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新聞詳情
2018/7/1
四連桿蝶閥桿系結構特點分析
1、連桿蝶閥又叫四連桿蝶閥,作為一種切斷蝶閥,它具有體積小、重量輕、動作靈活、密封性好等優點,主要應用于冶金、石化、化工、電力等行業。近幾年中國連桿蝶閥的設計制造有了很大發展,連桿蝶閥的設計也趨于成熟。但在大通徑、高壓力、快速啟閉等方面還與國外有一定的差距。在連桿蝶閥的設計中對連桿機構特性的深入研究,可以更大地挖掘出它的優勢,使中國連桿蝶閥的性能提升到一個新的高度。2、結構特點如圖1所示,連桿蝶閥主要由驅動裝置、閥板、閥體、閥軸、桿系和軸端密封等部件組成。閥門的啟閉是靠驅動裝置驅動閥軸帶動四連桿機構運動實現的。閥軸旋轉使閥板開啟,當閥板與管道中心平行,閥門處于全開狀態;閥軸反方向旋轉使閥板關閉,當閥板與閥體的密封面平行接觸直至壓緊密封,此時閥門完全關閉。圖1連桿蝶閥結構圖3、研究方向連桿蝶閥的設計主要是考慮連桿機構,軸端密封和閥板結構和材料等方面。在閥板結構,連桿和內部固體自潤滑軸承材質方面,國內的設計者進行了大量的研究和實驗,目前連桿蝶閥的可靠性和使用壽命都有了很大的提高,已與國外的產品性能相當。但在大通徑、高壓力、快速啟閉等方面還與國外有一定的差距。連桿蝶閥桿系的微小變化,都對閥門的性能有很大的影響,所以只有對連桿蝶閥的連桿機構進行深入的分析和研究,充分了解和掌握它的運動特性,才能設計和制造出超過國外水平的高性能連桿蝶閥。下面對連桿蝶閥的四連桿機構進行模擬,對它的運動特性進行分析。4、四連桿機構的運動分析4.1運動特性分析閥板的運動是由圖2所示的桿系驅動的,這些桿系組成一個四連桿機構。一般認為閥板在四連桿機構帶動下先平動,然后轉動。由于四連桿機構的復雜性,所以在連桿蝶閥的設計中,設計者常常使用CAD或其它一些軟件簡單模擬閥板運動軌跡(圖3),來驗證在開關過程中,桿系間、閥板和閥體間是否存在干涉。而沒有對閥板在運動中的詳細軌跡和過程中的一些特點進行分析。下面將使用SolidWorksMotion對閥板的運動軌跡進行模擬,得到詳細的運動軌跡曲線,來研究閥板在運動過程中的特點。本文在分析中假定閥板的啟閉時間是30秒,并且從開啟到關閉過程閥軸正好勻速轉動90度。以圖2所示,標記閥板上端點為A點,下端點為B點,則A、B點所形成的直線L與豎直面所形成的夾角α就是閥板的傾角。使用SolidWorksMotion對A、B兩點所形成的直線L進行分析,得到圖4所示的閥板角度隨時間變化曲線。從圖4中可以看出,閥板運動符合先平動后轉動的規律。對閥板平動部分曲線進行放大(圖5)發現,其實在閥板平動的同時先反方向轉動一個小角度,然后才開始轉動打開,并且閥軸在勻速驅動時,打開速度逐漸加快。為了對上面的這個特點進行深入分析,下面再次使用SolidWorksMotion對A、B點的運動進行分析,得到圖6所示A、B點水平坐標隨時間變化曲線。通過這兩條曲線,可以看出,在前8秒內,A、B兩點的曲線幾乎重合,并且傾斜角度很小,說明在這段時間內閥板接近豎直,而且運行速度較慢,比較平穩;8秒之后閥板開始快速轉動打開。對前8秒曲線進行放大(圖7),可以看到A、B兩點有兩個重合位置(0秒、6.6秒)。在這兩個位置,閥板處于豎直狀態,也就是說閥門的關閉位置既可以設在第一個重合點上,也可以設在第二個重和點上。當閥軸轉速相同時,以第二個豎直位置為閥門的關閉時間比第一個位置短22%,同時閥軸轉動角度小22%。4.2兩個位置計算比較分別以上述兩個位置設計閥1和閥2,它們的驅動力矩分別為T1、T2,驅動轉速為ω1、ω2,啟閉時間為t1、t2,驅動角度為α1、α2。由上面分析可得0.78×α1=α2閥門所需驅動力可按下列公式計算:(1)式中T———驅動力矩,N•m;D———閥板直徑,m;ΔP———閥板兩側介質壓差,MPa;R———主軸偏心矩,m;Q———閥板自重,N;f———鉸鏈間的摩擦系數;k———安全系數,一般取1.1~1.2。由公式(1)可得:T1=T2,既兩個位置的驅動力相同。P=T×ω(2)式中P———驅動功率,W;ω———驅動轉速,rad/s。α=t×ω(3)式中t———啟閉時間,s。當t1=t2時,由公式2、3可計算出:P2=0.78P1。所以當同樣的啟閉時間下,閥2所需的驅動功率更小。5、總結在中小通徑和中高壓力的連桿蝶閥設計中,通常選用第一個豎直位置為閥門的關閉位置。選擇這個位置的優點是:閥板在開啟過程中更平穩;而在一些特殊用途的連桿蝶閥,比如大通徑(DN≥3000mm)和快開式連桿蝶閥和緊急切斷閥,需要更小的驅動功率或更短的開關時間,選擇第二個豎直位置為閥門的關閉位置為最優。所以在連桿蝶閥的設計中,只有對連桿機構進行詳細的運動分析,才能找到最優的位置,生產出具有國際水平的閥門。
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