炼钢转炉用气动蝶阀结构设计
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；真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为反之，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=100mm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=150mm，宽度为K=160mm。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100mm。
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'=317.52Pa。将相关数据代入以上公式，可得T≥12.37mm，圆整后取T=15mm。
设计的阀体结构图见图2。
图2 阀体结构图
1.2、蝶板的设计计算
(1)蝶板大端直径D的确定
根据GB/T12238-2008，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=94mm。
(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10mm。将相关数据代入以上公式中，得RA=45.56mm，RB=43.89mm。
1.3、蝶阀密封比的确定
由参考文献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；α为外圆半径，取值35mm；c为内圆半径，取1mm；b为密封副接触宽度，取值27.2mm。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
将相关数据代入上式中，得e<11.16mm，根据实际要求，可取e=8mm。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=20mm，代入上式，计算得阀杆直径d=24mm。
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。
