三偏心蝶閥摩擦力矩分析

流體機械 俞樹榮 蘭州理工大學

1、前言

  三偏心蝶閥是在雙偏心蝶閥的基礎上,使蝶板的中心偏置一定的角度,形成三偏心密封結構,從而消除了蝶閥啟閉時兩密封面之間的機械磨損和擦傷,減小了驅動力矩。密封面位于斜圓錐表面,閥座和密封圈的正截面均為橢圓,這正是其設計和制造的難點及關鍵,也是目前不能準確計算摩擦力矩的原因所在[1]

2、三偏心蝶閥結構分析

  蝶閥的三偏心結構(圖1)是在雙偏心蝶閥的基礎上再增加一個傾角, 經過最優化設計使密封副的摩擦力進一步下降, 由于采用面密封的結構使接觸應力分布均勻、密封更加可靠。三偏心蝶閥的第一個偏心是指蝶板的回轉中心L 相對于蝶板中心在軸向存在偏心距c,第二個偏心是指蝶板的回轉中心L 相對于蝶板中心在徑向存在偏心距e,第三個偏心是指閥座所在圓錐形的高線與閥體通道軸線有一個夾角φ,即角偏心[2、3] 。

三偏心蝶閥結構示意 

圖1 三偏心蝶閥結構示意圖

  對于三偏心結構的蝶閥, 由于軸向偏心距c的存在,保證了蝶閥密封面是一個完整連續的錐面,并且該密封面的幾何中心容易確定,降低了密封面加工制造的難度。若密封面為正圓錐面, 則由于蝶板密封面的回轉半徑大于閥座密封面相應部位的半徑,從而在關閉時蝶板密封表面不能進入閥座,即產生“干涉”現象,而采用偏心角為φ的錐面即所謂圓錐斜切可以解決這個問題。其密封面為斜置錐形,蝶板與閥座的密封接觸為面接觸,依靠密封面與閥座的充分接觸來達到密封效果[4、5]

  從圖1得蝶板中性面橢圓的長半軸A 和短半軸B 分別為:

式中A ———中性面橢圓長半軸, mm

  B ———中性面橢圓短半軸, mm

  R0 ———密封圓錐底半徑, mm

  E———蝶板厚度, mm

  θ———密封圓錐半錐角, °

  φ———角偏心, °

3、靜力分析

  當蝶板處于臨界狀態(即蝶板在關閉的瞬間)時,其上的作用力包括:密封面上的單位正壓力N (方向垂直于密封面且為均布的空間力系)和摩擦力fN (方向沿密封表面并且阻止蝶板運動的空間力系)以及介質對蝶板的壓力p (方向取決與介質流向) 。而摩擦力fN 與摩擦系數f有關,摩擦系數f與密封副材料、加工方法、表面光潔度和硬度、潤滑狀態及溫度等因素有關,可以通過試驗測試來確定其準確數值[6]

蝶板受力示意 

圖2 蝶板受力示意