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四连杆蝶阀杆系的分析
点击次数：3059 发布时间：2012-7-27
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
如图1所示，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*关闭。
图1 连杆蝶阀结构图
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（图3），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。
以图2所示，标记阀板上端点为A点，下端点为B点，则A、B点所形成的直线L与竖直面所形成的夹角α就是阀板的倾角。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。从图4中可以看出，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，得到图6所示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（图7），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*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*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*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*。
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*的位置，生产出具有水平的阀门。
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
如图1所示，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*关闭。
图1 连杆蝶阀结构图
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（图3），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。
以图2所示，标记阀板上端点为A点，下端点为B点，则A、B点所形成的直线L与竖直面所形成的夹角α就是阀板的倾角。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。从图4中可以看出，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，得到图6所示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（图7），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*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*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*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*。
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*的位置，生产出具有水平的阀门。