双偏心蝶阀在冶金系统的应用及相关分析计算.pdf

文章编号 100225855 2007 0420005203 作者简介于成忠1972 - ,男,辽宁省鞍山市人,工程师,从事高炉冶金阀门研究工作。 双偏心蝶阀在冶金系统的应用及相关分析计算 于成忠1,吴明远2 1. 鞍钢股份有限公司炼铁总厂,辽宁 鞍山114000; 2.秦皇岛冶金机械有限公司,河北 秦皇岛066004 摘要 介绍了双偏心蝶阀的发展、结构特点和工作原理,以及在钢铁冶金系统的应用。阐述 了双偏心蝶阀的力矩计算方法和主要零部件的有限元法分析。 关键词 双偏心蝶阀;发展;结构;力矩;刚度 中图分类号 TH134 文献标识码 A Using in system of metallurgy and correlative analysis 2. Qinhuangdao Metallurgical Machinery Co. , Ltd , Qinhuangdao 066004 , China Abstract Detailed introduce development、characteristics of configuration and operating principle of double eccentric butterfly valve , and using in system of metallurgy; primary introduce means of mo2 ment calculate and means of analysis of primary accessories. Key words double eccentric butterfly valve ; development ; structure ; moment ; inflexibility 1 概述 目前,随着我国高炉炼铁设备大型化改造的发 展,双偏心蝶阀得到了广泛的应用。该阀主要用在 公称通径较大、工作压力和启闭压差较低、温度较 高 200 ～350℃的炼铁高炉的预热系统和干法除 尘系统,做助燃空气切断阀、助燃煤气切断阀、热 交换器系统的煤气出入口切断阀、热交换器系统的 烟气出入口切断阀和干法除尘系统的煤气切断阀 等。 2 双偏心蝶阀的发展 双偏心蝶阀是由普通蝶阀为适应不同的工况 工作温度、工作压力而逐步改进形成的。 最早的蝶阀结构形式主要为中心门板结构,类 似于调节蝶阀,即阀杆和蝶板的轴心与阀体管道中 心相重合图 1a 。此种类型的蝶阀密封副由金属 -橡胶组成,通过橡胶的微小压缩在金属阀座上产 生密封比压来实现密封。在长期的工作中,由于阀 体和蝶板的轴端位置始终在橡胶压紧的状态下做相 对的回转运动。因此,长期使用对橡胶密封副存在 磨损。同时,受橡胶使用温度≤120℃和橡胶 阀座加工成形限制公称通径DN≤1 200mm ,此 类蝶阀不能应用于冶金行业较大的管路系统中。 因此,一次偏心蝶阀图 1b 得到开发和应 用。一次偏心蝶阀的密封副沿用了金属-橡胶的结 构形式,金属阀座的结构为圆锥体,橡胶密封圈的 结构为一个以阀杆为中心的球面,通过圆锥面与球 面相切的结构原理实现阀门的开关动作。此结构基 本克服了由于长期的开关动作使阀杆端部位置的磨 损,使原有的磨损由面磨损降低到了点磨损。此类 蝶阀目前广泛的应用于各类水系统中,不能应用于 冶金行业的高温气体介质中。 由于在冶金系统管路中大部分为高温气体介质 ≥200℃ , 针对此而开发和研制了密封副为金属 -金属的金属硬密封蝶阀图1c ,即双偏心金属 硬密封蝶阀。阀座为2Cr13或堆焊硬质合金,蝶板 为弹性密封圈,采用面与面接触、弹性密封圈在电 动装置的作用下产生密封比压使阀门密封。由于密 封副的材料选取为金属,因此双偏心的使用温度可 以在400℃以上。但是,由于密封副为全金属材 料,其密封泄漏量很难达到理想的A级无可见 52007年第4期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 泄漏 , 一般为C级。另一方面,由于材料弹性的 限制,在高温情况下,金属的弹性很容易失去,所 以,在使用一段时间后,阀门的内泄漏明显加大, 从而失去了阀门密封的意义,造成阀门的使用寿命 明显缩短。 多层次双偏心金属硬密封蝶阀的开发解决了高 温材料失去弹性的问题图 1d 。多层次双偏心金 属硬密封蝶阀的密封圈材料为一种复合材料金属 和非金属夹层 , 具有耐高温≤500℃、耐老化 和高温下具有良好的弹性等优点,尤其是中间的非 金属夹层能够使密封副的密封产生梯级密封形式。 经过长期的使用,仍能保持良好可靠的高温使用效 果,从而延长了阀门的使用寿命。在冶金高炉的各 个系统得到了广泛的应用。 由于多层次双偏心金属硬密封蝶阀的应用工况大 部分为高温下的常开或常关状态。在阀门几个月甚至 一年的常开的状态下,介质对蝶板的进口侧密封圈存 在着长时间的介质冲刷情况。此类的冲刷对非金属层 是极为不利的,一旦需要阀门关闭,在此位置上将产 生严重的局部泄漏。针对此情况,将多层次密封圈的 位置由原有的蝶板位置改在了阀体密封副位置,蝶板 密封圈处堆焊硬质合金图1e ,避免了上述问题的 发生。此蝶阀的开发和研制,被冶金高炉的各高温系 统广泛的应用。 a普通蝶阀 b一次偏心蝶阀 c双偏心金属硬密封蝶阀 d多层次密封圈 e密封圈嵌入阀体 图1 蝶阀 3 工作原理 普通蝶阀在理论上为线接触密封,而多层次双 偏心金属硬密封蝶阀由于存在二次偏心阀杆位置 上移 , 而使密封副的位置由原有的线形而形成了 一个较宽的环带图 2 。密封副的面接触只要在 这个环带中,即可实现密封,而不使蝶板在开启时 产生任何的卡阻。 图2 密封环 在蝶板开启的过程中,普通蝶阀的蝶板密封各 点是沿着圆锥阀座母线的相切轨迹方向移动,密封 副间有一段相对的平移,摩擦力矩较大。而双偏心 金属硬密封蝶阀密封副间的平移非常小,面接触密 封的各点同时沿着圆锥阀座母线的相切轨迹方向以 内迅速脱离图 3 。因此,摩擦力矩很小,有效 的减小了密封副间的磨损。 图3 密封副 4 力矩计算 双偏心金属硬密封蝶阀的启闭力矩由开启瞬间 6 阀 门 2007年第4期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 密封面间的摩擦力矩Mm、阀杆两侧轴套的摩擦力 矩MZT、二次偏心力矩Mp和填料的摩擦力矩MT 等组成。 MmQmR1 MZTπ 4 D2pQGμ dF 2 2 MpFpe3 MTQT dF 2 4 式中 Mm 阀门开启瞬间密封面间的摩擦力 矩, Nm Qm 密封面间的摩擦力, N QmπDbmqmff D 密封面直径, mm bm 密封面宽度, mm qmf 密封比压, qmf 4 016p bm f 摩擦系数 R 力臂, mm R 0 17071Rm 2 h2当蝶板与阀杆 存在一次偏心时 Rm 蝶板半径, mm h 一次偏心距离, mm MZT 阀杆两侧轴套的摩擦力矩, Nm P 公称压力, MPa QG 蝶板机构的总质量包括蝶板、阀 杆 , kg μ 摩擦系数 dF 阀杆直径, mm Fp 开启瞬间作用在蝶板上的总介质力, MPa Fp π 4 D2p e 二次偏心距离, mm QT 填料处的摩擦力, N QTψdFbTp ψ 系数 bT 填料宽度, mm 式4计算的填料的摩擦力矩MT为阀杆一 侧的摩擦力矩,如果蝶阀两侧均有填料,其结果应 为计算值的2倍。 阀门开启时的总力矩M为 ∑MMmMZTMpMT5 阀门选择传动装置时的力矩Md为 Md 1125∑M6 5 阀杆强度校核 当蝶板处于关闭状态,在开启的瞬间,阀杆所 受的弯矩和扭矩最大图4 ,阀杆的一端视为镶 嵌在蝶板内部,另一端为悬臂梁,对与传动装置连 接的阀杆进行计算。阀杆承受弯曲和扭转两种应 力。阀杆所受的总弯矩M′ 为 M′Mw2 MH2 式中 Mw 阀杆所受的弯矩, Nm Mw 1 2 π 4 D2pX X 力臂, mm XCL/ 3 C 阀体和蝶板之间的距离, mm MH 阀杆受到的开启力矩, Nm 图4 阀杆受力分析 阀杆截面模量W为 W π 32 d3 则阀杆的弯曲应力δ为 δ M W [δΣ] 6 蝶板刚度分析 在蝶阀的主体零部件设计过程中,蝶板的刚度 是非常重要的。它是保证阀门正常开启和关闭密封 的基础。因此,在设计的过程中,普遍的选用 Solidworks/ Cosmos或Ansys等计算机软件进行有 下转第13页 72007年第4期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. JB/ T 852721997中规定的阀座最小通径取值。 215 圆锥顶角2θ的选取 蝶板的锥度与所选的密封材料的摩擦系数μ 有关,以保证阀门在关闭位置时实现自锁,根据机 械原理知, tg2θμ。对于石棉基材料与铸铁或钢 的摩擦系数有两种情况。无润滑时 μ 0125～ 0140 ,有润滑时μ 0108～0112。 3 结构参数计算 蝶板几何参数可以利用Excel提供的函数和公 式计算功能计算图 3 。首先新建一个Excel文 档,将蝶板角度θφ,厚度E和蝶板小端短轴Bs 三个参数选定,然后在各单元格中输入相关的计算 数值和公式就可以自动得出其他值。 图4 DN200蝶板 图5 DN150蝶板 如在B2、B3和B4单元格中分别输入数值,θ 9 ,E 18 ,Bs 190 ,在B5～B12单元格中分 别输入公式 B5 B4/ TG RADIANS 23 B2 3SQRT COS RADIANS 23B2 B6 B43COS RADIANS B2 / SQRT COS RADIANS 23 B2 B7 B6 B33TG RADIANS 23 B2 B8 B73SQRT COS RADIANS 23B2 / COS RADIANS B2 B9 B7/ 2 3COS RADIANS B2 B10 B7/ TG RADIANS 23 B2 B11 B73 1 2B3/ 2 3B10 B12 B113SQRT COS RADIANS 23B2 / COS RADIANS B2 则在B5～B12的单元格中显示出公式计算的 结果。 在C2、C3和C4单元格中分别输入θ 10 ,E 15 ,Bs 144 ,然后选中B5～B12单元格复制, 粘贴到C5～C12单元格中,公式会自动复制到C 列并自动得出计算结果。 利用CAD软件做图4和图5 ,输入 θ、E、 As,与图3中的数据进行比较,去除小数点最后 一位精度的影响,则两种方法获得的数据是一致的 图中没有蝶板的三个短轴尺寸。 4 结语 通过计算分析三偏心蝶阀锥形蝶板结构的几何 参数关系,确定了沿蝶板厚度的截面为椭圆形。如 果利用Excel对蝶板几何参数的公式进行编辑,既 方便了计算,又节省了大量的时间。 参考文献 〔1〕杨源泉.阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔2〕日日花弘子.Excel函数与公式词典 〔M〕.北京中国青 年出版社, 2007. 收稿日期 20071031 19 上接第7页 限元分析。以此获得在正常工作压力和温度下蝶板 的最大应力和变形值,用以指导蝶板结构设计。 7 结语 双偏心金属硬密封蝶阀结构紧凑,零部件少, 体积小,质量轻,耐高温,启闭灵活,安装方便快 捷,操作简单,密封可靠,在长期的工作状态下可 实现零泄漏,有效的提高了阀门的使用寿命,节约 了成本。该产品已广泛应用在高炉冶金工况系统 中。 参考文献 〔1〕 杨源泉.阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔2〕 成大先.机械设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2000. 收稿日期 20071041 12 312007年第4期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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