三偏心蝶阀摩擦力矩分析

1、前言

　　三偏心蝶阀是在双偏心蝶阀的基础上,使蝶板的中心偏置一定的角度,形成三偏心密封结构,从而消除了蝶阀启闭时两密封面之间的机械磨损和擦伤,减小了驱动力矩。密封面位于斜圆锥表面,阀座和密封圈的正截面均为椭圆,这正是其设计和制造的难点及关键,也是目前不能准确计算摩擦力矩的原因所在^[1]。

2、三偏心蝶阀结构分析

　　蝶阀的三偏心结构(图1)是在双偏心蝶阀的基础上再增加一个倾角, 经过最优化设计使密封副的摩擦力进一步下降, 由于采用面密封的结构使接触应力分布均匀、密封更加可靠。三偏心蝶阀的第一个偏心是指蝶板的回转中心L 相对于蝶板中心在轴向存在偏心距c,第二个偏心是指蝶板的回转中心L 相对于蝶板中心在径向存在偏心距e,第三个偏心是指阀座所在圆锥形的高线与阀体通道轴线有一个夹角φ,即角偏心^[2、3] 。

图1　三偏心蝶阀结构示意图

　　对于三偏心结构的蝶阀, 由于轴向偏心距c的存在,保证了蝶阀密封面是一个完整连续的锥面,并且该密封面的几何中心容易确定,降低了密封面加工制造的难度。若密封面为正圆锥面, 则由于蝶板密封面的回转半径大于阀座密封面相应部位的半径,从而在关闭时蝶板密封表面不能进入阀座,即产生“干涉”现象,而采用偏心角为φ的锥面即所谓圆锥斜切可以解决这个问题。其密封面为斜置锥形,蝶板与阀座的密封接触为面接触,依靠密封面与阀座的充分接触来达到密封效果^[4、5] 。

　　从图1得蝶板中性面椭圆的长半轴A 和短半轴B 分别为:

式中A ———中性面椭圆长半轴, mm

　　B ———中性面椭圆短半轴, mm

　　R0 ———密封圆锥底半径, mm

　　E———蝶板厚度, mm

　　θ———密封圆锥半锥角, °

　　φ———角偏心, °

3、静力分析

　　当蝶板处于临界状态(即蝶板在关闭的瞬间)时,其上的作用力包括:密封面上的单位正压力N (方向垂直于密封面且为均布的空间力系)和摩擦力fN (方向沿密封表面并且阻止蝶板运动的空间力系)以及介质对蝶板的压力p (方向取决与介质流向) 。而摩擦力fN 与摩擦系数f有关,摩擦系数f与密封副材料、加工方法、表面光洁度和硬度、润滑状态及温度等因素有关,可以通过试验测试来确定其准确数值^[6] 。

图2　蝶板受力示意