炼钢转炉用气动蝶阀结构设计

胡万强

(许昌学院电气信息工程学院，河南许昌461000)

阀杆轴心同时偏离蝶片中心及本体中心，且密封副为斜椎的蝶阀称为三偏心蝶阀。三偏心蝶阀因具有无死区设计、双重安全构造、本体阀座构造等特点，广泛应用于介质温度小于425℃的治金、电力、石油化工以及给排水和市政建设等工业管道上，作调节流量和载断流体使用。三偏心蝶阀自问世以来，为满足日益严酷的工况要求，其本身也在经历着自我完善和不断发展的过程。即使最基本的零泄漏，理论上三偏心蝶阀都可以做到，但实际上还是有赖于周密的设计和精密的制造。此次设计的蝶阀即为三偏心蝶阀，采用双作用气缸驱动，主要用于钢铁厂转炉炉气的回收，也可用于化工、电站、石油等行业。

1 三偏心蝶阀主要零件设计

作者所设计的三偏心蝶阀如图1所示，该阀主要由阀体、阀杆、蝶板、蝶柱、支架、支座等零件组成。此阀的工作原理是:气缸通过阀杆带动蝶板转动，蝶板与阀体密封面吻合，将通道切断，即为关闭;反之，则为开启。

1.1 阀体结构设计

阀体是蝶阀中重要零件之一，其质量通常占整个阀体总质量的70%左右。根据转炉炼钢产生一氧化碳、二氧化碳、氮气、氢气、水蒸气、少量的氧气及微量的甲烷等废气这一特点，阀体选用球墨铸铁QT400，它有足够的强度、刚度和耐腐蚀性，可以满足设计要求。

图1 三偏心蝶阀结构图

根据参考资料，查得相应的公称压力pg=2.5×105Pa，由公称通径DN=100 mm 和公称压力即可确定蝶阀的法兰类型为铸铁双法兰连接，查相关文献可得阀体的结构总长为L=150 mm，宽度为K=160 mm。根据阀门的流通能力和流体的阻力系数要求，确定阀体的流动通道为100 mm。

阀体最小壁厚可根据以下公式计算:

式中:p'为关闭瞬间前后的压力差，p'=317.52 Pa。将相关数据代入以上公式，可得T≥12.37 mm，圆整后取T=15 mm。

设计的阀体结构图见图2。

图2 阀体结构图

1.2 碟板的设计计算

(1)蝶板大端直径D的确定

根据GB/T 12238-2008，由公称通径可得出蝶板大端的直径即蝶阀阀座的最小通径D=94 mm。

(2)蝶板中性面长短半径的确定

蝶板中性面的长半径

短半径

式中:A0为蝶阀阀座最小通径的一半;α为偏心角，根据密封副材料，偏心角取目前阀门制造商广为采用的参数，选α=15°;E为蝶板中性面，取值10 mm。将相关数据代入以上公式中，得RA=45.56 mm，RB=43.89 mm。

1.3 蝶阀密封比的确定

可得蝶阀密封比的公式为:

式中:pj为计算压力，pj=pg+p';m为比例系数，取值为1;a为外圆半径，取值35 mm;c为内圆半径，取1 mm;b为密封副接触宽度，取值27.2 mm。将以上数据代入公式，得:qh=22.74×105Pa，对于刚性密封面，qh按公式计算出来的值降低25%，即qh=17.05×105Pa。

1.4 蝶阀的轴向和径向偏心距设计计算

经过计算，径向偏心距e满足0 ＜e ＜RA/2，轴向偏心距c满足5 mm ＜c ＜32.8 mm。因蝶阀的密封力矩与径向偏心距近似成正比关系，因此应尽量降低径向偏心距e的大小。径向偏心距e 同时也满足如下关系:

将相关数据代入上式中，得e ＜11.16 mm，根据实际要求，可取e=8 mm。设阀杆直径为d，为了保证蝶阀具有完整、连续的密封表面，则轴向偏心距c还应满足下面公式:为了增加阀杆的刚度，阀杆的直径值应取大些，经综合考虑，取c=20 mm，代入上式，计算得阀杆直径d=24 mm。

2 传动方案的设计及分析

由于该蝶阀主要用于钢铁转炉，对精度和声音的要求不高，故采用气动驱动方式，气缸采用双作用式普通单气缸。三偏心蝶阀通过阀杆带动蝶板转动，如果蝶板与阀体密封面吻合，将通道切断，即为关闭;反之，则为开启。气动系统见图3所示。

图3 气动系统图

3 结束语

气动蝶阀主要是由气动执行器和蝶阀组成，气动蝶阀是用随阀杆转动的圆形蝶板做启闭件，以实现启用动作的气动阀门，主要用作截断阀使用。而三偏心蝶阀作为比较高级的一种蝶阀，因其独特的性能在国民生产和生活中得到比较广泛的应用。作者针对钢铁转炉系统设计了一种三偏心蝶阀，并对其主要零件进行了设计计算。

参考文献:

【1】陆培文.实用阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社，2007.

【2】SMC(中国)有限公司.现代实用气动技术[M].北京:机械工业出版社，2008.

【3】张炫芝.三偏心蝶阀密封结构的分析与研究[M].北京:机械工业出版社，2000.

【4】袁承训.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社，2006.