1、1炼钢转炉专用气动蝶阀的结构设计摘要:设计的气动蝶阀主要用于钢铁厂转炉及其他工业的除尘输送系统中，是主要以空气为传动介质的控制调节装置。因此，论文在碟阀的密封性及耐磨性等问题上进行了深入的分析和设计上的考虑。此阀的工作原理是当气缸通过阀杆带动蝶板转动时，蝶板与阀体密封面吻合，将通道切断，即为关闭；反之，则为开启。本次设计的蝶阀就是三偏心蝶阀，驱动机构采用普通双作用式气缸，利用压缩空气使活塞向两个方向运动，活塞行程可根据实际需要选定。此设计的阀门主要用于钢铁厂转炉炉气的回收。当然，此阀也可以应用于化工、电站、石油等等。由于蝶阀应用于转炉炉气，故对其的密封性是首先要解决的问题，其次是蝶阀的结构的分
2、析和主要零件的设计计算。本文还对阀门的安装、保养及使用进行介绍关键词：蝶阀；三偏心；气压系统、维护1 前言2阀门是国民经济建设中使用极广泛的一种机械产品。随着我国改革开放的进一步加深以及建立社会主义市场和开展对外贸易的需要，在石油、天然气、煤炭、冶金和矿石的开采、提炼加工和管道输送系统中；在石油、化工产品，医药和食品生产系统中；在水电、火电和核电的电力生产系统中；在城建的给排水、供热和供气系统中；在冶金生产系统中；在船舶、车辆、飞机、航天以及各种运动机械的使用流体系统中；在国防生产以及新技术领域里；在农业排灌系统中都需要大量的阀门新品种。因此，阀门是我国实现四个现代化不可缺少的重要机械产品。它
3、与生产建设，国民建设和人民生活都有着密切的关系。用于流体控制的阀门，从最简单的截断装置到极为复杂的自控系统，其品种和规格繁多。阀门的公称通径从十分微小的仪表阀，到公称通径达 10M、重几十吨的工业管路用阀。阀门可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性化学介质、泥浆、油品、液体金属和放射性流体等各种类型流体的流动。阀门的控制可采用多种传动方式，如手动、电动、气动、液动、电-气或电-液联动及电磁驱动等；也可在压力、温度或其他形式传感信号的作用下，按预定的要求动作，或者只进行简单的开启或关闭。阀门就是依靠驱动或自动机构使其启闭件作升降，滑移，旋摆或回转运动，从而改变流道面积的大小，实现控制功能的。为了实
4、现多流体的控制，阀门一般应具备以下性能：即密封性能、强度性能、调节性能、动作性能和流通性能。对大多数阀门来说，密封问题是首要问题。由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的外漏或内漏，会造成环境污染和经济损失；有毒的流体、腐蚀性流体、放射性流体和易燃易爆流体的泄漏有可能产生重大的经济损失，甚至造成人身伤亡。对于高中压气体阀门和安全阀等，阀门的安全可靠性也是十分重要的。强度不够或动作不可靠（例如高压阀的阀体或重要零件的断裂，安全阀不能准确起跳、止回阀不逆止作用等） ，将会造成本体或系统的破坏而导致人身伤亡。随着工业技术的发展，普通的软密性蝶阀已满足不了工业上的需求，金属硬密性蝶阀很快被开发出来，并且
5、三偏心结构蝶阀是蝶阀发展，演化中最高级一种。三偏心蝶阀自问世以来，为满足日益严酷的工况要求，其本身也经历着自我完善和不断发展的过程。即使最基本的零泄漏，理论上三偏心蝶阀都可以做的到，但实际还赖于周密的设计，精密的制造。本次设计的蝶阀就是三偏心蝶阀，驱动机构采用普通双作用式气缸，利用压缩空气使活塞向两个方向运动，活塞行程可根据实际需要选定。此设计的阀门主要用于钢3铁厂转炉炉气的回收。当然，此阀也可以应用于化工、电站、石油等等。由于蝶阀应用于转炉炉气，故对其的密封性是首先要解决的问题，其次是蝶阀的结构的分析和主要零件的设计计算。2 三偏心蝶阀的结构设计及分析2.1 蝶阀结构分析碟阀的卓越性能与自身
6、的不断地改进、演变、发展密切相关。为满足各种工况的要求，蝶阀先后经历了从同心向单偏心蝶阀，双偏心蝶阀和三偏心蝶阀的演变。图中字母：n 1阀体通道轴线；n 2过旋转轴心的直线；j密封面运动轨迹；e径向偏心距；c轴向偏心距；E蝶板厚度图中字母：1阀杆 2蝶板 3弹性阀座 4压盖 5阀体三偏心蝶阀是本次要研究的对象，它的结构如图下所示蝶阀的三偏心结构见上图，即在双偏心蝶阀的基础再增加一个倾角，经过最优化设计使密封副的摩擦力进一步下降，由于采用面密封的结构使接触应力分布均匀，密封更加可靠。蝶阀的三偏心是指：4第一个偏心是指蝶板的回转中心 H 相对于蝶板中心在轴向存在偏心距 c;第二个偏心是指蝶板的回转
7、中心 H 相对于蝶板中心在径向存在偏心距 e;第三个偏心是指蝶板锥面轴线与阀体通道轴线成一个角度 ，即角偏心对于三偏心结构的蝶阀，由于轴向偏心距 c 的存在，保证了蝶阀密封面是一个完整连续的锥面，且该密封面的几何中心容易确定，降低了密封面加工制造的难度。若密封面为正圆锥面，则由于蝶板密封面的回转半径大于阀座密封面相应部位的半径，从而在关闭的蝶板密封表面不能进入阀座，即产生“干涉”现象，而采用偏心角为 的锥面即所谓圆锥斜切可以解决这个问题。本设计采用三偏心蝶阀结构，具体结构尺寸见设计装配图。2.2 阀门的分类及优点分析阀门产品的种类繁多，按材质分（如铸铁阀、铸钢阀、锻钢阀等） 、按连接形式分（如
8、内螺纹、法兰阀等） 、按温度分（如低温阀、高温阀、保温阀等） 。我国目前大多数习惯是按压力和结构种类来区分。按结构种类分主要有： 旋塞阀、闸阀、截止阀、球阀、蝶阀等。根据各类阀的优缺点分析，蝶阀更适于转炉系统中使用。蝶阀是指关闭件（阀瓣或蝶板）为圆盘，围绕阀轴旋转来达到开启与关闭的一种阀，在管道上主要起切断和节流用。蝶阀具有以下优点：（1） 体积小，重量轻。与相同压力级和同样口径的别的阀相比，它均可减轻约3050%（2） 结构简单，开闭迅速，蝶阀的零件少，结构紧凑，开闭只需将阀瓣旋转 90即可。（3） 调节和密封性能好。蝶阀可以实现分级控制流量，调节性能较好；（4） 流体和操作力矩小。根据对蝶
9、阀所作的流组试验证明，蝶阀的流组小于截止等类型的阀门。操作力矩小是由于阀瓣处于近似平衡状态，这样就可以用较小的力矩实现阀门的启闭。2.3 阀体的结构设计及分析51. 阀体的功能：阀体是阀门中重要的零件之一，阀体的重量通常占整个阀门的总重量的 70%左右。阀体的主要功能有：A. 作为工作介质的流动通道。B. 承受工作介质压力、温度、冲蚀和腐蚀。C. 在阀体内部构成一个空间，设置阀座，以容纳启闭件，阀杆等零件。D. 在阀体端部设置连接结构，满足阀门与管道系统的安装使用要求。E. 承受阀门启闭载荷和在安装使用过程中因温度变化、振动、水击等影响所产生的附加载荷。F. 作为阀门总装配的基础。2. 阀体设
10、计的基本内容 阀体的设计通常和阀门总体设计同步进行。阀体设计的基本内容如下：A. 确定阀体材料根据工作介质的性质确定合适材料，保证材料具有足够的耐蚀性，并具有可靠的6强度和刚度。气动蝶阀主要用于钢铁企业转炉炼钢中及其它工业输送系统中 ，因此它的工作介质主要是气体。转炉炼钢中产生的废气有：一氧化碳，二氧化碳，氮气，氢气，水蒸气，少量的氧气，氩气及微量的甲烷：这些化学元素中其中有一些具有腐蚀性，因此设计阀体的材料应耐腐蚀。在阀体方面我选用球墨铸铁 QT400，它有足够的强度、刚度和耐腐蚀性，满足设计材料的要求。B公称压力的确定 根据参考资料，查得应用场景的介质温度介于 0120之间，由于给定的温度
11、不超过 120，所以应该采用 t=120，相应的工作压力由表内查得其位于 1kgf/cm2和2.5 kgf/cm2之间，因为第一个压力 1 kgf/cm2低于实际给定值，所以不能满足给定的条件。再查标准表 120下的工作压力为 2.5 kgf/cm2，相应的公称压力是 2.5 kgf/cm2，这个公称压力就做为设计的依据。C.法兰尺寸及类型的选择根据参考文献，由公称通径 DN=100mm，公称压力 Pg=2.5kgf/cm2,可以确定蝶阀的法兰尺寸及类型，该类型为：铸铁双法兰连接，结构尺寸见零件图。2.4 蝶板的启闭过程工作原理图 1 为三偏心蝶板的设计原理简图，蝶板密封面为锥面，处于关闭的位
12、置。对于锥体密封蝶板，若蝶板采用正圆锥体，则由于其大端直径大于阀座密封圈内径，因而在开启或者关闭时蝶板不能通过阀座。采用偏心角为 的偏心锥面便解决了这个问题。由于 P1 点的旋转半径比密封副接触位置（F 0 点）的旋转半径小，即点 P1 的旋转轨迹m1 位于 F0 点的旋转轨迹以下，所以蝶板可旋入阀座，并实现接触密封。同理，P 4 点的旋转半径大于密封副接触位置的旋转半径，即 P4 点的旋转轨迹位于先进入阀座的接触点的轨迹以下，故蝶板越关越紧。7图 1 三偏心蝶阀设计原理图2.5 阀体的结构长度根据阀门公称通径和压力等级，结构长度，连接尺寸的有关标准或规定，确定阀体的结构长度三偏心蝶阀的公称通
13、径为 100mm，公称压力为 2.5 kgf/cm2，可以确定碟阀的类型为：铸铁双法兰连接。有查文献可得蝶阀的结构总长为 L=150mm。宽度为 K=160mm。具体尺寸看阀体零件图纸。确定阀体的流动通道根据阀门的流通能力和流体的阻力系数要求，确定合适的工作介质流动通道。阀体的流动通道与阀门的口径一样为 100 mm。2.6 阀体最小壁厚的设计计算查资料阀体最小壁厚 T 的计算公式 （mm）见表 如下：材料 公称压力（MPa）公称通径（mm）公式灰铸铁 1.0 11001200T= /8.51.1220gNNbPD8T= /1.2gNbPD球墨铸铁 0.252.5 2001500 T= /8.
14、51.30g Nb 塑性材料 4.0 50 T= 2.3gNbPD表中的字母：P g-公称压力，MPaP -阀体内可能产生的压力升量，MPaDN-阀门通径，mmb-材料的许用拉应力， MPa-铸造偏差，mm对于大口径蝶阀需要作刚度校核，校验变形量 ，其经验公式为：d =0.04GR3/EJ式中 G-阀门质量，kgE-弹性模量，MPaJ-截面惯性矩，mm 4R-阀体半径，mm对于一般大口径蝶阀，d 0.4mm，能满足要求。根据上面的公式，由下列已知数据：阀体材料球磨铸铁公称压力0.25P g2.5MPa公称通径200D N1500mm根据表可以选择相应的计算阀体壁厚的公式：T (1-1)/8.5
15、11.230gNNbPD 式中：T= b=50MPa,DN=100mm,Pg=2.5kgf/cm2;P、 为关闭瞬间前后的压力差，kgf/cm 2; 由参考文献得关于 P 的计算公式为：P =0.004Q/At （1-2）式中 Q 为介质的流量，m 3/h,9A 为管道截面积，m 2T 为关闭时间，s,给定流速为 v=1m/s,关阀时间为 t=2s，将数据代入公式（1-2）得：P =0.00324kgf/cm2将给定数据和计算的数据代入公式（1-1）得：T12.37mm,圆整后取 T=15mm。2.7 蝶阀的密封副结构阀门关闭时，蝶板密封面与弹性阀座相接触，密封副在介质压力作用下产生微小的弹性
16、变形，从而实现密封，要达到密封性能良好，操作灵活和扭矩小，金属密封蝶阀的密封副结构设计至关重要。根据阀门的公称通径，选择其结构形式。当DN350mm，一般采用双偏心结构，当 DN400mm 时，一般采用三偏心结构。2.8 密封件的选择在日常生活及工程实际中，泄漏现象屡见不鲜。生产设备的泄漏会造成多方面的危害设备中工作介质泄漏，会造成物料浪费，有时间能污染环境。易燃、易爆、剧毒、腐蚀性、放射性物质泄漏将危及人身安全，引起设备事故。环境中的气、水和粉尘等侵入设备会污染工作介质，影响产品质量或加剧零件磨损，缩短机器寿命。流体机械的内容泄漏影响容积效率，甚至工作失效。有泄漏就有治漏，设备治漏的方法有：
17、密封、堵塞、引流、焊接和修改。在三偏心蝶阀中我选择的是密封。对大多数阀门来说(蝶阀也不例外)，密封问题是首要问题。由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的外漏或内漏，会造成环境污染和经济损失；有毒的流体、腐蚀性流体、放射性流体和易燃易爆流体的泄漏有可能产生重大的经济损失，甚至造成人身伤亡。密封的概念：防止工作介质从机器和设备中泄漏或防止外界杂质侵入机器和设备内部的一种装置或措施。被密封的工作介质可以是气体、液体或粉状固体。密封性能是评价机械产品质量的一个重要指标。密封的内容：将结合面间间隙封住，隔离或切断，增加泄漏通道中的阻力，在通道中的加设小型作功元件，对泄漏介质造成压力，与引起泄漏的压差部分
18、抵消或完全平衡，以阻止介质泄漏。举例：如填料密封、机械密封和螺旋密封等。密封的功能：是阻止泄漏。造成泄漏的原因主要有两个方面：一是密封面上有间隙；二是密封两侧有压力差。消除或减小任一因素可以阻止或减小泄漏。但就一般设10备而言，减小或消除间隙是阻止泄漏的主要途径。密封设计中的几个问题A. 密封用材料密封材料应满足密封功能的要求。由于被密封的介质不同，以及设备的工作条件不同，要求密封材料具有不同的适用性。对密封的材料的要求一般是：a. 材料致密性好，不易泄漏介质。b. 有适当的机械强度和硬度。c. 压缩性和回弹性好，永久变形小。d. 高温下不软化、不分解，低温下不硬化、不脆裂。e. 抗腐蚀性能好
19、，在酸、碱、油等介质中能长期工作，其体积和硬度变化小，且不黏附在金属表面上。f. 摩擦系数小，耐磨性好。g. 具有与密封面贴合的柔性性。h. 耐老化性好，经久耐用。i. 加工制造方便，价格便宜，取材容易。显然，任何一种材料要完全满足上述要求是不可能的，但具有优异密封性能的材料能够满足上述大部分要求。B. 加工工艺良好的加工工艺和成型工艺是保证密封件尺寸精度、表面特性以及提高抗腐蚀和耐磨能力的有效手段。以橡胶 O 形圈为例，它是靠给定的压缩变形量来保证密封的，如果由于尺寸精度差而保证不了必要的压缩变形量，就会出现泄漏。此外，由于 O 形圈是以预拉伸状态安装于密封部位，当运动摩擦发热时，O 形圈不是膨胀，而是收缩（拉伸状态下的橡胶受热收缩称为焦尔效应） ，这也可能使工作时的压缩变形量减小而发生泄漏。因此，设计时必须严格给定尺寸精度，并考虑到各种影响因素，例如与密封件的相接触的零件的尺寸精度，表面粗糙度及纹理方向等。C摩擦、磨损与润滑摩擦和磨损是接触型动密封的中必然存在的问题。接触型动密封的密封件与被密封件相接触，由于有相对运动而产生摩擦，导致发热和零件表面的磨损，这是引起泄漏及密封件损坏的主要原因。因此，润滑方式与润滑的选择就成了密封设计中必须慎重考虑的问题。
