專利名稱：四偏心蝶閥的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及金屬硬密封偏心蝶閥，尤其涉及斜切圓錐臺閥板及與該閥板配合的閥座。
背景技術：
理想的硬密封蝶閥應符合以下三項要求1)閥板在完全關閉前的運動過程中，任何一點都不能與閥座的靜密封面接觸，否則即形成干涉；而關閉后，閥板的動密封面與閥座的靜密封面又必須完全貼合，即動靜密封面應為相同的幾何面。2)若操作閥板沿關閉方向繼續運動(即旋緊閥板)，此過程中動密封面能向靜密封面施加微小的壓入，以產生足夠的密封比壓，否則不能很好地密封。幻動密封面對靜密封面所產生的壓入量最好在整個密封面上是均勻的。為了滿足上述要求，硬密封蝶閥經歷了不斷的發展。早期的蝶閥沒有采用任何偏心設計，其動靜密封面采用以閥板轉軸的軸心旋轉的球面，并且閥板轉軸定于閥板的幾何中心上。因此，該蝶閥僅僅能夠滿足上述要求中的第1) 項。并且，由于閥板轉軸的直徑范圍位于閥座的靜密封面以內，因此還必須考慮閥板轉軸直徑范圍的孔區的密封問題，增加了蝶閥結構的復雜性。此后出現了雙偏心蝶閥。雙偏心蝶閥的動靜密封面仍采用以閥板轉軸的軸心旋轉的球面，但其閥板轉軸的軸心不僅偏離了閥板中心線(即產生第一偏心量a)，并且還偏離了蝶閥的流道中心線(即產生第二偏心量b)。第一偏心量a的作用是使閥板轉軸的直徑范圍能夠位于閥座的靜密封面以外。為此，第一偏心量a必須大于或等于(c+d)/2(閥板厚度為c，閥板轉軸的直徑為d)。第二偏心量b的作用是制造出一個運動物體與運動空間的不對稱度，以滿足旋緊閥板時動密封面向靜密封面施加微小的壓入的要求。但第二偏心量b 過大會造成密封面受壓不均，因此第二偏心量b的值可由密封面受壓均勻情況來確定。雙偏心蝶閥能夠滿足上述要求中的第1) 2)項，并且解決了無偏心蝶閥設計上必須考慮閥板轉軸直徑范圍孔區密封的問題。但是，由于雙偏心蝶閥的密封面仍為球面，故閥板與閥座的加工存在一定難度。由此誕生了三偏心蝶閥。三偏心蝶閥相比于雙偏心蝶閥，在保留了第一偏心量a 和第二偏心量b的基礎上，將閥板上的動密封面以及閥座上與其配合的靜密封面設計成易于加工的錐面，并因此產生了第三偏心角α。如圖1 2所示，為具體說明三偏心蝶閥的結構，現以閥板中心線101為Z軸、偏心蝶閥的流道中心線401為Y軸、過Y軸和Z軸交點且平行于閥板轉軸3的直線為X軸建立坐標系，則閥板轉軸3的軸心0與Z軸的距離為a(即第一偏心量a)，閥板轉軸3的軸心0與Y軸的距離為b (即第二偏心量b)，閥板1在Y軸方向的厚度為c，閥板轉軸3的直徑為d，閥座2的最大孔徑為D(即蝶閥的通徑為D)。如圖1所示，若將該閥板1的與H平面平行且X = 0的剖面的四個端點分別設為 M、N、Q和P，則直線MQ的長度即等于D ；同時，由于閥板1上任意一點均繞閥板轉軸3的軸心0作圓運動，要使閥板1上的N和Q點在關閉前與靜密封面的對應線段MN和QP不產生干涉，則必有θ彡90° (設θ = Z ΜΝ0)，ω彡90° (設ω = Z PQ0)，從而使直線麗的延長線與直線QP的延長線的交點偏離Y軸，形成第三偏心角α。由于第三偏心角α的存在，閥板1必為一個斜切圓錐臺。顯然，該斜切圓錐臺的旋轉加工軸心線就是直線MN的延長線與直線QP的延長線的角平分線5。第三偏心角α以及該斜切圓錐臺的半錐角β是加工該斜切圓錐臺必不可少的加工參數。目前在設計三偏心蝶閥的閥板時，共涉及六項參數的選取，即上述的第一偏心量 a、第二偏心量b、閥板厚度C，閥板轉軸的直徑d、第三偏心角α以及半錐角β。其中，參數 c根據閥門工作壓力確定，參數d由閥板開關力矩確定。上面提到，第一偏心量a的作用是使閥板轉軸的直徑范圍能夠位于閥座的靜密封面以外，因此第一偏心量a必須大于或等于 (c+d)/2 ；第二偏心量b的作用滿足旋緊閥板時動密封面向靜密封面施加微小的壓入的要求，但第二偏心量b過大又會造成密封面受壓不均，因此第二偏心量b的值可由密封面受壓均勻情況來確定。在大致確定參數c、d、a、b的取值后，就涉及到第三偏心角α以及半錐角β的取值問題。再次結合圖1可以發現，可能是出于方便設計的原因，以往的設計者都直接將直線MN的延長線與直線QP的延長線的角平分線5與Y軸的交點設定在從閥板轉軸3的軸心0向Y軸所作垂線的垂足k上。這樣，只要確定了M點和k點的位置并選定參數θ和參數α，就可以得到斜切圓錐臺的旋轉加工軸心線以及N點和參數β。M點的位置可由D/2 得到；而k點是閥板轉軸3的軸心0向Y軸所作垂線的垂足，故可由參數a得到；雖然參數 θ >90°時在X = O的剖面不產生干涉，但考慮到當θ =90°時動靜密封面的擠壓夾角最小，同等扭矩情況下動靜密封面的擠壓力就越大，因此最好將θ取為90°或略大于90°。 這時，就只剩下對參數α的選取了。實際上，無論怎么選擇三偏心角α，都不可能完全解決動靜密封面的干涉問題。這是因為，圖1所示的情形只能確保動靜密封面在與TL平面平行且X = 0的剖面上不產生干涉，但并不能使所有與H平面平行且Ixl興0的其他剖面均不產生干涉。此時，要解決動靜密封面的干涉問題，只有將參數θ增大到不可接受的程度，不僅使動靜密封面的擠壓夾角變得很大，而且導致閥板1薄得不能承壓。已有研究發現，調整參數a、b、α和β能夠擴大動靜密封面不發生干涉的范圍。 因此，目前所見三偏心蝶閥的優化參數研究的幾乎都集中在搜索a、b、α和β四項參數方面。比如，發表于《流體機械》2003年第35卷第5期上，作者為梁瑞等的論文“三偏心結構蝶閥金屬密封副干涉幾何學分析”中提出，α應為5° 10°、β 8°。又如，實用新型專利號“02159988. 2”中，利用ANSYS軟件搜索最優，其目標函數為無壓狀態下，摩擦扭矩T 最小，這就是在找閥板運動過程中動靜密封面的干涉體積最小的參數配合。然而，論文“三偏心結構蝶閥金屬密封副干涉幾何學分析”中提出，當閥板厚度c較大時根本就不可能搜索到完全滿足不干涉條件的a、b、α和β四項參數。
實用新型內容本實用新型旨在提供一種動靜密封面的擠壓角度較小且不發生干涉的四偏心蝶閥。該四偏心蝶閥包括閥座、閥板及閥板轉軸，所述閥板為一斜切圓錐臺，該斜切圓錐臺的錐面作為動密封面與閥座上與之配合的靜密封面構成一對硬密封副，在以閥板中心線為Z軸、偏心蝶閥的流道中心線為Y軸、過Y軸和Z軸交點且平行于閥板轉軸的直線為X軸所建立的坐標系中，閥板轉軸的軸心0與Z軸的距離為a，閥板轉軸的軸心0與Y軸的距離為b，閥板在Y軸方向的厚度為c，閥板轉軸的直徑為d，閥座的最大孔徑為D，若將該閥板的與TL平面平行且X = 0的剖面的四個端點分別設為M、N、Q和P，則直線MQ的長度等于 D，且直線MN的延長線與直線QP的延長線的交點偏離Y軸，該斜切圓錐偏心蝶閥還滿足 ①a 彡[(c+cO/^-c/S ；② 100° 彡 θ 彡90° UOO0 彡 ω 彡 90°，其中，“ θ ” 為 Z ΜΝΟ， “ ω ”為Z PQO ；③直線MN的延長線與直線QP的延長線之間的角平分線與Y軸的交點k’偏離從閥板轉軸的軸心O向Y軸所作垂線的垂足k形成了第四偏心量e ；④閥板頂面和底面的整個邊緣通過倒角削去，倒角處閥板的剩余厚度為c/5 c/3 ；⑤b為0. OlD 0. 08D。由于當閥板的厚度c較小時可以找到滿足動靜密封面不干涉的a、b、α和β四項參數，因此，本申請的實用新型人意識到，可以通過倒角的辦法先將閥板頂面和底面的整個邊緣削去，其防干涉的效果與減小閥板的厚度c相似，但又能夠保證閥板的強度。在此基礎上，實用新型人進行了大量的研究并發現，在根據閥門工作壓力確定參數c，根據閥板開關力矩確定參數d，并令a彡[(c+d)/2]-c/3、100°彡θ彡90°、100°彡ω彡90°以及 b為0. OlD 0. 08D的情況下，如果將倒角處閥板的剩余厚度設置在c/5 c/3這一范圍， 就可以解決動靜密封面的干涉問題。實際上，通過閥板倒角還可以帶來以下有益效果。首先，倒角能使動靜密封面之間起密封作用的線段變短，趨近于所謂的“線密封”，以達到更好的密封效果；其次，倒角后閥板失去尖角，閥門開啟時通過閥門的流體會呈現較好的流線特征；還有，通過倒角使動靜密封面之間起密封作用的線段收近到閥板中心線的附近，這樣既可以選擇適當的加粗閥板轉軸的直徑使其能夠承受更大的彎矩，同時也可選擇將閥板轉軸向閥板中心線靠近，最大的靠近距離設為c/3，因此，參數a的選取范圍就可從原先的a彡[(c+d)/2]變為 a ^ [(c+d)/2]-c/3，這樣，還可以將參數a設定為(c+d)/2>a^ [ (c+d)/2] _c/3，即相比與以往[(c+d)/2]的情況，減小了閥門開啟后閥板與閥板轉軸在流道中所占的面積，提高了閥門開啟后的流量。在上述技術方案中，由于100°彡θ彡90°、100°彡ω彡90°，因此既能夠確保在動靜密封面在X = O的剖面不產生干涉，同時又保證了動靜密封面之間較小的擠壓角度。 當θ = ω = 90°時動靜密封面的擠壓夾角最小，因此同等扭矩情況下動靜密封面的擠壓力就越大，故本實用新型優選θ = ω = 90°。另外，本實用新型還提供了一種斜切圓錐偏心蝶閥的設計方法。本實用新型的四偏心蝶閥即由該方法所設計得到。因此，該方法又可稱為四偏心偏心蝶閥的設計方法。該方法不僅大大提高了斜切圓錐偏心蝶閥的設計效率，并且可設計出靜密封面的擠壓角度較小且不發生干涉、密封面受壓均勻的斜切圓錐偏心蝶閥。其具體包括如下步驟(1)根據閥門工作壓力確定參數C，根據閥板開關力矩確定參數d，然后令 a 彡[(c+d)/2]-c/3、100° ^ θ ^ 90° ,100° ^ ω ^ 90° ；(2)將閥板頂面和底面的整個邊緣通過倒角削去，令倒角處閥板的剩余厚度為 c/5 c/3 ；(3)在上述參數a、C、d、θ、ω以及倒角量已經確定的條件下，通過計算機建模并模擬得到的滿足閥板與閥座不產生干涉要求的閥板轉軸的軸心O與Y軸距離的最小值Dmin >(4)在bmin的基礎上增大參數b的值，使得在旋緊閥板時動密封面對靜密封面在直線MN處所產生的壓入面積W1與在直線QP處所產生的壓入面積W2之和接近在閥板的與TL 平面平行且|X| ^ 0. 97D/2剖面上的壓入面積w3，進而確定參數b ；(5)作直線麗的延長線與直線QP的延長線之間的角平分線，其與Y軸的交點k’ 偏離從閥板轉軸的軸心0向Y軸所作垂線的垂足k形成了第四偏心量e，然后確定第三偏心角α和半錐角β。上述方法的設計過程中并不依靠第三偏心角α和半錐角β的取值來確定閥板的形狀，而是通過確定參數a、b、c、d、θ、ω來決定閥板的形狀。整個設計階段只有一項參數 b需通過實驗得到(通過實用新型人多次試驗，b參數的取值應為0.01D 0.08D)。因此， 該方法并不需要將直線MN的延長線與直線QP的延長線的角平分線與Y軸的交點設定在從閥板轉軸的軸心0向Y軸所作垂線的垂足k上。實際上，由該方法設計得到的斜切圓錐偏心蝶閥中的直線MN的延長線與直線QP 的延長線之間的角平分線與Y軸的交點k’將偏離從閥板轉軸的軸心0向Y軸所作垂線的垂足k，從而形成了第四偏心量e。此時的第四偏心量e、第三偏心角α以及半錐角β的取值都是在閥板形狀已經設計好后再經過計算得到的數據。由于第三偏心角α以及半錐角 β作為閥板加工時必須的加工參數，因此須從上述方法的步驟(5)中獲得。上述方法中，由于當θ = ω = 90°時設計出的斜切圓錐偏心蝶閥的動靜密封面的擠壓夾角最小，因此同等扭矩情況下動靜密封面的擠壓力就越大，故該方法優選θ = ω =90°。上述方法中，由于閥板的倒角使動靜密封面之間起密封作用的線段收近到閥板中心線的附近，因此最好將參數a設定為(c+d)/2>a> [(c+d)/2]-c/3，即相比與以往將參數a設定為[(c+d)/2]的情況，減小了閥門開啟后閥板與閥板轉軸在流道中所占的面積，從而提高了閥門開啟后的流量。本實用新型的有益效果是本實用新型的設計方法能夠大大降低斜切圓錐偏心蝶閥的設計難度，能容易的得到最優的設計參數，所設計的四偏心蝶閥不僅解決了動靜密封面的干涉問題，并且具有密封效果好、操作力矩小、閥板厚度選擇范圍大以及密封面壓力均勻的優點，而且當閥板完全開啟后，由于倒角后的閥板失去了尖角，流體呈現出較好的流線特征，可降噪、降阻。
圖1為現有三偏心碟閥的結構示意圖。圖2為圖1的左視圖。圖3為本實用新型四偏心蝶閥的結構示意圖。圖4 圖5分別為圖3中閥板上下端的局部放大圖。圖6為本實用新型四偏心蝶閥設計流程圖。圖1和圖3均是在與TL平面平行且X = 0的剖面上的剖視圖。圖中標記為閥板1、閥板中心線101、閥座2、閥板轉軸3、閥體4、流道中心線401 角平分線5、第一偏心量a、第二偏心量b、閥板厚度C、閥板轉軸的直徑為d、第三偏心角α、半錐角β、第四偏心量e、閥門通徑D。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步的說明。如圖3所示，該四偏心蝶閥滿足①a彡[(c+d)/2]-c/3 ；②100°彡θ彡90°、 100°彡ω彡90°，其中，“ θ ”為Z ΜΝ0，“ ω”為Z PQ0;③直線麗的延長線與直線QP的延長線之間的角平分線5與Y軸的交點k’偏離從閥板轉軸3的軸心0向Y軸所作垂線的垂足k形成了第四偏心量e ；④閥板1頂面和底面的整個邊緣通過倒角削去，倒角處閥板1 的剩余厚度為c/5 c/3 ；⑤b為0. OlD 0. 08D。上述方案中，由于倒角使動靜密封面之間起密封作用的線段收近到閥板中心線的附近，因此可將閥板轉軸3向閥板中心線101靠近，最大的靠近距離設為c/3，故閥板轉軸3的直徑范圍仍位于閥座2的靜密封面以外。此時，參數a的選取范圍就可從原先的a彡[(c+d)/2]變為a彡[(c+d)/2]-c/30此情況下，最好將參數a設定為(C+dV2> a ^ [(。+(1)/2]-(3/3，即相比與以往3> [(c+d)/2]的情況，減小了閥門開啟后閥板與閥板轉軸在流道中所占的面積，提高了閥門開啟后的流量。上述方案中，由于100°彡θ彡90°、100°彡ω彡90°，因此既能夠確保在動靜密封面在X = 0的剖面不產生干涉，同時又保證了動靜密封面之間較小的擠壓角度。當 θ = ω = 90°時動靜密封面的擠壓夾角最小，因此同等扭矩情況下動靜密封面的擠壓力就越大，故優選θ = ω = 90°。結合圖6所示，該四偏心蝶閥由以下方法設計得到，其步驟為(1)根據閥門工作壓力確定參數C，根據閥板開關力矩確定參數d，然后令 a彡[(c+d)/2]_c/3、100°彡θ彡90 °、100°彡ω彡90 °，其中，參數a最好設定為 (c+d)/2 > a ^ [(c+d)/2]-c/3，參數 θ、ω 最好設為 θ = ω = 90° ；(2)將閥板1頂面和底面的整個邊緣通過倒角削去，令倒角處閥板1的剩余厚度 (即圖6中所示“倒角參數”)為c/5 c/3 ；倒角處閥板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，此處最好將倒角處閥板1的剩余厚度設為c/5 ；(3)在參數a、C、d、θ、ω以及倒角量已經確定的條件下，通過計算機建模并模擬得到的滿足閥板1與閥座2不產生干涉要求的閥板轉軸3的軸心0與Y軸距離的最小值
b . ·
k^min，(4)在bmin的基礎上增大參數b的值，使得在旋緊閥板1時動密封面對靜密封面在直線MN處所產生的壓入面積W1與在直線QP處所產生的壓入面積W2之和接近在閥板1的與TL平面平行且IXI ^ 0. 97D/2剖面上的壓入面積w3，進而確定參數b ；(5)作直線麗的延長線與直線QP的延長線之間的角平分線5，其與Y軸的交點k’ 偏離從閥板轉軸3的軸心0向Y軸所作垂線的垂足k形成了第四偏心量e，然后確定第三偏心角α和半錐角β。通過上述方法設計得到的斜切圓錐偏心蝶閥中，由于直線麗的延長線與直線QP 的延長線之間的角平分線5與Y軸的交點k’偏離從閥板轉軸3的軸心0向Y軸所作垂線的垂足k，因此形成了第四偏心量e。因此，本實用新型的斜切圓錐偏心蝶閥比傳統的三偏心碟閥多出了一個偏心量，因此可稱為四偏心碟閥。[0045]上述方法中，參數b的值是在bmin的基礎上增大得到，由于bmin是滿足閥板1與閥座2不產生干涉要求的閥板轉軸3的軸心0與Y軸距離的最小值，因此參數b同樣可使閥板1與閥座2不發生干涉。上述方法還將W1與W2之和與W3之間的差異作為衡量動靜密封面受壓均勻性的具體指標。本實用新型認為，當值越小，則動靜密封面受壓均勻性越高。因此，在實際設計時，只要確保W1與W2之和接近％，就符合密封面受壓均勻的要求。在此之前，評價動靜密封面的受壓均勻性往往依靠設計者的主觀判斷，并沒有形成客觀的評價標準。本實用新型所建立的可作為設計時的目標函數，這也是本實用新型相比現有技術所作出的技術貢獻之一。實施例1設四偏心蝶閥的通徑D = 600，根據受力分析得到c = 50mm、d = 90mm,然后根據 a = (c+d)/2-c/3 得到 a ^ 50mm。取 θ = ω = 90°，倒角參數取 c/3 ^ 17mm(即倒角處閥板1的剩余厚度約為17mm)，利用計算機建模并通過實驗找出bmin ^ 6mm，利用wl+w2-w3 作為目標函數，找到當b = 8mm能使wl+w2-w3的值大致趨近于0，此時b = 0. 013D。閥板 1的設計由此完成。這時，可得到第四偏心距e = 75. 84mm，第三偏心角α =6.72°，半錐角β =16.34°，以作為閥板1和閥座2的加工參數。通過三維設計軟件中的干涉檢查驗證表明，該斜切圓錐偏心蝶閥的動靜密封面完全不發生干涉。實施例2在實施例1的基礎上，保持參數a、C、d、θ、ω的值不變，但繼續增大參數b的值， 當b = 45mm時，目標函數wl+w2-w3的值大致上處于可接受范圍的上限，此時b 0. 08D。 這樣，可得到第四偏心距e = 131. 33mm，第三偏心角α = 3°，半錐角β = 9°。通過三維設計軟件中的干涉檢查驗證表明，該斜切圓錐偏心蝶閥的動靜密封面完全不發生干涉。實施例3在實施例1的基礎上，保持參數a、b、C、d、θ、ω的值不變，倒角參數取c/5 = IOmm(即倒角處閥板1的剩余厚度約為IOmm)，由于倒角處閥板1的剩余厚度相比于實施例 1更小，動靜密封面之間更趨近于“線密封”，因此密封效果更好。通過三維設計軟件中的干涉檢查驗證表明，該斜切圓錐偏心蝶閥的動靜密封面完全不發生干涉。實施例4在實施例1的基礎上，保持參數a、b、c、d的值不變，取θ = ω = 100°。這樣， 可得到第四偏心距e = 101. 03mm，第三偏心角α = 15°，半錐角β = 10°。通過三維設計軟件中的干涉檢查驗證表明，該斜切圓錐偏心蝶閥的動靜密封面完全不發生干涉。
權利要求1.四偏心蝶閥，包括閥座O)、閥板(1)及閥板轉軸(3)，所述閥板(1)為一斜切圓錐臺，該斜切圓錐臺的錐面作為動密封面與閥座(2)上與之配合的靜密封面構成一對硬密封副，在以閥板中心線(101)為Z軸、偏心蝶閥的流道中心線001)為Y軸、過Y軸和Z軸交點且平行于閥板轉軸⑶的直線為X軸所建立的坐標系中，閥板轉軸⑶的軸心0與Z軸的距離為a，閥板轉軸(3)的軸心0與Y軸的距離為b，閥板(1)在Y軸方向的厚度為c，閥板轉軸⑶的直徑為d，閥座⑵的最大孔徑為D，若將該閥板⑴的與H平面平行且X = O的剖面的四個端點分別設為M、N、Q和P，則直線MQ的長度等于D，且直線MN的延長線與直線 QP的延長線的交點偏離Y軸，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 ”為Z ΜΝ0，“ ω”為Z PQ0;③直線麗的延長線與直線QP的延長線之間的角平分線(5)與Y軸的交點k’偏離從閥板轉軸(3)的軸心0向Y軸所作垂線的垂足k形成了第四偏心量e ；④閥板(1)頂面和底面的整個邊緣通過倒角削去，倒角處閥板(1)的剩余厚度為c/5 c/3 ；⑤b為0. OlD 0. 08D。
2.如權利要求1所述的四偏心蝶閥，其特征在于θ= ω = 90°。
3.如權利要求1所述的四偏心蝶閥，其特征在于(c+d)/2> a彡[(c+d)/2]-c/3。
專利摘要本實用新型公開了一種動靜密封面的擠壓角度較小且不發生干涉的四偏心蝶閥，它滿足①a≥[(c+d)/2]-c/3；②100°≥θ≥90°、100°≥ω≥90°，其中，“θ”為∠MNO，“ω”為∠PQO；③直線MN的延長線與直線QP的延長線之間的角平分線5與Y軸的交點k’偏離從閥板轉軸3的軸心O向Y軸所作垂線的垂足k；④閥板1頂面和底面的整個邊緣通過倒角削去，倒角處閥板1的剩余厚度為c/5～c/3；⑤b為0.01D～0.08D。該蝶閥解決了動靜密封面的干涉問題，并且具有密封效果好、操作力矩小、閥板厚度選擇范圍大以及密封面壓力均勻等優點。
文檔編號F16K1/226GK201973255SQ201120090790
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者潘世永 申請人:西華大學