四連桿蝶閥桿系的分析
四連桿蝶閥桿系的分析
1 概述
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(dòng)作靈活、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于冶金、石化、化工、電力等行業(yè)。近幾年中國(guó)連桿蝶閥的設(shè)計(jì)制造有了很大發(fā)展，連桿蝶閥的設(shè)計(jì)也趨于成熟。但在大通徑、高壓力、快速啟閉等方面還與國(guó)外有一定的差距。
在連桿蝶閥的設(shè)計(jì)中對(duì)連桿機(jī)構(gòu)特性的深入研究，可以更大地挖掘出它的優(yōu)勢(shì)，使中國(guó)連桿蝶閥的性能提升到一個(gè)新的高度。
2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
如圖1所示，連桿蝶閥主要由驅(qū)動(dòng)裝置、閥板、閥體、閥軸、桿系和軸端密封等部件組成。閥門(mén)的啟閉是靠驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)閥軸帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。閥軸旋轉(zhuǎn)使閥板開(kāi)啟，當(dāng)閥板與管道中心平行，閥門(mén)處于全開(kāi)狀態(tài)；閥軸反方向旋轉(zhuǎn)使閥板關(guān)閉，當(dāng)閥板與閥體的密封面平行接觸直至壓緊密封，此時(shí)閥門(mén)完全關(guān)閉。
圖1 連桿蝶閥結(jié)構(gòu)圖
3 研究方向
連桿蝶閥的設(shè)計(jì)主要是考慮連桿機(jī)構(gòu)，軸端密封和閥板結(jié)構(gòu)和材料等方面。在閥板結(jié)構(gòu)，連桿和內(nèi)部固體自潤(rùn)滑軸承材質(zhì)方面，國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)者進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，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(guó)外的產(chǎn)品性能相當(dāng)。但在大通徑、高壓力、快速啟閉等方面還與國(guó)外有一定的差距。
連桿蝶閥桿系的微小變化，都對(duì)閥門(mén)的性能有很大的影響，所以只有對(duì)連桿蝶閥的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入的分析和研究，充分了解和掌握它的運(yùn)動(dòng)特性，才能設(shè)計(jì)和制造出超過(guò)國(guó)外水平的高性能連桿蝶閥。下面對(duì)連桿蝶閥的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬，對(duì)它的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。
4 四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
4.1 運(yùn)動(dòng)特性分析
閥板的運(yùn)動(dòng)是由圖2所示的桿系驅(qū)動(dòng)的，這些桿系組成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。一般認(rèn)為閥板在四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下先平動(dòng)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)。由于四連桿機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，所以在連桿蝶閥的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者常常使用CAD或其它一些軟件簡(jiǎn)單模擬閥板運(yùn)動(dòng)軌跡（圖3），來(lái)驗(yàn)證在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，桿系間、閥板和閥體間是否存在干涉。而沒(méi)有對(duì)閥板在運(yùn)動(dòng)中的詳細(xì)軌跡和過(guò)程中的一些特點(diǎn)進(jìn)行分析。下面將使用SolidWorksMotion對(duì)閥板的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，得到詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，來(lái)研究閥板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的特點(diǎn)。本文在分析中假定閥板的啟閉時(shí)間是30秒，并且從開(kāi)啟到關(guān)閉過(guò)程閥軸正好勻速轉(zhuǎn)動(dòng)90度。
以圖2所示，標(biāo)記閥板上端點(diǎn)為A點(diǎn)，下端點(diǎn)為B點(diǎn)，則A、B點(diǎn)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(duì)A、B兩點(diǎn)所形成的直線L進(jìn)行分析，得到圖4所示的閥板角度隨時(shí)間變化曲線。從圖4中可以看出，閥板運(yùn)動(dòng)符合先平動(dòng)后轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律。對(duì)閥板平動(dòng)部分曲線進(jìn)行放大（圖5）發(fā)現(xiàn)，其實(shí)在閥板平動(dòng)的同時(shí)先反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，然后才開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)打開(kāi)，并且閥軸在勻速驅(qū)動(dòng)時(shí)，打開(kāi)速度逐漸加快。
為了對(duì)上面的這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，下面再次使用SolidWorksMotion對(duì)A、B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，得到圖6所示A、B點(diǎn)水平坐標(biāo)隨時(shí)間變化曲線。通過(guò)這兩條曲線，可以看出，在前8秒內(nèi)，A、B兩點(diǎn)的曲線幾乎重合，并且傾斜角度很小，說(shuō)明在這段時(shí)間內(nèi)閥板接近豎直，而且運(yùn)行速度較慢，比較平穩(wěn)；8秒之后閥板開(kāi)始快速轉(zhuǎn)動(dòng)打開(kāi)。
對(duì)前8秒曲線進(jìn)行放大（圖7），可以看到A、B兩點(diǎn)有兩個(gè)重合位置（0秒、6.6秒）。在這兩個(gè)位置，閥板處于豎直狀態(tài)，也就是說(shuō)閥門(mén)的關(guān)閉位置既可以設(shè)在第一個(gè)重合點(diǎn)上，也可以設(shè)在第二個(gè)重和點(diǎn)上。當(dāng)閥軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，以第二個(gè)豎直位置為閥門(mén)的關(guān)閉時(shí)間比第一個(gè)位置短22%，同時(shí)閥軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度小22%。
4.2 兩個(gè)位置計(jì)算比較
分別以上述兩個(gè)位置設(shè)計(jì)閥1和閥2，它們的驅(qū)動(dòng)力矩分別為T(mén)1、T2，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為ω1、ω2，啟閉時(shí)間為t1、t2，驅(qū)動(dòng)角度為α1、α2。
由上面分析可得0.78×α1=α2
閥門(mén)所需驅(qū)動(dòng)力可按下列公式計(jì)算：
（1）
式中 T———驅(qū)動(dòng)力矩，N•m；
D———閥板直徑，m；
ΔP———閥板兩側(cè)介質(zhì)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(shù)；
k———安全系數(shù)，一般取1.1～1.2。
由公式（1）可得：T1=T2，既兩個(gè)位置的驅(qū)動(dòng)力相同。
P=T×ω （2）
式中 P———驅(qū)動(dòng)功率，W；
ω———驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，rad/s。
α=t×ω （3）
式中 t———啟閉時(shí)間，s。
當(dāng)t1=t2時(shí)，由公式2、3可計(jì)算出：P2=0.78P1。所以當(dāng)同樣的啟閉時(shí)間下，閥2所需的驅(qū)動(dòng)功率更小。
5 總結(jié)
在中小通徑和中高壓力的連桿蝶閥設(shè)計(jì)中，通常選用第一個(gè)豎直位置為閥門(mén)的關(guān)閉位置。選擇這個(gè)位置的優(yōu)點(diǎn)是：閥板在開(kāi)啟過(guò)程中更平穩(wěn)；而在一些特殊用途的連桿蝶閥，比如大通徑（DN≥3000mm）和快開(kāi)式連桿蝶閥和緊急切斷閥，需要更小的驅(qū)動(dòng)功率或更短的開(kāi)關(guān)時(shí)間，選擇第二個(gè)豎直位置為閥門(mén)的關(guān)閉位置為最優(yōu)。
所以在連桿蝶閥的設(shè)計(jì)中，只有對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)分析，才能找到最優(yōu)的位置，生產(chǎn)出具有國(guó)際水平的閥門(mén)。
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