面角偏心，其主要缺点是密封面受力不均匀，反向密封性能低，加工困难，工件摆动范围大。而双斜面角偏心，其最大优点是蝶板在圆周方向可保证各点的密封正压力分布均匀，双向密封性能可靠，加工方便，工件加工摆动范围小及动水力矩很小，启闭速度快等特点。无论在低温和高温情况下，均具有优越的密封性能，该类间是目前唯一能实现无摩擦、零泄漏、低扭距、温度在-196~600℃、公称压力≤4.0MPa的高性能蝶阀。产品性能处于国内外领先水平。广泛应用于石油、化工、高温煤气、可燃性气体、冶金、电力、钢铁、城市供热。供水和污水处理等各种工业领域上作快速截断或调节介质流量的装置。

一、结构

    调节阀三偏心结构如图1所示。双斜面多层次金属三偏心蝶阀的结构如图2所示。

    W--阀门最小安装结构长度，mm
    d--销的直径，mm
    B_z--轴承宽度，m
    D_z--轴承孔径，m
    I--惯性矩，m⁴
    f_m--密封面间摩擦系数
    f_c--摩擦系数
    k--形状系数
    Z_j--键的个数
    Z--销的数量
    φ--摩擦系数

二、标准

    产品设计、制造及检验所用标准按表1。

表1 产品标准

三、设计

    1、密封圈位置的确定

    从图3密封圈位置中得出

    1）密封圆锥的底直径D_d（位于阀座的大端）为

    D_d=D_t+2H₁tg（β/2）

    2）密封圆锥的高度H 为

    H_k=D_dtg（β/2）/2

    3）从旋转中心到密封圆锥上下作两条垂线，其垂足距离为

    B₁=（Ao+e）sin2（θ+ψ）-H₂COS²（θ+ψ）
    B₂=（Ao-e）sin2（θ-ψ）-H₂COS²（θ-ψ）

    密封圈的位置应在B₁和B₂之间，否则将发生泄漏， 或出现蝶板旋转90°后继续转动。因此，两个垂足距离与阀座和密封圈宽度的关系应符合

    b≤B₁-B₂
    B≈B₁+B₂
    H₂≤（Ao-e）tg（θ-ψ）

    2、阀体壳体最小壁厚

    目前，通用阀门的GB/T 12238-1989标准中规定的壳体最小壁厚数值仅适用于灰铸铁HT200，而对碳钢尚无这方面的数据，只能通过公式计算，其计算式为

    t=（P_ND_N/2.3[σ_L]-P_N）+C

    经多年的蝶阀产品设计，结合理论计算和实际工作经验，考虑到铸造工艺的偏差。总结出了碳钢（WCB）的经验数值（表2），不作为设计标准，可以参考使用。

表2 法兰和对夹连接蝶阀的壳体最小壁厚（WCB）

    3、阀杆强度验算

    1）阀杆力矩计算

    由于该阀制造装配时，蝶板密封圈需产生一定的密封比压， 因此具有预紧力，所以关闭最终及开启时力矩最大。对于偏心蝶阀，力矩T为

    T=M_m+M_C+M_T+M_f+M_j

    式中M_m为阀板与阀座间摩擦力矩，M_C为阀杆与轴承间的摩擦力矩，M_T为密封填料引起的摩擦力矩，M_f为由于蝶板有径向偏心引起不平衡力矩，M_j为静水力矩（当阀杆垂直安装时，静水力矩为零）。

    2）阀杆直径的验算

    3）阀杆的挠度和转角的计算

    阀杆挠度为

    w_c=5ql⁴/384EI

    阀杆转角为

    θ_c=ql³/24EI

    4）阀杆的扭转变形计算

    阀杆的扭转变形为

    ω=584Tl/Gd_F⁴≤[ω]

    4、键的连接强度验算

    1）计算键连接工作面挤压强度

    2）键受剪力计算

    5、蝶板壁厚计算

    1）平形蝶板

    S_B=D_N（0.25P_N/[σ_L]）^1/2

    2）蝶形蝶板

    S_B={P_NR_k/2 [σ_w]}+C

    6、蝶板与接管内壁间的最小间隙计算

    蝶板转动时，蝶板会伸出阀体法兰垫圈表面，为防止蝶板与其他部件发生干涉，应计算其弦长和最大直径。

    1）计算蝶板的弦长

    a=d-2c

    2）确定蝶板最大直径

    D_p=（W²+a²）^1/2

    7、滑动轴承的计算

    1）轴承单位面积上的平均载荷F为

    F=q/B_zD_z

    2）轴承宽径比V

    V=B_z/D_z

    通常V在0.3~1.5范围内。

    8、圆柱销抗剪强度验算

    τ=4T/zπd²d_F≤[τ]

    9、阀座密封面上的计算比压

    q′=Q_mz/Q_mf≤[q]

    * 计算用符号及单位

    D_t-- 蝶阀阀座最小流道直径，mm
    H₁-- 阀杆中心到阀座外侧距离，mm
    H₂-- 轴向偏心距，mm
    A_o-- 椭圆的长半轴，mm
    θ-- 圆锥楔角，（°）
    ψ-- 圆锥轴线倾角，（°）
    β-- 圆锥顶角（°）
    B₁-- 密封圆锥的上垂足，mm
    B₂-- 密封圆锥的下垂足，mm
    b--密封圈宽度，mm
    B-- 阀座宽度，mm
    P_N-- 最高使用压力，MPa
    D_N-- 蝶阀通道直径，mm
    [σ_L]--材料的许用应力，MPa
    C-- 腐蚀的附加裕量，mm
    T-- 阀杆总力矩，N·mm
    M_m--蝶板与阀座间摩擦力矩，N·mm
    M_C-- 阀杆与轴承间的摩擦力矩，N·mm
    M_T-- 密封填料引起的摩擦力矩，N·mm
    M_j-- 静水力矩，N·mm
    q_MF-- 密封面必须比压，MPa
    [τ]-- 许用剪应力，MPa
    [σ_L]-- 许用拉应力，MPa
    [σ_w]-- 许用弯曲应力，MPa
    [σ]_jy-- 许用挤压应力，MPa
    [q]-- 密封面许用比压，MPa
    G--材料的切变模量，MPa
    E-- 弹性模量，MPa
    Q_c-- 作用在阀杆轴承上的载荷，N
    G-- 偏心部分的质量，N
    Q_mz-- 密封面上的总作用力，N
    Q_mf-- 密封面上密封力，N
    q--均布载荷，N
    D_m-- 蝶板平均直径，mm
    R-- 蝶板平均半径，mm
    d_F-- 阀杆直径，mm
    l--两支点之间的距离，mm
    b_m--密封面的接触宽度，mm
    b_T--填料密封宽度，mm
    h_T--填料深度，mm
    ΔF_p--偏心面积，mm²
    b_j--键的宽度，mm
    K--键与轮毂的接触高度，mm
    L--键的工作长度，mm
    a--蝶板弦长，mm
    d--连接管道内径，mm
    c--蝶板和管道内径之间的公称间隙，mm
    D_p--蝶板最大直径，mm

四、密封副的加工

    1、工装设计

    工装夹具的合理设计将直接影响到产品的质量和使用性能（图4）。

    从图4得知，将工件倾斜一个φ角度，车刀旋转ψ角度。车刀旋转β/2角度。工装中机床工作面至夹具中心高H_g和机床回转中心线至阀体通道中心线的距离e_g是两个非常关键的参数，计算如下

    H_g=（L_g-L_1g）cosψ+h_g
    e_g=H_gtgψ

    式中L_g、L_1g、h_g和ψ都是已知数。

    2、阀体密封面加工

    将阀体密封面内径粗车留加工余量，放在定位夹具上。加工密封面即圆锥面，将刀具旋转适宜角度，沿圆锥母线方向走刀，完成圆锥面的加工。

    3、蝶板密封圈加工

    将蝶板与压板粗加工完成后，与蝶板密封圈组装在一起，加工蝶板组合件的圆锥面至蝶板密封圈外圆锥至终端尺寸。然后将蝶板密封圈卸下，取一与其厚度相同的替代板装入蝶板密封圈位置，组合后继续加工，直至蝶板加工到尺寸。卸下替代板，重新组装蝶板密封圈，进行精磨加工，此时蝶板加工完成。

    4、密封副的配合加工

    将组装的蝶板放入阀体内，调整蝶板与阀体的相互位置，倒入煤油，5~10min之内无渗漏，将蝶板压紧，合镗阀体与蝶板的阀杆轴孔。

五、其他

    1）轴在阀内部分和轴与蝶板连接处的抗扭强度至少应比在驱动装置连接处抗扭强度大20%。
    2）当轴同蝶板连接出现损坏或轴内部出现损坏时， 由于内压作用，轴的任何部分不致从阀门射出。
    3）带螺纹的螺栓孔应提供全螺纹旋合深度至少等于螺栓公称直径， 然而，当螺栓孔靠近轴时，旋合深度允许为螺栓公称直径的67%。
    4）轴与蝶板的连接应设计成能防止由振动引起的松动， 阀杆、滑动轴承和蝶板之间的间隙应适宜。
    5）多层次密封圈采用不锈钢片夹高强度耐磨氟橡胶板经特殊工艺处理压制而成，具有双重密封性。
    6）阀体内和蝶板上的阀座可为分开的或整体的，阀座密封可由阀体和蝶板本身提供或者堆焊金属。

六、结语

    多层次金属双斜面三偏心蝶阀采用了双斜面，径向偏心小的动平衡设计原理。消除了动力水锤，具有密封面无摩擦，双向密封性能可靠，使用寿命长，启闭操作扭矩低等优点。阀体密封面与蝶板密封圈组装后，其强度及密封试验均达到设计要求，特别是在大口径三偏心蝶阀中更为适用。

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