三偏心蝶阀金属密封副干涉三维分析

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1、1前言   蝶阀的三偏心结构密封副型式为圆锥斜切锥面型[1]。结构设计原理如图1所示。其蝶板为圆锥斜切而得。圆锥半锥角为β，三个偏心分别为：蝶板回转中心相对于流道中心的径向偏心α、回转中心相对于蝶板中面的轴向偏心e以及圆锥轴线相对于流道中心线的角度偏心α。   蝶板中面轮廓线为椭圆形，其椭圆方程为[2]：      平行于蝶板中面的前、后截面皆为椭圆，其椭圆的长半轴分别为m1，m2，短半轴为n1，n2。   蝶板关闭时，蝶板与阀座密封面重合(见图1)。当蝶板沿顺时针方向开启，蝶板上各点均绕回转轴L(z=a，x=1)转动，对任一确定的平面y=y0

2、(y0∈[-n1，n1])，与偏心圆锥相交得到一条双曲线，双曲线上任一点c(x，y，z)与回转轴L间的距离为ri。当y值一定，若z＞xtanα时，ri为x的单增函数；而z≤xtanα时，ri为x的单减函数，则蝶板与阀座密封面不会发生干涉，即密封面不干涉条件为：       (2)   2参数干涉检验   上述分析计算过程复杂，人工难于完成，适于计算机程序计算。在设计中一般蝶板直径D0可以预先确定，而D0与H的关系可由下式得出：   D0＝H[tan(α+β)-tan(α-β)]   (3)   N-S结构化程序流程图如图2所示。   程序设计中

3、有关公式详细内容请参阅参考文献[2]。通过大量的数据计算发现，蝶板与阀座干涉的部位大多位于蝶板转轴附近的边角区域，在设计中应格外注意。   3三维运动学干涉拉验   三偏心蝶阀的启闭运动轨迹是一个复杂的三维空间图形，蝶板与阀座在开启与关闭过程中应实现无干涉，但目前国内这种蝶阀设计、制造体系尚不完善。为此，我们考虑采用功能较为强大的三维软件对三偏心蝶阀进行三维实体建模，实现计算机三维可视化仿真，模拟蝶板在开启、关闭过程中的运动，以调整相应参数，实现蝶板与阀座的良好吻合、无干涉启闭、密封副无摩擦及关闭状态无泄漏，最终得到合理的三偏心蝶阀工程设计图。

4、   三维建模软件进行机械设计的核心是零件、工程图和装配体，通过零件造型，进而进行零件装配和出工程图，装配体可实现碰撞检查、动态间隙检查等多项功能。   以直径D0=250mm，a=10mm、e=30mm、b＝10mm、α=10°、β=10°为例，应用三维建模软件进行实体建模，根据α、β、D0、H参数值，作出相关圆锥体草图，由旋转特征得到锥体，据初定板厚b由切除特征得到蝶板，由a、e作出转动轴孔草图，由拉伸特征得到蝶板零件，如图3所示。类似地可作出闹座(图4)、转轴、销等零件。   将四大类零件按装配关系装配，得到三偏心蝶阀装配体(见图5)，在

5、满足轴、销、蝶板装配关系时转动转轴，蝶板随轴共同转动，这时可进行蝶板与阀座的干涉检查。   图6、图7为蝶板全部开启及部分开启时三偏心蝶阀三维模型图，图8为蝶板与阀座发生干涉时所取的模型图。   通过三维建模分析，发现容易发生干涉的部位大多位于蝶阀转轴附近的边角区域(图7所示)。蝶权与阀座是否干涉，取决于蝶板厚度b、径向偏心e、轴向偏心a、锥体轴线偏心角α及半锥角β，而且满足不干涉要求的e、α、β的取值范围很小，尤其是一些大直径碟阀，当蝶板厚度b取值稍大，很难找到蝶板与阀座不发生干涉的合适参量a、e、α、β，这和程序运算所得到的结论一致。   

6、4结束语   (1)三维模型验证了程序判断蝶板与阀座是否发生干涉是可行的。   (2)由程序运算可确定a，e，b，α，β之间的关系及取值范围。   (3)运算不同直径D0所确定的合理的a，e，b，α，β可建立起数据库，通过三维建模软件能实现三维造型的参数化。   (4)将三维建模软件建立的模型导入ANSY、ABAQS等有限元分析软件，可方便地进行在压力、温度耦合作用时蝶板、阀座的应力、变形及强度计算，大大减少了在有限元软件下手工建模的工作量。   (5)创建的三维模型可连接数控机床进行三偏心蝶阀的远程加工。