1　概述

目前三偏心調(diào)節(jié)蝶閥是在雙偏心蝶閥的基礎(chǔ)上，使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封結(jié)構(gòu)，從而消除了蝶閥啟閉時(shí)兩密封面之間的機(jī)械磨損和擦傷，減小了驅(qū)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(shè)計(jì)和制造的難點(diǎn)及關(guān)鍵，也是目前不能準(zhǔn)確計(jì)算摩擦力矩的原因所在。

2　三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)分析

蝶閥的三偏心結(jié)構(gòu)（圖1）是在雙偏心蝶閥的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)傾角，經(jīng)過最優(yōu)化設(shè)計(jì)使密封副的摩擦力進(jìn)一步下降，由于采用面密封的結(jié)構(gòu)使接觸應(yīng)力分布均勻、密封更加可靠。三偏心蝶閥的第一個(gè)偏心是指蝶板的回轉(zhuǎn)中心L相對于蝶板中心在軸向存在偏心距c，第二個(gè)偏心是指蝶板的回轉(zhuǎn)中心L相對于蝶板中心在徑向存在偏心距e，第三個(gè)偏心是指閥座所在圓錐形的高線與閥體通道軸線有一個(gè)夾角φ，即角偏心。

圖1　三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)示意

對于三偏心結(jié)構(gòu)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(gè)完整連續(xù)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(zhuǎn)半徑大于閥座密封面相應(yīng)部位的半徑，從而在關(guān)閉時(shí)蝶板密封表面不能進(jìn)入閥座，即產(chǎn)生“干涉”現(xiàn)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(gè)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(dá)到密封效果。

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(dāng)?shù)逄幱谂R界狀態(tài)（即蝶板在關(guān)閉的瞬間）時(shí)，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(yùn)動的空間力系）以及介質(zhì)對蝶板的壓力p（方向取決與介質(zhì)流向）。而摩擦力fN與摩擦系數(shù)f有關(guān)，摩擦系數(shù)f與密封副材料、加工方法、表面光潔度和硬度、潤滑狀態(tài)及溫度等因素有關(guān)，可以通過試驗(yàn)測試來確定其準(zhǔn)確數(shù)值。

圖2　蝶板受力示意

當(dāng)介質(zhì)為正流狀態(tài)時(shí)（介質(zhì)流動方向與蝶板關(guān)閉方向相同）蝶板密封面受力情況如圖2所示。密封面上所受的壓力N是均布力，方向垂直于密封表面，即垂直于圓錐母線與該點(diǎn)的切線所組成的平面，并且壓力是一空間力系。由于蝶板的密封表面與閥座密封面之間有運(yùn)動的趨勢，且存在著相互作用力，則兩密封面之間也必然存在著一定的摩擦力，其大小為fN，方向沿圓錐母線且阻止蝶板的運(yùn)動。

力的平衡方程以閥桿軸線為界，圖3所示橢圓被分為上下兩部分，根據(jù)對稱性可將該橢圓分為兩個(gè)區(qū)間：[0，θ₁]和[θ₁，π]。

圖3　蝶板截面示意

通過各力在圓錐軸線方向上的投影可列出相應(yīng)的力的平衡方程式，進(jìn)而可求出密封面上所受的壓力N：

其中

式中

p———管道中流體介質(zhì)壓力，MPa
f———與密封副材料有關(guān)的摩擦系數(shù)

4　摩擦力矩計(jì)算

由于三偏心蝶閥密封面為圓錐的表面，密封為面接觸密封，求出蝶板密封表面上的摩擦力后，再求作用于蝶板上、下兩部分的摩擦力矩。在求摩擦力矩的時(shí)候，為計(jì)算方便，取蝶板中性面橢圓代替蝶板進(jìn)行分析。如圖4所示，首先將摩擦力進(jìn)行分解，對于閥桿有力矩作用的分力，分別求出摩擦力矩，最后將各分摩擦力矩合并為總的摩擦力矩。假定摩擦力矩逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。

圖4　摩擦力分解示意

（1）摩擦力分力fNcosα1（圖4）引起的蝶板上部分的摩擦力矩（逆時(shí)針方向）：

（2）摩擦力分力fNcosα1引起的蝶板下部分的摩擦力矩（逆時(shí)針方向）：

（3）摩擦力分力fNsinα1cosα（圖4）引起的蝶板上部分的摩擦力矩（逆時(shí)針方向）：

（4）摩擦力分力fNsinα1cosα引起的蝶板下部分的摩擦力矩（順時(shí)針方向）：

則上下兩部分合摩擦力矩為：

其中

式中

C———長軸上的焦點(diǎn)半徑，mm
λ———焦點(diǎn)參數(shù)，λ=B²/A
e′———橢圓離心率

5　特殊情況

當(dāng)φ=0時(shí)，閥座的內(nèi)表面由斜圓錐變?yōu)檎龍A錐，閥座和密封圈的正截面為圓。這就是蝶閥的雙偏心結(jié)構(gòu)，雙偏心是三偏心的特殊情況，此時(shí)密封面上所受的壓力N為：

摩擦力矩M為：

式中

R———圓錐中性面圓半徑，mm

6　實(shí)例分析

下面通過實(shí)例分別探討摩擦力矩與三偏心蝶閥主要參數(shù)的關(guān)系。由于蝶板中性面橢圓的半長軸A和半短軸B均和蝶板密封面所在的圓錐半徑R₀有關(guān)，現(xiàn)給出以下參數(shù)：R₀=42mm，c=5mm，e=3mm，φ=10°，E=8mm，p=1MPa，θ=10°，f=0.3。根據(jù)以上所給的參數(shù)，可以計(jì)算出三偏心蝶閥的摩擦力矩M。

分別改變徑向偏心距e，軸向偏心距c以及偏心角φ的值，相應(yīng)的視為已知量，由公式（9）可計(jì)算出對應(yīng)的摩擦力矩，如圖5～7所示。

圖5　摩擦力矩與軸向偏心距c的關(guān)系曲線

7　結(jié)論

（1）三偏心蝶閥的軸向偏心距c對蝶閥的摩擦力矩影響不大，幾乎成水平直線，對于一定口徑，不同θ值及e值都對應(yīng)一個(gè)最小的c值，否則將發(fā)生干涉。一般在設(shè)計(jì)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)和空間的問題，c的值不會很大；

圖6　摩擦力矩與徑向偏心距e的關(guān)系曲線

圖7　摩擦力矩與偏心角φ的關(guān)系曲線

（2）對于同一口徑的三偏心蝶閥，其摩擦力矩與徑向偏心距e近似成正比，而其變化也很明顯，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小e的值；

（3）同樣對于同一口徑的三偏心蝶閥，其摩擦力矩與角偏心φ近似成反比，增加偏心距有利于減小摩擦力矩，這是蝶閥三偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，一般取0≤φ≤θ。

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