专利名称：四偏心蝶阀的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及金属硬密封偏心蝶阀，尤其涉及斜切圆锥台阀板及与该阀板配合的阀座。
背景技术：
理想的硬密封蝶阀应符合以下三项要求1)阀板在完全关闭前的运动过程中，任何一点都不能与阀座的静密封面接触，否则即形成干涉；而关闭后，阀板的动密封面与阀座的静密封面又必须完全贴合，即动静密封面应为相同的几何面。2)若操作阀板沿关闭方向继续运动(即旋紧阀板)，此过程中动密封面能向静密封面施加微小的压入，以产生足够的密封比压，否则不能很好地密封。幻动密封面对静密封面所产生的压入量最好在整个密封面上是均勻的。为了满足上述要求，硬密封蝶阀经历了不断的发展。早期的蝶阀没有采用任何偏心设计，其动静密封面采用以阀板转轴的轴心旋转的球面，并且阀板转轴定于阀板的几何中心上。因此，该蝶阀仅仅能够满足上述要求中的第1) 项。并且，由于阀板转轴的直径范围位于阀座的静密封面以内，因此还必须考虑阀板转轴直径范围的孔区的密封问题，增加了蝶阀结构的复杂性。此后出现了双偏心蝶阀。双偏心蝶阀的动静密封面仍采用以阀板转轴的轴心旋转的球面，但其阀板转轴的轴心不仅偏离了阀板中心线(即产生第一偏心量a)，并且还偏离了蝶阀的流道中心线(即产生第二偏心量b)。第一偏心量a的作用是使阀板转轴的直径范围能够位于阀座的静密封面以外。为此，第一偏心量a必须大于或等于(c+d)/2(阀板厚度为c，阀板转轴的直径为d)。第二偏心量b的作用是制造出一个运动物体与运动空间的不对称度，以满足旋紧阀板时动密封面向静密封面施加微小的压入的要求。但第二偏心量b 过大会造成密封面受压不均，因此第二偏心量b的值可由密封面受压均勻情况来确定。双偏心蝶阀能够满足上述要求中的第1) 2)项，并且解决了无偏心蝶阀设计上必须考虑阀板转轴直径范围孔区密封的问题。但是，由于双偏心蝶阀的密封面仍为球面，故阀板与阀座的加工存在一定难度。由此诞生了三偏心蝶阀。三偏心蝶阀相比于双偏心蝶阀，在保留了第一偏心量a 和第二偏心量b的基础上，将阀板上的动密封面以及阀座上与其配合的静密封面设计成易于加工的锥面，并因此产生了第三偏心角α。如图1 2所示，为具体说明三偏心蝶阀的结构，现以阀板中心线101为Z轴、偏心蝶阀的流道中心线401为Y轴、过Y轴和Z轴交点且平行于阀板转轴3的直线为X轴建立坐标系，则阀板转轴3的轴心0与Z轴的距离为a(即第一偏心量a)，阀板转轴3的轴心0与Y轴的距离为b (即第二偏心量b)，阀板1在Y轴方向的厚度为c，阀板转轴3的直径为d，阀座2的最大孔径为D(即蝶阀的通径为D)。如图1所示，若将该阀板1的与H平面平行且X = 0的剖面的四个端点分别设为 M、N、Q和P，则直线MQ的长度即等于D ；同时，由于阀板1上任意一点均绕阀板转轴3的轴心0作圆运动，要使阀板1上的N和Q点在关闭前与静密封面的对应线段MN和QP不产生干涉，则必有θ彡90° (设θ = Z ΜΝ0)，ω彡90° (设ω = Z PQ0)，从而使直线丽的延长线与直线QP的延长线的交点偏离Y轴，形成第三偏心角α。由于第三偏心角α的存在，阀板1必为一个斜切圆锥台。显然，该斜切圆锥台的旋转加工轴心线就是直线MN的延长线与直线QP的延长线的角平分线5。第三偏心角α以及该斜切圆锥台的半锥角β是加工该斜切圆锥台必不可少的加工参数。目前在设计三偏心蝶阀的阀板时，共涉及六项参数的选取，即上述的第一偏心量 a、第二偏心量b、阀板厚度C，阀板转轴的直径d、第三偏心角α以及半锥角β。其中，参数 c根据阀门工作压力确定，参数d由阀板开关力矩确定。上面提到，第一偏心量a的作用是使阀板转轴的直径范围能够位于阀座的静密封面以外，因此第一偏心量a必须大于或等于 (c+d)/2 ；第二偏心量b的作用满足旋紧阀板时动密封面向静密封面施加微小的压入的要求，但第二偏心量b过大又会造成密封面受压不均，因此第二偏心量b的值可由密封面受压均勻情况来确定。在大致确定参数c、d、a、b的取值后，就涉及到第三偏心角α以及半锥角β的取值问题。再次结合图1可以发现，可能是出于方便设计的原因，以往的设计者都直接将直线MN的延长线与直线QP的延长线的角平分线5与Y轴的交点设定在从阀板转轴3的轴心0向Y轴所作垂线的垂足k上。这样，只要确定了M点和k点的位置并选定参数θ和参数α，就可以得到斜切圆锥台的旋转加工轴心线以及N点和参数β。M点的位置可由D/2 得到；而k点是阀板转轴3的轴心0向Y轴所作垂线的垂足，故可由参数a得到；虽然参数 θ >90°时在X = O的剖面不产生干涉，但考虑到当θ =90°时动静密封面的挤压夹角最小，同等扭矩情况下动静密封面的挤压力就越大，因此最好将θ取为90°或略大于90°。 这时，就只剩下对参数α的选取了。实际上，无论怎么选择三偏心角α，都不可能完全解决动静密封面的干涉问题。这是因为，图1所示的情形只能确保动静密封面在与TL平面平行且X = 0的剖面上不产生干涉，但并不能使所有与H平面平行且Ixl兴0的其他剖面均不产生干涉。此时，要解决动静密封面的干涉问题，只有将参数θ增大到不可接受的程度，不仅使动静密封面的挤压夹角变得很大，而且导致阀板1薄得不能承压。已有研究发现，调整参数a、b、α和β能够扩大动静密封面不发生干涉的范围。 因此，目前所见三偏心蝶阀的优化参数研究的几乎都集中在搜索a、b、α和β四项参数方面。比如，发表于《流体机械》2003年第35卷第5期上，作者为梁瑞等的论文“三偏心结构蝶阀金属密封副干涉几何学分析”中提出，α应为5° 10°、β 8°。又如，实用新型专利号“02159988. 2”中，利用ANSYS软件搜索最优，其目标函数为无压状态下，摩擦扭矩T 最小，这就是在找阀板运动过程中动静密封面的干涉体积最小的参数配合。然而，论文“三偏心结构蝶阀金属密封副干涉几何学分析”中提出，当阀板厚度c较大时根本就不可能搜索到完全满足不干涉条件的a、b、α和β四项参数。
实用新型内容本实用新型旨在提供一种动静密封面的挤压角度较小且不发生干涉的四偏心蝶阀。该四偏心蝶阀包括阀座、阀板及阀板转轴，所述阀板为一斜切圆锥台，该斜切圆锥台的锥面作为动密封面与阀座上与之配合的静密封面构成一对硬密封副，在以阀板中心线为Z轴、偏心蝶阀的流道中心线为Y轴、过Y轴和Z轴交点且平行于阀板转轴的直线为X轴所建立的坐标系中，阀板转轴的轴心0与Z轴的距离为a，阀板转轴的轴心0与Y轴的距离为b，阀板在Y轴方向的厚度为c，阀板转轴的直径为d，阀座的最大孔径为D，若将该阀板的与TL平面平行且X = 0的剖面的四个端点分别设为M、N、Q和P，则直线MQ的长度等于 D，且直线MN的延长线与直线QP的延长线的交点偏离Y轴，该斜切圆锥偏心蝶阀还满足 ①a 彡[(c+cO/^-c/S ；② 100° 彡 θ 彡90° UOO0 彡 ω 彡 90°，其中，“ θ ” 为 Z ΜΝΟ， “ ω ”为Z PQO ；③直线MN的延长线与直线QP的延长线之间的角平分线与Y轴的交点k’偏离从阀板转轴的轴心O向Y轴所作垂线的垂足k形成了第四偏心量e ；④阀板顶面和底面的整个边缘通过倒角削去，倒角处阀板的剩余厚度为c/5 c/3 ；⑤b为0. OlD 0. 08D。由于当阀板的厚度c较小时可以找到满足动静密封面不干涉的a、b、α和β四项参数，因此，本申请的实用新型人意识到，可以通过倒角的办法先将阀板顶面和底面的整个边缘削去，其防干涉的效果与减小阀板的厚度c相似，但又能够保证阀板的强度。在此基础上，实用新型人进行了大量的研究并发现，在根据阀门工作压力确定参数c，根据阀板开关力矩确定参数d，并令a彡[(c+d)/2]-c/3、100°彡θ彡90°、100°彡ω彡90°以及 b为0. OlD 0. 08D的情况下，如果将倒角处阀板的剩余厚度设置在c/5 c/3这一范围， 就可以解决动静密封面的干涉问题。实际上，通过阀板倒角还可以带来以下有益效果。首先，倒角能使动静密封面之间起密封作用的线段变短，趋近于所谓的“线密封”，以达到更好的密封效果；其次，倒角后阀板失去尖角，阀门开启时通过阀门的流体会呈现较好的流线特征；还有，通过倒角使动静密封面之间起密封作用的线段收近到阀板中心线的附近，这样既可以选择适当的加粗阀板转轴的直径使其能够承受更大的弯矩，同时也可选择将阀板转轴向阀板中心线靠近，最大的靠近距离设为c/3，因此，参数a的选取范围就可从原先的a彡[(c+d)/2]变为 a ^ [(c+d)/2]-c/3，这样，还可以将参数a设定为(c+d)/2>a^ [ (c+d)/2] _c/3，即相比与以往[(c+d)/2]的情况，减小了阀门开启后阀板与阀板转轴在流道中所占的面积，提高了阀门开启后的流量。在上述技术方案中，由于100°彡θ彡90°、100°彡ω彡90°，因此既能够确保在动静密封面在X = O的剖面不产生干涉，同时又保证了动静密封面之间较小的挤压角度。 当θ = ω = 90°时动静密封面的挤压夹角最小，因此同等扭矩情况下动静密封面的挤压力就越大，故本实用新型优选θ = ω = 90°。另外，本实用新型还提供了一种斜切圆锥偏心蝶阀的设计方法。本实用新型的四偏心蝶阀即由该方法所设计得到。因此，该方法又可称为四偏心偏心蝶阀的设计方法。该方法不仅大大提高了斜切圆锥偏心蝶阀的设计效率，并且可设计出静密封面的挤压角度较小且不发生干涉、密封面受压均勻的斜切圆锥偏心蝶阀。其具体包括如下步骤(1)根据阀门工作压力确定参数C，根据阀板开关力矩确定参数d，然后令 a 彡[(c+d)/2]-c/3、100° ^ θ ^ 90° ,100° ^ ω ^ 90° ；(2)将阀板顶面和底面的整个边缘通过倒角削去，令倒角处阀板的剩余厚度为 c/5 c/3 ；(3)在上述参数a、C、d、θ、ω以及倒角量已经确定的条件下，通过计算机建模并模拟得到的满足阀板与阀座不产生干涉要求的阀板转轴的轴心O与Y轴距离的最小值Dmin >(4)在bmin的基础上增大参数b的值，使得在旋紧阀板时动密封面对静密封面在直线MN处所产生的压入面积W1与在直线QP处所产生的压入面积W2之和接近在阀板的与TL 平面平行且|X| ^ 0. 97D/2剖面上的压入面积w3，进而确定参数b ；(5)作直线丽的延长线与直线QP的延长线之间的角平分线，其与Y轴的交点k’ 偏离从阀板转轴的轴心0向Y轴所作垂线的垂足k形成了第四偏心量e，然后确定第三偏心角α和半锥角β。上述方法的设计过程中并不依靠第三偏心角α和半锥角β的取值来确定阀板的形状，而是通过确定参数a、b、c、d、θ、ω来决定阀板的形状。整个设计阶段只有一项参数 b需通过实验得到(通过实用新型人多次试验，b参数的取值应为0.01D 0.08D)。因此， 该方法并不需要将直线MN的延长线与直线QP的延长线的角平分线与Y轴的交点设定在从阀板转轴的轴心0向Y轴所作垂线的垂足k上。实际上，由该方法设计得到的斜切圆锥偏心蝶阀中的直线MN的延长线与直线QP 的延长线之间的角平分线与Y轴的交点k’将偏离从阀板转轴的轴心0向Y轴所作垂线的垂足k，从而形成了第四偏心量e。此时的第四偏心量e、第三偏心角α以及半锥角β的取值都是在阀板形状已经设计好后再经过计算得到的数据。由于第三偏心角α以及半锥角 β作为阀板加工时必须的加工参数，因此须从上述方法的步骤(5)中获得。上述方法中，由于当θ = ω = 90°时设计出的斜切圆锥偏心蝶阀的动静密封面的挤压夹角最小，因此同等扭矩情况下动静密封面的挤压力就越大，故该方法优选θ = ω =90°。上述方法中，由于阀板的倒角使动静密封面之间起密封作用的线段收近到阀板中心线的附近，因此最好将参数a设定为(c+d)/2>a> [(c+d)/2]-c/3，即相比与以往将参数a设定为[(c+d)/2]的情况，减小了阀门开启后阀板与阀板转轴在流道中所占的面积，从而提高了阀门开启后的流量。本实用新型的有益效果是本实用新型的设计方法能够大大降低斜切圆锥偏心蝶阀的设计难度，能容易的得到最优的设计参数，所设计的四偏心蝶阀不仅解决了动静密封面的干涉问题，并且具有密封效果好、操作力矩小、阀板厚度选择范围大以及密封面压力均勻的优点，而且当阀板完全开启后，由于倒角后的阀板失去了尖角，流体呈现出较好的流线特征，可降噪、降阻。
图1为现有三偏心碟阀的结构示意图。图2为图1的左视图。图3为本实用新型四偏心蝶阀的结构示意图。图4 图5分别为图3中阀板上下端的局部放大图。图6为本实用新型四偏心蝶阀设计流程图。图1和图3均是在与TL平面平行且X = 0的剖面上的剖视图。图中标记为阀板1、阀板中心线101、阀座2、阀板转轴3、阀体4、流道中心线401 角平分线5、第一偏心量a、第二偏心量b、阀板厚度C、阀板转轴的直径为d、第三偏心角α、半锥角β、第四偏心量e、阀门通径D。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。如图3所示，该四偏心蝶阀满足①a彡[(c+d)/2]-c/3 ；②100°彡θ彡90°、 100°彡ω彡90°，其中，“ θ ”为Z ΜΝ0，“ ω”为Z PQ0;③直线丽的延长线与直线QP的延长线之间的角平分线5与Y轴的交点k’偏离从阀板转轴3的轴心0向Y轴所作垂线的垂足k形成了第四偏心量e ；④阀板1顶面和底面的整个边缘通过倒角削去，倒角处阀板1 的剩余厚度为c/5 c/3 ；⑤b为0. OlD 0. 08D。上述方案中，由于倒角使动静密封面之间起密封作用的线段收近到阀板中心线的附近，因此可将阀板转轴3向阀板中心线101靠近，最大的靠近距离设为c/3，故阀板转轴3的直径范围仍位于阀座2的静密封面以外。此时，参数a的选取范围就可从原先的a彡[(c+d)/2]变为a彡[(c+d)/2]-c/30此情况下，最好将参数a设定为(C+dV2> a ^ [(。+(1)/2]-(3/3，即相比与以往3> [(c+d)/2]的情况，减小了阀门开启后阀板与阀板转轴在流道中所占的面积，提高了阀门开启后的流量。上述方案中，由于100°彡θ彡90°、100°彡ω彡90°，因此既能够确保在动静密封面在X = 0的剖面不产生干涉，同时又保证了动静密封面之间较小的挤压角度。当 θ = ω = 90°时动静密封面的挤压夹角最小，因此同等扭矩情况下动静密封面的挤压力就越大，故优选θ = ω = 90°。结合图6所示，该四偏心蝶阀由以下方法设计得到，其步骤为(1)根据阀门工作压力确定参数C，根据阀板开关力矩确定参数d，然后令 a彡[(c+d)/2]_c/3、100°彡θ彡90 °、100°彡ω彡90 °，其中，参数a最好设定为 (c+d)/2 > a ^ [(c+d)/2]-c/3，参数 θ、ω 最好设为 θ = ω = 90° ；(2)将阀板1顶面和底面的整个边缘通过倒角削去，令倒角处阀板1的剩余厚度 (即图6中所示“倒角参数”)为c/5 c/3 ；倒角处阀板1的剩余厚度越小，就越不可能干涉，并且密封效果也越好，因此，此处最好将倒角处阀板1的剩余厚度设为c/5 ；(3)在参数a、C、d、θ、ω以及倒角量已经确定的条件下，通过计算机建模并模拟得到的满足阀板1与阀座2不产生干涉要求的阀板转轴3的轴心0与Y轴距离的最小值
b . ·
k^min，(4)在bmin的基础上增大参数b的值，使得在旋紧阀板1时动密封面对静密封面在直线MN处所产生的压入面积W1与在直线QP处所产生的压入面积W2之和接近在阀板1的与TL平面平行且IXI ^ 0. 97D/2剖面上的压入面积w3，进而确定参数b ；(5)作直线丽的延长线与直线QP的延长线之间的角平分线5，其与Y轴的交点k’ 偏离从阀板转轴3的轴心0向Y轴所作垂线的垂足k形成了第四偏心量e，然后确定第三偏心角α和半锥角β。通过上述方法设计得到的斜切圆锥偏心蝶阀中，由于直线丽的延长线与直线QP 的延长线之间的角平分线5与Y轴的交点k’偏离从阀板转轴3的轴心0向Y轴所作垂线的垂足k，因此形成了第四偏心量e。因此，本实用新型的斜切圆锥偏心蝶阀比传统的三偏心碟阀多出了一个偏心量，因此可称为四偏心碟阀。[0045]上述方法中，参数b的值是在bmin的基础上增大得到，由于bmin是满足阀板1与阀座2不产生干涉要求的阀板转轴3的轴心0与Y轴距离的最小值，因此参数b同样可使阀板1与阀座2不发生干涉。上述方法还将W1与W2之和与W3之间的差异作为衡量动静密封面受压均勻性的具体指标。本实用新型认为，当值越小，则动静密封面受压均勻性越高。因此，在实际设计时，只要确保W1与W2之和接近％，就符合密封面受压均勻的要求。在此之前，评价动静密封面的受压均勻性往往依靠设计者的主观判断，并没有形成客观的评价标准。本实用新型所建立的可作为设计时的目标函数，这也是本实用新型相比现有技术所作出的技术贡献之一。实施例1设四偏心蝶阀的通径D = 600，根据受力分析得到c = 50mm、d = 90mm,然后根据 a = (c+d)/2-c/3 得到 a ^ 50mm。取 θ = ω = 90°，倒角参数取 c/3 ^ 17mm(即倒角处阀板1的剩余厚度约为17mm)，利用计算机建模并通过实验找出bmin ^ 6mm，利用wl+w2-w3 作为目标函数，找到当b = 8mm能使wl+w2-w3的值大致趋近于0，此时b = 0. 013D。阀板 1的设计由此完成。这时，可得到第四偏心距e = 75. 84mm，第三偏心角α =6.72°，半锥角β =16.34°，以作为阀板1和阀座2的加工参数。通过三维设计软件中的干涉检查验证表明，该斜切圆锥偏心蝶阀的动静密封面完全不发生干涉。实施例2在实施例1的基础上，保持参数a、C、d、θ、ω的值不变，但继续增大参数b的值， 当b = 45mm时，目标函数wl+w2-w3的值大致上处于可接受范围的上限，此时b 0. 08D。 这样，可得到第四偏心距e = 131. 33mm，第三偏心角α = 3°，半锥角β = 9°。通过三维设计软件中的干涉检查验证表明，该斜切圆锥偏心蝶阀的动静密封面完全不发生干涉。实施例3在实施例1的基础上，保持参数a、b、C、d、θ、ω的值不变，倒角参数取c/5 = IOmm(即倒角处阀板1的剩余厚度约为IOmm)，由于倒角处阀板1的剩余厚度相比于实施例 1更小，动静密封面之间更趋近于“线密封”，因此密封效果更好。通过三维设计软件中的干涉检查验证表明，该斜切圆锥偏心蝶阀的动静密封面完全不发生干涉。实施例4在实施例1的基础上，保持参数a、b、c、d的值不变，取θ = ω = 100°。这样， 可得到第四偏心距e = 101. 03mm，第三偏心角α = 15°，半锥角β = 10°。通过三维设计软件中的干涉检查验证表明，该斜切圆锥偏心蝶阀的动静密封面完全不发生干涉。
权利要求1.四偏心蝶阀，包括阀座O)、阀板(1)及阀板转轴(3)，所述阀板(1)为一斜切圆锥台，该斜切圆锥台的锥面作为动密封面与阀座(2)上与之配合的静密封面构成一对硬密封副，在以阀板中心线(101)为Z轴、偏心蝶阀的流道中心线001)为Y轴、过Y轴和Z轴交点且平行于阀板转轴⑶的直线为X轴所建立的坐标系中，阀板转轴⑶的轴心0与Z轴的距离为a，阀板转轴(3)的轴心0与Y轴的距离为b，阀板(1)在Y轴方向的厚度为c，阀板转轴⑶的直径为d，阀座⑵的最大孔径为D，若将该阀板⑴的与H平面平行且X = O的剖面的四个端点分别设为M、N、Q和P，则直线MQ的长度等于D，且直线MN的延长线与直线 QP的延长线的交点偏离Y轴，其特征在于①a彡[(c+d)/2]-c/3;②100°彡θ彡90°、 100°彡ω彡90°，其中，“ θ ”为Z ΜΝ0，“ ω”为Z PQ0;③直线丽的延长线与直线QP的延长线之间的角平分线(5)与Y轴的交点k’偏离从阀板转轴(3)的轴心0向Y轴所作垂线的垂足k形成了第四偏心量e ；④阀板(1)顶面和底面的整个边缘通过倒角削去，倒角处阀板(1)的剩余厚度为c/5 c/3 ；⑤b为0. OlD 0. 08D。
2.如权利要求1所述的四偏心蝶阀，其特征在于θ= ω = 90°。
3.如权利要求1所述的四偏心蝶阀，其特征在于(c+d)/2> a彡[(c+d)/2]-c/3。
专利摘要本实用新型公开了一种动静密封面的挤压角度较小且不发生干涉的四偏心蝶阀，它满足①a≥[(c+d)/2]-c/3；②100°≥θ≥90°、100°≥ω≥90°，其中，“θ”为∠MNO，“ω”为∠PQO；③直线MN的延长线与直线QP的延长线之间的角平分线5与Y轴的交点k’偏离从阀板转轴3的轴心O向Y轴所作垂线的垂足k；④阀板1顶面和底面的整个边缘通过倒角削去，倒角处阀板1的剩余厚度为c/5～c/3；⑤b为0.01D～0.08D。该蝶阀解决了动静密封面的干涉问题，并且具有密封效果好、操作力矩小、阀板厚度选择范围大以及密封面压力均匀等优点。
文档编号F16K1/226GK201973255SQ201120090790
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者潘世永 申请人:西华大学