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、動作靈活、密封性好等優點，主要應用于冶金、石化、化工、電力等行業。近幾年中國連桿蝶閥的設計制造有了很大發展，連桿蝶閥的設計也趨于成熟。但在大通徑、高壓力、快速啟閉等方面還與國外有一定的差距。
在連桿蝶閥的設計中對連桿機構特性的深入研究，可以更大地挖掘出它的優勢，使中國連桿蝶閥的性能提升到一個新的高度。
2 結構特點
如圖1所示，連桿蝶閥主要由驅動裝置、閥板、閥體、閥軸、桿系和軸端密封等部件組成。閥門的啟閉是靠驅動裝置驅動閥軸帶動四連桿機構運動實現的。閥軸旋轉使閥板開啟，當閥板與管道中心平行，閥門處于全開狀態；閥軸反方向旋轉使閥板關閉，當閥板與閥體的密封面平行接觸直至壓緊密封，此時閥門完全關閉。
圖1 連桿蝶閥結構圖
3 研究方向
連桿蝶閥的設計主要是考慮連桿機構，軸端密封和閥板結構和材料等方面。在閥板結構，連桿和內部固體自潤滑軸承材質方面，國內的設計者進行了大量的研究和實驗，目前連桿蝶閥的可靠性和使用壽命都有了很大的提高，已與國外的產品性能相當。但在大通徑、高壓力、快速啟閉等方面還與國外有一定的差距。
連桿蝶閥桿系的微小變化，都對閥門的性能有很大的影響，所以只有對連桿蝶閥的連桿機構進行深入的分析和研究，充分了解和掌握它的運動特性，才能設計和制造出超過國外水平的高性能連桿蝶閥。下面對連桿蝶閥的四連桿機構進行模擬，對它的運動特性進行分析。
4 四連桿機構的運動分析
4.1 運動特性分析
閥板的運動是由圖2所示的桿系驅動的，這些桿系組成一個四連桿機構。一般認為閥板在四連桿機構帶動下先平動，然后轉動。由于四連桿機構的復雜性，所以在連桿蝶閥的設計中，設計者常常使用CAD或其它一些軟件簡單模擬閥板運動軌跡（圖3），來驗證在開關過程中，桿系間、閥板和閥體間是否存在干涉。而沒有對閥板在運動中的詳細軌跡和過程中的一些特點進行分析。下面將使用SolidWorksMotion對閥板的運動軌跡進行模擬，得到詳細的運動軌跡曲線，來研究閥板在運動過程中的特點。本文在分析中假定閥板的啟閉時間是30秒，并且從開啟到關閉過程閥軸正好勻速轉動90度。
以圖2所示，標記閥板上端點為A點，下端點為B點，則A、B點所形成的直線L與豎直面所形成的夾角α就是閥板的傾角。使用SolidWorksMotion對A、B兩點所形成的直線L進行分析，得到圖4所示的閥板角度隨時間變化曲線。從圖4中可以看出，閥板運動符合先平動后轉動的規律。對閥板平動部分曲線進行放大（圖5）發現，其實在閥板平動的同時先反方向轉動一個小角度，然后才開始轉動打開，并且閥軸在勻速驅動時，打開速度逐漸加快。
為了對上面的這個特點進行深入分析，下面再次使用SolidWorksMotion對A、B點的運動進行分析，得到圖6所示A、B點水平坐標隨時間變化曲線。通過這兩條曲線，可以看出，在前8秒內，A、B兩點的曲線幾乎重合，并且傾斜角度很小，說明在這段時間內閥板接近豎直，而且運行速度較慢，比較平穩；8秒之后閥板開始快速轉動打開。
對前8秒曲線進行放大（圖7），可以看到A、B兩點有兩個重合位置（0秒、6.6秒）。在這兩個位置，閥板處于豎直狀態，也就是說閥門的關閉位置既可以設在第一個重合點上，也可以設在第二個重和點上。當閥軸轉速相同時，以第二個豎直位置為閥門的關閉時間比第一個位置短22%，同時閥軸轉動角度小22%。
4.2 兩個位置計算比較
分別以上述兩個位置設計閥1和閥2，它們的驅動力矩分別為T1、T2，驅動轉速為ω1、ω2，啟閉時間為t1、t2，驅動角度為α1、α2。
由上面分析可得0.78×α1=α2
閥門所需驅動力可按下列公式計算：
（1）
式中 T———驅動力矩，N•m；
D———閥板直徑，m；
ΔP———閥板兩側介質壓差，MPa；
R———主軸偏心矩，m；
Q———閥板自重，N；
f———鉸鏈間的摩擦系數；
k———安全系數，一般取1.1～1.2。
由公式（1）可得：T1=T2，既兩個位置的驅動力相同。
P=T×ω （2）
式中 P———驅動功率，W；
ω———驅動轉速，rad/s。
α=t×ω （3）
式中 t———啟閉時間，s。
當t1=t2時，由公式2、3可計算出：P2=0.78P1。所以當同樣的啟閉時間下，閥2所需的驅動功率更小。
5 總結
在中小通徑和中高壓力的連桿蝶閥設計中，通常選用第一個豎直位置為閥門的關閉位置。選擇這個位置的優點是：閥板在開啟過程中更平穩；而在一些特殊用途的連桿蝶閥，比如大通徑（DN≥3000mm）和快開式連桿蝶閥和緊急切斷閥，需要更小的驅動功率或更短的開關時間，選擇第二個豎直位置為閥門的關閉位置為最優。
所以在連桿蝶閥的設計中，只有對連桿機構進行詳細的運動分析，才能找到最優的位置，生產出具有國際水平的閥門。
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