炼钢转炉用气动蝶阀结构设计

    阀杆轴心同时偏离蝶片中心及本体中心，且密封副为斜椎的蝶阀称为三偏心蝶阀。三偏心蝶阀因具有无死区设计、双重安全构造、本体阀座构造等特点，广泛应用于介质温度小于425℃的治金、电力、石油化工以及给排水和市政建设等工业管道上，作调节流量和载断流体使用。三偏心蝶阀自问世以来，为满足日益严酷的工况要求，其本身也在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到，但实际上还是有赖于周密的设计和精密的制造。此次设计的蝶阀即为三偏心蝶阀，采用双作用气缸驱动，主要用于钢铁厂转炉炉气的回收，也可用于化工、电站、石油等行业。

    1 三偏心蝶阀主要零件设计

    作者所设计的三偏心蝶阀如图1所示，该阀主要由阀体、阀杆、蝶板、蝶柱、支架、支座等零件组成。此阀的工作原理是：气缸通过阀杆带动蝶板转动，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。

    1.1 阀体结构设计

    阀体是蝶阀中重要零件之一，其质量通常占整个阀体总质量的70%左右。根据转炉炼钢产生一氧化碳、二氧化碳、氮气、氢气、水蒸气、少量的氧气及微量的甲烷等废气这一特点，阀体选用球墨铸铁QT400，它有足够的强度、刚度和耐腐蚀性，可以满足设计要求。

图1 三偏心蝶阀结构图

    根据参考资料，查得相应的公称压力p_g=2.5×10⁵Pa，由公称通径D_N=100mm和公称压力即可确定蝶阀的法兰类型为铸铁双法兰连接，查相关文献可得阀体的结构总长为L=150mm，宽度为K=160mm。根据阀门的流通能力和流体的阻力系数要求，确定阀体的流动通道为100mm。

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    阀体最小壁厚可根据以下公式计算：

    式中：p'为关闭瞬间前后的压力差，p'=317.52Pa。将相关数据代入以上公式，可得T≥12.37mm，圆整后取T=15mm。

    设计的阀体结构图见图2。

图2 阀体结构图

    1.2 蝶板的设计计算

    (1)蝶板大端直径D的确定

    根据GB/T12238-2008，由公称通径可得出蝶板大端的直径即蝶阀阀座的最小通径D=94mm。

    (2)蝶板中性面长短半径的确定

    蝶板中性面的长半径

    短半径

    式中：A₀为蝶阀阀座最小通径的一半；α为偏心角，根据密封副材料，偏心角取目前阀门制造商广为采用的参数，选α=15°；E为蝶板中性面，取值10mm。将相关数据代入以上公式中，得R_A=45.56mm，R_B=43.89mm。

    1.3 蝶阀密封比的确定

    由参考文献可得蝶阀密封比的公式为：

    式中：p_j为计算压力，p_j=p_g+p'；m为比例系数，取值为1；α为外圆半径，取值35mm；c为内圆半径，取1mm；b为密封副接触宽度，取值27.2mm。将以上数据代入公式，得：q_h=22.74×10⁵Pa，对于刚性密封面，q_h按公式计算出来的值降低25%，即q_h=17.05×10⁵Pa。

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    1.4 蝶阀的轴向和径向偏心距设计计算

    经过计算，径向偏心距e满足0＜e＜R_A/2，轴向偏心距c满足5mm＜c＜32.8mm。因蝶阀的密封力矩与径向偏心距近似成正比关系，因此应尽量降低径向偏心距e的大小。径向偏心距e同时也满足如下关系：

    将相关数据代入上式中，得e＜11.16mm，根据实际要求，可取e=8mm。设阀杆直径为d，为了保证蝶阀具有完整、连续的密封表面，则轴向偏心距c还应满足下面公式：。为了增加阀杆的刚度，阀杆的直径值应取大些，经综合考虑，取c=20mm，代入上式，计算得阀杆直径d=24mm。

    2 传动方案的设计及分析

    由于该蝶阀主要用于钢铁转炉，对精度和声音的要求不高，故采用气动驱动方式，气缸采用双作用式普通单气缸。三偏心蝶阀通过阀杆带动蝶板转动，如果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。气动系统见图3所示。

图3 气动系统图

    3 结束语

    气动蝶阀主要是由气动执行器和蝶阀组成，气动蝶阀是用随阀杆转动的圆形蝶板做启闭件，以实现启用动作的气动阀门，主要用作截断阀使用。而三偏心蝶阀作为比较高级的一种蝶阀，因其独特的性能在国民生产和生活中得到比较广泛的应用。作者针对钢铁转炉系统设计了一种三偏心蝶阀，并对其主要零件进行了设计计算。