三偏心蝶阀的密封副干涉分析与研究

李宁 杨慧 王龙龙 周磊

上海工程技术大学 上海 201600

引言

三偏心蝶阀的压降、启闭力矩、压力等级范围、适用温度范围和阀座密封性能都优于偏心数目少的蝶阀[1]，其密封面为椭圆，磨损小密封性能好，具有摩擦力矩小，启闭迅速等特点，蝶板能在关闭时实现自锁。现今我国的三偏心蝶阀获得了巨大的发展，但相对于国外对于三偏心蝶阀的开发仍然处于落后位置[2]。由于三偏心蝶阀存在三个偏心值，所以通过理论分析，MATLAB 数值仿真，检测阀门在启闭过程中是否会发生干涉，确定偏心值及参数的选择范围，为蝶阀的设计制造过程提供参考。

1 三偏心蝶阀的结构及特点

蝶阀包括中线蝶阀，单偏心蝶阀，双偏心蝶阀以及三偏心蝶阀。三偏心蝶阀是在蝶阀的基础上采用了轴向偏心及径向偏心，对形成蝶板的正圆锥进行偏转一定的角度后与阀体中心线形成角偏心[3]。经过了第三次偏心，蝶板的密封面的形状成为椭圆，蝶板与阀座组成密封副，改变了密封副构造。采用扭力密封，蝶板是由正圆锥偏转后切割形成，其具有在冷热条件下自补偿功能，所以三偏心蝶阀理论上具有零泄漏的特点[2]。

2 三偏心蝶阀回转中心不干涉区域数学计算

当蝶板的开启时旋转方向为逆时针时，蝶板上 C 点与 E 点在的旋转轨迹始终被阀座相应位置的轨迹包围，此时蝶板在旋转过程中不会与阀座产生干涉的现象[4-6]。即在运动过程中∠BCH≥90°；∠DEH≥90°。由此确定回转中心的两条边界线。考虑到蝶板在开启及闭合的工作状态中，蝶板的两个工作面会产生不同的压力，为保持蝶板与阀座的密封性，及阀门在开启时尽量施加小的力矩，确定另外两条边界线。

径向偏心值即为H点坐标的纵坐标值，轴向偏心值即为横向坐标值。建板与阀座接触面的二维模型，通过理论分析，构建平面坐标系，得出使密封副不干涉的蝶板回转中心的理论区域。由图2可知蝶板回转中心 H 的坐标适合区域即三偏心蝶阀的轴向偏心 c 与径向偏心 e 其值可表示为：

图2 坐标系构建

2.1 蝶板轮廓线方程

三偏心蝶阀的蝶板是由正圆锥旋转一个偏心值的角度后再由两个平行平面切割形成，如图3所示。

图3 坐标平面变化

推导可得变换后的圆锥方程为：

其中，φ—偏心角；e—轴向偏心值；l—阀体中心线与圆锥顶角平分线与蝶板中心线交点间的距离；h—圆锥顶点与蝶板中心线之间的距离；a—轴向偏心值；β—圆锥半角。

2.2 蝶阀蝶板截面方程

三偏心蝶阀也可由两个平行平面偏转后切割正圆锥形成蝶板，蝶板形状为类椭圆形，如图所示。

图4 平面切割圆锥

图5 圆锥截面轮廓

根据偏转后的圆锥方程，利用平面切割偏心圆锥即可得到蝶板轮廓线方程。根据蝶板形成原理，推导在不同平面对圆锥进行切割后形成的蝶板轮廓曲线方程：

3 三偏心干涉验证程序设计

图6 干涉原理分析

由推导知，保证蝶板在启闭过程中蝶板上位于密封副上的点的轨迹始终在密封副的轮廓曲线下，即能保证蝶板与阀座不会产生干涉[6]。利用 MATLAB 软件计算验证影响蝶板与阀座干涉状态的因素，通过验证某一单一变量的不干涉范围及趋势，分析各因素的总体不干涉范围[7-9]。

MATLAB 程序运行结果分析

以 DN=600mm,PN=2MPa 的蝶阀为例，分析改变某一变量时三偏心蝶阀的不干涉范围。由于进行分析时数据十分庞大，在分析时，将除变量值外所有的值进行假设固定，对于程序的循环过程进行固定，即固定密封副上的一点，蝶板启闭角度不改变。在上述条件满足的情况下进行参数趋势的分析。

表1 参数选择

表2 参数变化范围选择

在分析参数变化对干涉状况的趋势影响时，主要对于以上参数进行单一变量变化时的趋势，在分析时通过改变参数值得出的干涉检查值的大小作为分析依据，进而确定各参数对三偏心蝶阀的密封副干涉情况的影响。

由图8可知，在 e=1 到 e=50 的区间上当 e 约等于 5 时的干涉量最小，在 e=5 后随着径向偏心值的增大干涉检查值呈线性增长趋势，当径向偏心 e=50 时的干涉检查值约为 6.8mm，斜率约为 0.04，可知径向偏心对三偏心蝶阀密封副的干涉影响程度不大。应选择较大的径向偏心值，避免蝶板与阀座发生干涉。

图8 径向偏心与干涉检查值关系

由图9可知，在 a=1 到 a=50 的区间上，随着轴向偏心值 a 的增大，干涉检查值呈线性递减趋势，斜率约为-0.08，当 a 大于50时，干涉检查值可能为负，即在蝶板启闭角为5°的状态时，蝶板和阀座发生干涉现象，因此应选择较小的轴向偏心值。

图9 轴向偏心与干涉检查值关系

由图10可知，在 b=1 到 b=50 的区间上随着径向偏心值的增大干涉检查值呈线性增长趋势，当密封面宽度 e=50 时的干涉检查值约为 7.5mm，斜率约为0.05。所以选择较大的密封副宽度值。

图1 三偏心蝶阀结构

图10 密封副宽度与干涉检查值关系

在 α=1°到 α=50°的区间上随着径向偏心值的增大干涉检查值呈减少趋势，并且在下降过程中呈指数形式下降。圆锥半角在到β=1°到β=50°的区间上随着圆锥半角β的增大干涉检查值呈增大趋势，并且在增大过程中呈指数函数趋势上升，故偏心角对三偏心蝶阀的密封副干涉情况的影响程度很大。当偏心角 α=8°，圆锥半角β=15°时的干涉检查值约为 0mm。当偏心角 α 的值大于等于 8°，圆锥半角β的值大于等于 15°时，蝶阀在启闭过程中蝶板与阀座会产生干涉。所以偏心角的大小应在α=1°至 α=8°的区间中选择，圆锥半角的大小应在β 大于等于 15°的区间中选择。

4 结束语

本文主要对三偏心蝶阀进行结构分析，通过分析蝶板的启闭过程，构建坐标系，确定三偏心蝶阀的回转中心的边界条件，分析建立数学表达式表达出回转中心的边界方程。通过对正圆锥的空间方程进行旋转得出的偏心圆锥的空间方程进行沿某个平面进行切割，得出截面轮廓曲线方程。通过确定的截面轮廓曲线，分析三偏心蝶阀运动方式，得出三偏心蝶阀的密封副干涉检验程序的计算原理。通过 MATLAB 软件对三偏心蝶阀的密封副进行分析，分析得到的三个偏心值对密封副干涉的影响。利用编写的密封副干涉检验的 MATLAB 程序对蝶板旋转特定角度进行分析，得出三偏心蝶阀的主要参数在一定范围内变化时对密封副干涉状况的影响。通过干涉检查，确定参数不发生干涉的选取范围，然后根据蝶阀的设计要求对其他参数进行选择。分析结果为提升三偏心蝶阀的压降能力、启闭力矩大小、压力等级范围提供参考。选取合适参数可以优化蝶阀流量调节性能，扩大流量调节功能范围，扩大使用温度范围，提升阀座密封性。研究结果使干涉检验更加方便利于蝶阀产品设计，提高产品的设计效率。