蝶阀蝶板与阀杆圆锥销连接形式的分析

    概述

    蝶阀启闭件为圆盘形蝶板，在蝶阀阀体内绕其自身的轴线旋转，从而达到启闭或调节的目的。为实现驱动装置力矩传递至启闭件（蝶板）上，标准规定蝶板与阀杆的连接强度应设计成能传递阀杆所能承受最大转矩的75%，阀杆与蝶板的连接形式应保证正常工作情况下不松动。蝶板与阀杆常用连接形式分为无销连接和有销连接，无销连接又分键连接、花键连接及方榫连接等。销连接一般有圆柱销连接和圆锥销连接。因为圆锥销定位精度比圆柱销高，受横向力时能自锁，所以圆柱销连接很少采用，在这几种连接形式中，锥销连接结构简单，制造方便，可多次装拆，其应用最为广泛。但在标准GB/T12238－2008及JB/T8527－1997中对阀杆与蝶板的连接形式未作规定，本文为此进行了分析与研究。

    2 结构形式

    蝶阀蝶板与阀杆锥销连接通常有锥销孔钻铰在阀杆中心线上（图1－Ⅰ截面）和锥销孔钻铰在阀杆外径上（图1Ⅱ－Ⅱ截面）2种连接形式。

1.锥销 2.阀杆 3.蝶板轴座

图1 锥销连接位置及类型

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    3 计算分析

    图1为常见的2种锥销连接形式，通过分析和计算确定更为合适的销连接形式。对图1驱动装置的力矩T作用在阀杆上，则锥销的剪切受力见图2（a）和图 2（b），挤压受力见图2（c）和图 2（d） 。

    根据受力分析，连接件锥销有2种破坏可能，即锥销被剪断或产生挤压破坏。

（a）、（b） 锥销受剪切力（c）、（d）锥销受挤压力

图2 锥销结构受力分析

    假设切应力在剪切面内是均匀分布的。若以A表示锥销剪切面面积，则剪切应力为

        （1）

    因为图 2（a）的剪切面面积为锥销的横截面积A1，而图2（b）的剪切面面积为阀杆与锥销重合部分的圆弧面表面积A₂，A₁＜A₂，所以在同样的驱动力矩作用下τ₁＞τ₂，则锥销孔钻铰在阀杆中心线时锥销更容易被剪断。

    假设挤压应力在挤压面内是均匀分布的。若以A_j表示锥销挤压面在垂直于挤压力平面上的投影面积，则挤压应力为

        （2）

    图2（c）和图2（d）的挤压面面积为阀杆与锥销的接触部分在通过锥销中心平面上的投影面积A_j，在图2（c）及图2（d）中，A_j1＞A_j2，所以在同样的驱动力矩作用下σ_j1＜σ_j2，则锥销孔钻铰在阀杆外径时锥销更容易被挤坏。

    对于图1在驱动力矩T作用下，阀杆扭转的最大剪应力τ为

        （3）

        （4）

        （5）

    式中W_p1———图1－Ⅰ抗扭截面系数

    W_p2———图1Ⅱ－Ⅱ抗扭截面系数

    若取d=40mm，d0=10mm，则由图1（b）可知，b=27mm，t=5mm。

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    将数据代入式（3）和式（4）得W_p1=9420mm³，W_ρ2=12500mm³，W_ρ1＜W_ρ2，所以在同样的驱动力矩T作用下τ_max1＞τ_max2，则锥销孔钻铰在阀杆中心线时阀杆更容易被扭断。

    阀杆与蝶板连接的两端由轴承支承，受蝶板的重力作用，阀杆必将受弯矩作用，其最大弯曲正应力为

        （6）

        （7）

        （8）

    式中W_z1———图1Ⅰ－Ⅰ抗弯截面系数

    W_z2———图1Ⅱ－Ⅱ抗弯截面系数

    若取d=40mm，d₀=10mm，则由图1（b）可知，b=27mm，t=5mm。

    将数据代入式（7）和式（8）得W_zl=3862mm³，W_z2=6200mm³，W_zl＜W_z2，所以在同样的驱动力矩T作用下σ_max1＞σ_max2 ，则锥销孔钻铰在阀杆中心线时阀杆更容易被折弯。

    4 结语

    通过对2种形式锥销的剪切强度、挤压强度及阀杆的抗扭、抗弯分析对比计算，得知锥销孔钻铰在阀杆外径上的连接形式对轴的强度削弱小，值得推广应用。