三偏心蝶阀回转中心的优化设计
- 发布时间：2015/3/5 14:31:56
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1前言
三偏心蝶阀以密封可靠，动作灵活，使用寿命长著称。它是结构的一种蝶阀，具有优异的密封性能，可用于高温、高压环境，满足了电站、石油、化工、冶金等行业对管件的苛刻要求，正得到越来越广泛的应用。本文介绍一种在简化三偏心蝶阀设计的同时，优化三偏心蝶阀的回转中心位置的快速优化设计方法。
2三偏心蝶阀结构
三偏心蝶阀的结构如图1所示，它的3个偏心量分别为a，b，β。其中a为轴向偏心，表示蝶板的旋转中心与蝶阀密封截面之间的轴向距离；b为径向偏心，表示蝶板的旋转中心与阀体中心线之间的径向距离；β为角偏心，表示阀座旋转中心线与阀体中心线之间的角度。由于存在角偏心，三偏心蝶阀的蝶板密封面形状为椭圆，不同于一般蝶阀的圆形密封面，它将蝶板和阀座之间的密封形式由线密封优化为面密封，使得蝶阀密封性能更优。另外，由于3个偏心的存在，三偏心蝶阀为偏置板式结构，蝶板形状不对称。
图1三偏心蝶阀结构示意
3优化设计
传统的三偏心蝶阀回转中心的设计，需要大量的公式计算来确定3个偏心量，设计完成还需要根据三维***建模的干涉分析进行修改，工程量大，耗时长，延长了设计周期和设计成本。现在通过Solidworks二维作图介绍一种全新的，简单易懂，方便操作，优化效果好具有实用性的设计方法。
3.1方法原理
如图2所示，B点和D点是蝶板关闭时蝶板密封表面上首*入阀体密封面的两点，只有使B点的运动轨迹在CB线以上，D点的运动轨迹在DA线以下，蝶板绕回转中心旋转时才不会发生干涉。过B点和D点分别作BE垂直于BC，DF垂直于AD，DF、BE相交于M点，为了使得蝶板两侧不发生干涉，回转中心就要在区域DME内。其中M点是是极限位置，在这个位置，只是两侧的两个极限点不干涉，而其他位置仍然会发生干涉的，要想*避免干涉，就要把旋转中心沿着刚才说的角平分线向上侧移动（由于无论偏向DF还是BE都会使得一侧的干涉危险加大，所以在角平分线上是*选择）。
图2蝶板示意
另外，除了避免蝶板两侧不干涉，还要避免轴头两端不干涉，所以回转中心必须在流道中心线和圆锥中心线的上方，流道中心线及圆锥中心线的交点N为极限位置，只有当密封圈的厚度接近于零时，交点位置才合适，但是，密封圈的厚度是不会为零的，那么根据密封圈的厚度不同，也需要将旋转中心的位置，沿着这个夹角的平分线向上移动。两个平分线的交点，就是理论上的旋转中心zui小径向偏心量位置，也是*位置。在三偏心蝶阀的设计中，其阀杆轴线偏离蝶板中心线的偏心值越大，偏心力矩越大，导致阀门的启闭力矩变大。即三偏心蝶阀的密封力矩和径向偏心距近似成正比关系。因此，在保证不干涉的情况下，尽量选择较小的径向偏心量。另外，当阀门反向承压时，会因蝶板径向偏心产生的杠杆效应，使蝶板一边压强大，一边压强小。介质推力使密封圈和阀座的密封比压减小，蝶板容易产生变形及位移，从而导致阀门密封失效。所以为了减小蝶板反向承压时杠杆效应的影响，应该将蝶板径向偏心量减至zui小，使蝶板受力趋于平衡。可见，通过这种方法不但在避免干涉的情况下快速的确定三偏心蝶阀的回转中心位置，还优化了启闭力矩及反向密封等性能。
3.2Solidworks设计方法
具体设计步骤：
（1）利用Solidworks二维作图***，先确定蝶板的阀座直径和轴向偏心。阀座直径一般会给出，轴向偏心根据轴径和阀座宽度可以确定。
（2）确定了阀座直径和轴向偏心就基本确定了圆锥角。做出上述的2条角平分线。
（3）根据实际设计经验调整偏心角，使得两条角平分线交点位置在流道中心线上侧，然后确定为回转中心。
（4）、量出偏心数据，根据实际加工和工装公差进行调整，zui后确定数据。
4实例分析
文中以设计一个阀座直径200mm、阀轴径为48mm、阀座宽为12mm的三偏心蝶阀为例详细介绍优化设计过程。
（1）根据阀轴直径和阀座宽度确定轴向偏心至少要30mm，但是实际上，都会根据口径大小，为了方便加工和装配，再加2～7mm，本文中取为2mm，则轴向偏心确定为32mm。
（2）利用Solidworks***，画出已知量的结构，如图3，连接O点和P点，并且约束为圆锥角的角平分线。此时圆锥角已经确定为35.49°。
图3
（3）根据前面讲述的原理做出角平分线l1和l2交于K点如图4所示。
图4
（4）根据设计经验调整偏心角为2°，如图5，此时角平分线的交点K点在不干涉区域以外，所以不符合要求，需要重新调整偏心角。
图5
（5）重新调整偏心角为3°，如图6所示。此时角平分线的交点K点在合适区域内，符合要求，即取K点为回转中心，量出此时的轴向偏心距为32.111mm，径向偏心距为4.243mm。
图6
（6）根据测量出的尺寸，确定设计数据。阀座直径200mm，阀轴径为48mm，阀座宽为12mm，圆锥角35°，偏心角3°，轴向偏心32.5mm，径向偏心4.5mm。
（7）根据得到的实例数据，利用creo2.0建模进行干涉分析。首先建立蝶板模型、阀轴模型以及阀座模型，并且装配好如图7所示。其中密封面的建模利用圆锥切割来实现。阀轴和蝶板为刚性连接，阀轴和阀座为销连接。
图7蝶阀模型
（8）利用creo2.0的全局干涉分析对装配模型蝶板不同角度下进行干涉分析，分析过程如图8所示。由creo2.0分析结果，可以得知，在蝶板转动过程中没有干涉零件即不会发生干涉。
图8干涉分析过程
5结语
根据上述的设计方法，结合实际经验，可以快速地设计出三偏心蝶阀的3个偏心量，避免了蝶板和密封面的干涉，并且设计出zui小径向偏心距，降低了阀门的启闭力矩，也提高了三偏心蝶阀的反向密封性能。通过实例的设计分析，能够迅速方便地给出三偏心蝶阀回转中心设计的优化方案，在实际生产中很大地提高了三偏心蝶阀设计的效率，缩短了设计周期，降低了设计成本，具有很好的借鉴价值。