嚴(yán)苛工況下的計算機(jī)輔助

三偏心蝶閥設(shè)計

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肖亮1，劉鑫陽2

（1重慶川武儀表有限公司 璧山，402760）

（2吉林省石油化工設(shè)計研究院?長春，130000）

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摘要：目前國 內(nèi)嚴(yán)苛工況（大口徑、高溫、高壓、高壓差、嚴(yán)密切斷）下的三偏心蝶閥產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。怎么提升三偏心的密封性能，是國內(nèi)自控閥生產(chǎn)廠家一致的目標(biāo)。而三偏心蝶閥的性能高低，與設(shè)計的三個偏心值有著密切的聯(lián)系，從設(shè)計上杜絕啟閉干涉，降低閥門輸出力矩，且達(dá)到最佳的密封性能，一直是閥門生產(chǎn)廠家致力的方向。國內(nèi)雖然有許多關(guān)于三偏心蝶閥三個偏心值的理論計算論文，但是三偏心蝶閥作為一個空間三維運(yùn)動結(jié)構(gòu)，且密封面為角度連續(xù)變化的曲面。想要密封面上的每個點(diǎn)都能嚴(yán)密貼合，且不發(fā)生干涉，按照計算理論完成整個計算量是非常龐大的。以口徑DN100的三偏心蝶閥為例，如果每個點(diǎn)的取值寬度為0.2mm，需要計算125000次。

有沒有一種快速驗證偏心值設(shè)計是否合理的方法，重慶川武儀表有限公司經(jīng)過總結(jié)計算理論，利用計算機(jī)編程開發(fā)，最終研制出一款能夠快速驗證三偏心值設(shè)計是否合理的計算軟件。通過此軟件不僅能快速找到最佳的偏心值，還能查看密封面上每個點(diǎn)的密封性能（啟閉角）。

關(guān)鍵字：三偏心蝶閥、啟閉角、嚴(yán)苛工況、高參數(shù)三偏心蝶閥。

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Design of triple Eccentric Butterfly Valve under severe?

working condition

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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

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引言

本文首先通過介紹三個偏心值來闡述三偏心蝶閥的基本原理。在閥體的水平剖面上建立笛卡爾坐標(biāo)體系，利用三角函數(shù)關(guān)系獲取個偏心值的幾何方程式，建立起三偏心理論計算方程。最后利用計算機(jī)輔助計算編程，分析密封面上個點(diǎn)的運(yùn)動軌跡、運(yùn)動干涉情況，以及偏心值匹配關(guān)系對閥門密封性能（啟閉角）的影響。

正文

一、?三偏心原理概述

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圖一 、三偏心原理示意圖? ? ? ? ? ? ?

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??圖二

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從原理圖一可知，閥板密封面可以理解為在椎體上斜切角為α的一段不對稱的橢圓板材[2]。密封面是傾斜角連續(xù)不斷變化的一種立體結(jié)構(gòu)。這種運(yùn)動空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計，既能保證閥門在開啟時，閥板運(yùn)動空間能夠完全脫離閥座密封面，無摩擦干涉；且又能保證閥門在關(guān)閉時閥板密封面完全與閥座嚴(yán)密貼合。（如圖二所示）

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二、?三偏心值理論計算方程

以管道（閥體）中心線為X軸，過閥桿中心作垂直于X軸的連線為Z軸來建立坐標(biāo)體系[1]（如圖一所示）。圓錐半角為β，圓錐中心與X軸的夾角為α，e為密封環(huán)中心距離回轉(zhuǎn)中心的距離，a為回轉(zhuǎn)中心距離X軸的距離，b為密封環(huán)厚度，D為密封環(huán)的剖切面中徑，H為椎體高度。

通過三角關(guān)系可知，在每個垂直于Y軸的剖切面，D 值與H值的關(guān)系如下：

通過正圓錐方程經(jīng)坐標(biāo)變換可得偏心圓錐方程如下：

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在給定yo剖切面下，即是密封面的雙曲線方程。剖切面如圖三所示的ABCD平面。

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圖三、yo剖切面

弧線AB、CD分別為剖面與圓錐的交線，即為閥座在y_0剖面下的密封線。OM為密封線上M點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑Rc。

（2）

過M點(diǎn)作OM的垂線與過M點(diǎn)作密封線的切線形成的夾角θ即為啟閉角。由圖三可知，θ>0時，說明點(diǎn)M在開啟時不發(fā)生干涉，且值越大，閥板與閥座越容易接觸，閥門關(guān)閉時密封越緊密。，θ<0 ,說明點(diǎn)M在開啟時發(fā)生干涉。

過M點(diǎn)的切線夾角可以通過求解方程1和2的一階偏導(dǎo)可得，然后將兩個切角相減即可獲得θ值，然后通過θ的大小來判斷M點(diǎn)的干涉及密封性能。

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三、?三偏心計算機(jī)輔助計算模型

利用計算機(jī)計算迅速的特點(diǎn)，我們將密封面沿Y軸剖切為n個平面[3]，將密封面厚度沿X軸剖切為m個平面，通過n*m次計算，再按設(shè)定的閥值輸出，即可獲取密封環(huán)每個點(diǎn)的密封性能，和是否發(fā)生干涉情況。m、n值越大計算精度越高。一般Δ值取0.2mm為宜，Δ值計越小計算負(fù)荷太大，Δ值越大精度不高。

以口徑DN100、PN1.6MPa的三偏心蝶閥為例，結(jié)構(gòu)設(shè)計上可以確定的有：D=100，α=8°（加工工裝角度，一般不做變化），b=5mm（根據(jù)公稱壓力計算的厚度），然后只需調(diào)整e值、a值和β值，直至不發(fā)生干涉和全部啟閉角大于設(shè)定值即可。 ?

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圖四、參數(shù)設(shè)定

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圖五、計算結(jié)果

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影響e值、a值、和β值調(diào)整的因素：

????e值：考慮到閥桿直徑，密封墊圈的厚度等。雖然e值過大或過小都對閥門密封干涉及啟閉角造成影響，但是為了使結(jié)構(gòu)緊湊，在調(diào)整上滿足空間結(jié)構(gòu)即可。

????a值：一般取值為3.5mm左右，過大增加成不平衡力矩。

? ? β值：小于機(jī)床可加工的最大角度。

????α值：工裝角度，過大將增加加工難度和延長加工時間。一般取值<=8°

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四、?三偏心值關(guān)系及對密封性能（啟閉角）的影響

通過大量的數(shù)據(jù)分析不難發(fā)現(xiàn)各三偏心值的相互影響關(guān)系：

a值越大，閥門啟閉角會隨著a值增加而增加[5]。啟閉角越大，閥門的密封性能越好。但是增加a值，介質(zhì)不平衡力矩也會增加，所以a值選值，以滿足不干涉和啟閉角不低于設(shè)定值°即可。

β值對啟閉角的影響

β值偏大，在Z軸正方向，密封面的啟閉角沿X軸增大，在Z軸負(fù)方向，密封面的啟閉角沿X軸減小（如圖六所示）；

β值偏小，在Z軸正方向，密封面的啟閉角沿X軸減小，在Z軸負(fù)方向，密封面的啟閉角沿X軸增大（如圖七所示）。

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圖六：（β值過大）

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???????????????????????????????圖七：（β值過大）

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五、?結(jié)束語

1、?1、三偏心蝶閥的設(shè)計，首先要滿足閥門在啟閉時不發(fā)生干涉為先決條件。

2、?閥門啟閉角越大，閥門密封越嚴(yán)密，通過大量的生產(chǎn)實際證明，在嚴(yán)密封、雙向嚴(yán)密封場合啟閉角應(yīng)均滿足大于設(shè)定值°。

3、 α?值（工裝角）的選擇，直接關(guān)系到密封面的加工精度和加工效率，應(yīng)以越小為宜。

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參考文獻(xiàn)

1、梁瑞 姜峰 俞樹榮 杜兆年.?三偏心結(jié)構(gòu)蝶閥金屬密封副干涉幾何學(xué)分析[J] .?《流體機(jī)械》2003年 第5期 22-24頁　共3頁

2、梁瑞 姜峰 周新華 俞樹榮 杜兆年.?三偏心蝶閥金屬密封副干涉三維分析[J].?《流體機(jī)械》2003年 第8期 18-20頁　共3頁

3、陳兵 李霄 樊玉光 杜兆年.?三偏心蝶閥三維建模與啟閉運(yùn)動仿真 [J].《機(jī)械設(shè)計與制造》2005年 第6期 126-127頁　共2頁

4、丁慶新 劉國偉.?ZO系列三偏心蝶閥的研究及應(yīng)用 [J].?《城市管理與科技》2000年 第4期 33-36頁　共4頁

5、李咸有.?三偏心蝶閥的蝶板偏心角及回轉(zhuǎn)中心位置的優(yōu)化設(shè)計[J].《流體機(jī)械》2000年 第11期 22-25頁　共4頁

作者1：肖亮（1984-），男，漢族，武漢化工大學(xué)學(xué)士，初級工程師，在重慶川武儀表有限公司從事自控閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

作者2：劉鑫陽（1982-），吉林省石油化工設(shè)計研究院自控儀表設(shè)計高級工程師

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