关于三偏心蝶阀摩擦力矩分析

1　概述

目前三偏心调节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。

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。

图1　三偏心蝶阀结构示意

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。

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。

图2　蝶板受力示意

当介质为正流状态时（介质流动方向与蝶板关闭方向相同）蝶板密封面受力情况如图2所示。密封面上所受的压力N是均布力，方向垂直于密封表面，即垂直于圆锥母线与该点的切线所组成的平面，并且压力是一空间力系。由于蝶板的密封表面与阀座密封面之间有运动的趋势，且存在着相互作用力，则两密封面之间也必然存在着一定的摩擦力，其大小为fN，方向沿圆锥母线且阻止蝶板的运动。

力的平衡方程以阀杆轴线为界，图3所示椭圆被分为上下两部分，根据对称性可将该椭圆分为两个区间：[0，θ₁]和[θ₁，π]。

图3　蝶板截面示意

通过各力在圆锥轴线方向上的投影可列出相应的力的平衡方程式，进而可求出密封面上所受的压力N：

其中

式中

p———管道中流体介质压力，MPa
f———与密封副材料有关的摩擦系数

4　摩擦力矩计算

由于三偏心蝶阀密封面为圆锥的表面，密封为面接触密封，求出蝶板密封表面上的摩擦力后，再求作用于蝶板上、下两部分的摩擦力矩。在求摩擦力矩的时候，为计算方便，取蝶板中性面椭圆代替蝶板进行分析。如图4所示，首先将摩擦力进行分解，对于阀杆有力矩作用的分力，分别求出摩擦力矩，最后将各分摩擦力矩合并为总的摩擦力矩。假定摩擦力矩逆时针为正，顺时针为负。

图4　摩擦力分解示意

（1）摩擦力分力fNcosα1（图4）引起的蝶板上部分的摩擦力矩（逆时针方向）：

（2）摩擦力分力fNcosα1引起的蝶板下部分的摩擦力矩（逆时针方向）：

（3）摩擦力分力fNsinα1cosα（图4）引起的蝶板上部分的摩擦力矩（逆时针方向）：

（4）摩擦力分力fNsinα1cosα引起的蝶板下部分的摩擦力矩（顺时针方向）：

则上下两部分合摩擦力矩为：

其中

式中

C———长轴上的焦点半径，mm
λ———焦点参数，λ=B²/A
e′———椭圆离心率

5　特殊情况

当φ=0时，阀座的内表面由斜圆锥变为正圆锥，阀座和密封圈的正截面为圆。这就是蝶阀的双偏心结构，双偏心是三偏心的特殊情况，此时密封面上所受的压力N为：

摩擦力矩M为：

式中

R———圆锥中性面圆半径，mm

6　实例分析

下面通过实例分别探讨摩擦力矩与三偏心蝶阀主要参数的关系。由于蝶板中性面椭圆的半长轴A和半短轴B均和蝶板密封面所在的圆锥半径R₀有关，现给出以下参数：R₀=42mm，c=5mm，e=3mm，φ=10°，E=8mm，p=1MPa，θ=10°，f=0.3。根据以上所给的参数，可以计算出三偏心蝶阀的摩擦力矩M。

分别改变径向偏心距e，轴向偏心距c以及偏心角φ的值，相应的视为已知量，由公式（9）可计算出对应的摩擦力矩，如图5～7所示。

图5　摩擦力矩与轴向偏心距c的关系曲线

7　结论

（1）三偏心蝶阀的轴向偏心距c对蝶阀的摩擦力矩影响不大，几乎成水平直线，对于一定口径，不同θ值及e值都对应一个最小的c值，否则将发生干涉。一般在设计时，由于结构和空间的问题，c的值不会很大；

图6　摩擦力矩与径向偏心距e的关系曲线

图7　摩擦力矩与偏心角φ的关系曲线

（2）对于同一口径的三偏心蝶阀，其摩擦力矩与径向偏心距e近似成正比，而其变化也很明显，在设计时应尽量减小e的值；

（3）同样对于同一口径的三偏心蝶阀，其摩擦力矩与角偏心φ近似成反比，增加偏心距有利于减小摩擦力矩，这是蝶阀三偏心结构设计的特点，一般取0≤φ≤θ。

参考文献

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