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四连杆蝶阀杆系的分析

软密封蝶阀

1 概述

连杆蝶阀又叫四连杆蝶阀,作为一种切断蝶阀,它具有体积小、重量轻、动作灵活、密封性好等优点,主要应用于冶金、石化、化工、电力等行业。近几年中国连杆蝶阀的设计制造有了很大发展,连杆蝶阀的设计也趋于成熟。但在大通径、高压力、快速启闭等方面还与国外有一定的差距。
在连杆蝶阀的设计中对连杆机构特性的深入研究,可以更大地挖掘出它的优势,使中国连杆蝶阀的性能提升到一个新的高度。

2 结构特点

连杆蝶阀主要由驱动装置、阀板、阀体、阀轴、杆系和轴端密封等部件组成。阀门的启闭是靠驱动装置驱动阀轴带动四连杆机构运动实现的。阀轴旋转使阀板开启,当阀板与管道中心平行,阀门处于全开状态;阀轴反方向旋转使阀板关闭,当阀板与阀体的密封面平行接触直至压紧密封,此时阀门完全关闭。

3 研究方向

连杆蝶阀的设计主要是考虑连杆机构,轴端密封和阀板结构和材料等方面。在阀板结构,连杆和内部固体自润滑轴承材质方面,国内的设计者进行了大量的研究和实验,目前连杆蝶阀的可靠性和使用寿命都有了很大的提高,已与国外的产品性能相当。但在大通径、高压力、快速启闭等方面还与国外有一定的差距。
连杆蝶阀杆系的微小变化,都对阀门的性能有很大的影响,所以只有对连杆蝶阀的连杆机构进行深入的分析和研究,充分了解和掌握它的运动特性,才能设计和制造出超过国外水平的高性能连杆蝶阀。下面对连杆蝶阀的四连杆机构进行模拟,对它的运动特性进行分析。

4 四连杆机构的运动分析

4.1 运动特性分析
阀板的运动是由图2所示的杆系驱动的,这些杆系组成一个四连杆机构。一般认为阀板在四连杆机构带动下先平动,然后转动。由于四连杆机构的复杂性,所以在连杆蝶阀的设计中,设计者常常使用CAD或其它一些软件简单模拟阀板运动轨迹,来验证在开关过程中,杆系间、阀板和阀体间是否存在干涉。而没有对阀板在运动中的详细轨迹和过程中的一些特点进行分析。下面将使用SolidWorksMotion对阀板的运动轨迹进行模拟,得到详细的运动轨迹曲线,来研究阀板在运动过程中的特点。本文在分析中假定阀板的启闭时间是30秒,并且从开启到关闭过程阀轴正好匀速转动90度。
使用SolidWorksMotion对A、B两点所形成的直线L进行分析,得到图4所示的阀板角度随时间变化曲线。阀板运动符合先平动后转动的规律。对阀板平动部分曲线进行放大(图5)发现,其实在阀板平动的同时先反方向转动一个小角度,然后才开始转动打开,并且阀轴在匀速驱动时,打开速度逐渐加快。
为了对上面的这个特点进行深入分析,下面再次使用SolidWorksMotion对A、B点的运动进行分析,A、B点水平坐标随时间变化曲线。通过这两条曲线,可以看出,在前8秒内,A、B两点的曲线几乎重合,并且倾斜角度很小,说明在这段时间内阀板接近竖直,而且运行速度较慢,比较平稳;8秒之后阀板开始快速转动打开。
对前8秒曲线进行放大,可以看到A、B两点有两个重合位置(0秒、6.6秒)。在这两个位置,阀板处于竖直状态,也就是说阀门的关闭位置既可以设在第一个重合点上,也可以设在第二个重和点上。当阀轴转速相同时,以第二个竖直位置为阀门的关闭时间比第一个位置短22%,同时阀轴转动角度小22%。
4.2 两个位置计算比较
分别以上述两个位置设计阀1和阀2,它们的驱动力矩分别为T1、T2,驱动转速为ω1、ω2,启闭时间为t1、t2,驱动角度为α1、α2。
由上面分析可得0.78×α1=α2
阀门所需驱动力可按下列公式计算:
(1)
式中 T———驱动力矩,N•m;
D———阀板直径,m;
ΔP———阀板两侧介质压差,MPa;
R———主轴偏心矩,m;
Q———阀板自重,N;
f———铰链间的摩擦系数;
k———安全系数,一般取1.1~1.2。
由公式(1)可得:T1=T2,既两个位置的驱动力相同。
P=T×ω (2)
式中 P———驱动功率,W;
ω———驱动转速,rad/s。
α=t×ω (3)
式中 t———启闭时间,s。
当t1=t2时,由公式2、3可计算出:P2=0.78P1。所以当同样的启闭时间下,阀2所需的驱动功率更小。

5 总结

在中小通径和中高压力的连杆蝶阀设计中,通常选用第一个竖直位置为阀门的关闭位置。选择这个位置的优点是:阀板在开启过程中更平稳;而在一些特殊用途的连杆蝶阀,比如大通径(DN≥3000mm)和快开式连杆蝶阀和紧急切断阀,需要更小的驱动功率或更短的开关时间,选择第二个竖直位置为阀门的关闭位置为最优。
所以在连杆蝶阀的设计中,只有对连杆机构进行详细的运动分析,才能找到最优的位置,生产出具有国际水平的阀门。
参考文献
[1]成大先.机械设计手册?第四版.北京:化学工业出版社,2002.1.
[2]张晋西.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计.北京:清华大学出版社,2007.

 

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