黎華 蓋曉明 黎勤 田巋

摘 要：連桿蝶閥在很多場合都得到了應(yīng)用。通過對連桿蝶閥的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，得到了連桿蝶閥各參數(shù)之間的關(guān)系式和閥板運(yùn)動(dòng)軌跡，從而更好的了解閥門的運(yùn)動(dòng)特性，對流道進(jìn)行分析；然后調(diào)整各參數(shù)，通過求得的關(guān)系式進(jìn)行試算，得到最理想的運(yùn)動(dòng)特性。優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足各使用場合的要求。

關(guān)鍵詞：連桿蝶閥；四連桿機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)軌跡；關(guān)系式

THE ANALYSIS OF THE MOTION TRAJECTORY OF THE LINKBUTTERFLY VALVE

Li Hua1，2 Gai Xiaoming1，2 Li Qin3 Tian Kui3

（1.Hebei Province Technology Innovation Center of Metallurgical Equipments? Qinhuangdao 066318， China；

2. Qinhuangdao Qinye Heavy Industry Co.， Ltd.? Qinhuangdao? 066318，China；

3.Drilling Technology Research Institute of Bohai Drilling Engineering Co.， ltd.? CNPC? Renqiu 062550，China）

Abstract：Link butterfly valve has been applied in many occasions. Through the analysis of the motion trajectory of the link butterfly valve， the relationship between the parameters of the link butterfly valve and the motion trajectory of the valve plate are obtained， so as to better understand the motion characteristics of the valve， analyze the flow channel， and then adjust the parameters. Through the trial calculation of the obtained relationship， the most ideal motion characteristics are obtained， and the design is optimized to meet the requirements of various applications.

Key words：Link Butterfly Valve; Four Bar Linkage; Motion Trajectory; Relation

0 前 言

隨著冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，冶金閥門的性能也在不斷提高。連桿蝶閥作為一種切斷蝶閥，以結(jié)構(gòu)簡單、體積小、自重輕、動(dòng)作靈活、密封性能好、使用壽命長、閥門成本相對低等優(yōu)點(diǎn)[1]，在冶金行業(yè)被廣泛應(yīng)用于煉鐵熱風(fēng)爐系統(tǒng)中，在石化、化工、電力等行業(yè)得到應(yīng)用。

連桿蝶閥屬于蝶閥的一種結(jié)構(gòu)形式， 其閥門的關(guān)閉主要依靠內(nèi)置于流道的一組四連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。因此，相對于其他蝶閥，其流道內(nèi)的流動(dòng)非常復(fù)雜[2]，為了對流道進(jìn)行分析，需要得到閥門的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過閥門運(yùn)動(dòng)軌跡方程，可以合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

連桿蝶閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由閥體、桿系（閥板、主動(dòng)桿、連板、固定板）、軸端密封組、主軸、驅(qū)動(dòng)裝置等部件組成。

閥門通過驅(qū)動(dòng)裝置所輸出的扭矩使主軸帶動(dòng)主動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)90 °完成閥門的啟閉。其中閥板近似平動(dòng)+翻轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)+近似平動(dòng)完成90 °旋轉(zhuǎn)過程是由四連桿機(jī)構(gòu)控制的。閥門開啟到位時(shí)閥板與管道中心線平行；關(guān)閉到位時(shí)閥板與閥體的密封面平行接觸直至壓緊密封面，達(dá)到閥門的密封要求，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為四連桿機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示（圖2a為閥板關(guān)閉位置，圖2b為閥板開啟90 °位置）。

2 連桿蝶閥運(yùn)動(dòng)軌跡分析

當(dāng)開啟閥門時(shí)，連桿蝶閥主動(dòng)桿AC逆時(shí)針擺動(dòng)任意角度α，如圖3所示，實(shí)線表示原始位置，虛線表示擺動(dòng)α角度后位置。其中圖3a為A′點(diǎn)在直線BD左側(cè)的情況，圖3b為A′點(diǎn)在直線BD右側(cè)的情況。主動(dòng)桿AC擺動(dòng)α，相應(yīng)的連桿BD擺動(dòng)β；閥板由原始位置MN擺動(dòng)到M′N′。

2.1 主動(dòng)桿擺動(dòng)角度α與連桿擺動(dòng)角度β的關(guān)系式

如圖3a所示，為A′點(diǎn)在直線BD左側(cè)的情況，圖中各構(gòu)件滿足下列幾何關(guān)系式：

β=∠A' DB'-∠A'DB

L2 2+L6 2-L2 3

∠A' DB'=arccos（——————）

2L2L6

L2 2+L2 6-L2 7

∠A' DB'=arccos（——————）

2L2L6

L6=√L1 2+L4 2-2L1L4cos（∠A'CD）

L7=√L1 2+L5 2-2L1L5cos（∠A' CB）

∠A'CD=∠ACD-α

∠A'CB=∠ACB-α

式中：L1為主動(dòng)桿AC長度，mm；L2為連桿BD長度，mm；L3為A點(diǎn)和B點(diǎn)連線距離，mm；L4 為C點(diǎn)與D點(diǎn)連線距離，mm；L5 為C點(diǎn)與B點(diǎn)連線距離，mm；L6 為A′點(diǎn)與D點(diǎn)連線距離，mm；L6 為A′點(diǎn)與B點(diǎn)連線距離，mm。

其中L1、L2、L3、L4、L5、∠ACD和∠ACB為設(shè)計(jì)給定值。根據(jù)已知條件和幾個(gè)關(guān)系式，可以列出A′點(diǎn)在直線BD右側(cè)的情況時(shí)，主動(dòng)桿轉(zhuǎn)角α和連桿轉(zhuǎn)角β之間的函數(shù)關(guān)系式。

如圖3b所示，為A′點(diǎn)在直線BD左側(cè)的情況，圖中各構(gòu)件滿足下列幾何關(guān)系式：

∠β=∠A' DB'+∠A'DB

L2 2+L6 2-L2 3

∠A' DB'=arccos（——————）

2L2L6

L2 2+L2 6-L2 7

∠A' DB'=arccos（——————）

2L2L6

L6=√L1 2+L4 2-2L1L4cos（∠A'CD）

L7=√L1 2+L5 2-2L1L5cos（∠A' CB）

∠A'CD=∠ACD-α

∠A'CB=∠ACB-α

根據(jù)已知條件和幾個(gè)關(guān)系式，可以列出為A′點(diǎn)在直線BD右側(cè)的情況時(shí)，主動(dòng)桿轉(zhuǎn)角α和連桿轉(zhuǎn)角β之間的函數(shù)關(guān)系式。當(dāng)A′點(diǎn)在直線BD上時(shí)，兩種關(guān)系式都適用。由此可得到在主動(dòng)桿角度α的區(qū)間[0°，90°] 對應(yīng)的連桿擺動(dòng)角度β，即主動(dòng)桿和連桿的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式。

2.2 閥板端點(diǎn)M和N的軌跡方程[3]

如圖4所示，點(diǎn)M和N為閥板兩個(gè)端點(diǎn)，以閥板中心為原點(diǎn)O，建立如圖所示直角坐標(biāo)系，并作CE垂直AB于E點(diǎn)、DF垂直AB于F點(diǎn)。圖中虛線是當(dāng)主動(dòng)桿轉(zhuǎn)過α角時(shí)各構(gòu)件位置示意，各點(diǎn)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)記作A（XA，0），B（XB，0），E（XE，0），F(xiàn)（XF，0），A′（XA′，YA′），B′（XB′，YB′）， M′（XM′，YM′）， N′（XN′，YN′）。

由圖4中幾何關(guān)系可點(diǎn)知A′（XA′，YA′），B′（XB′，YB′）坐標(biāo)如下：

XA'=XE+L1sin（α-∠ACE）

YA' =L8-L1cos（α-∠ACE）

XB'=XF+L2sin（β-∠BDF）

YB'=L9-L2cos（β-∠BDF）

式中：L8 為C點(diǎn)和E點(diǎn)連線距離，mm；L9為D點(diǎn)與F點(diǎn)連線距離，mm。

根據(jù)點(diǎn)A′和B′可列出直線A′B′方程式，如下：

y-YA'? ? ? ? ?x-XA'

———＝————

YB'-YA'? ? ? ? ? ?XB' -XA'

即：

YB'-YA'? ? ? ? ?（XA' （YB' -YA' ）

y= ————x- —————— +YA'

XB' -XA'? ? ? ? ? ? ?XB' -XA'

由直線A′B′方程式可知，直線A′B′的斜率K=YB'-YA'/XB' -XA' ，設(shè)直線A′B′與x軸夾角為γ，則γ=tan-1 （YB' -YA' ）/（XB'-XA' ）。已知直線M′N′與直線A′B′垂直，則直線M′N′與y軸夾角為λ=90°-|tan-1XA'-XB'/YB' -YA'? |

上述各式中L8、L9、XE、XF、和∠ACE、∠BDF為設(shè)計(jì)給定值，并且上節(jié)已得到α和β的關(guān)系式，因此γ也可由α表示出來。

如圖5所示，過M′點(diǎn)作直線a，過N′點(diǎn)作直線b，過點(diǎn)A′作直線A′T，上述各直線均與x軸平行；然后過A′點(diǎn)分別向直線a和直線b作垂線，垂足分別是P、Q，則可得到如下方程兩個(gè)參數(shù)方程：

XM' =XA' -L10cos（∠M' A' O'-γ）

YM' =YA' +L10sin（∠M' A' O'-γ）? ? ? ? ? ? ?（1）

XN' =XA' -L11cos（∠M' A' O'-γ）

YN' =YA' +L11sin（∠M' A' O'-γ）? ? ? ? ? ? ?（2）

上面方程中，L10 、L11 、∠M' A' O'和∠N' A' O'為設(shè)計(jì)給定值，且由已知條件知∠M' A' O'和∠N' A' O'相等，并且XA'、YA'、γ均可由α表示，因此XM′， YM′為變量α的函數(shù)，方程（1）為點(diǎn)M′（XM′，YM′）中XM′，YM所在曲線的參數(shù)方程；XN′，Y N′為變量α的函數(shù)，方程（2）為點(diǎn)N′（X N′，YN′）中X N′，YN′所在曲線的參數(shù)方程。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)方程，就可畫出閥板端點(diǎn)M和N的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。

3 應(yīng)用實(shí)例

為了更直觀的表示各函數(shù)之間的關(guān)系，這里以DN1400連桿蝶閥為例，繪制各函數(shù)曲線。DN1400連桿蝶閥各參數(shù)如下：

L1=254、L2=193、L3=140、L4=150

L5=267.4、L8=250、L9=188.4、

L10=L11=708.7、XE=327.5、

XF=464.5、∠ACD=76°、∠ACB=31°、

∠ACE=10.2°、∠BDF=12.56°、

∠M' A' O'=∠N' A' O'=66.5 °

根據(jù)求得的各關(guān)系式，利用Maple14軟件得到α與β關(guān)系曲線。

從圖6可知，β隨著α的增大而增大， 并且β變化速度比α快。

圖7所示為α與閥板所在直線M′N′與y軸夾角λ關(guān)系曲線，其中圖7a為閥板從關(guān)閉到完全開啟整個(gè)過程中α與λ關(guān)系曲線，圖7b為α在[0°-20°]變化區(qū)間α與λ關(guān)系曲線。

從圖7a中可以看出，閥板所在直線M′N′與y軸夾角λ總的變化趨勢為隨α的增大而增大。從圖7b中進(jìn)一步分析可知，在閥板開啟初期，即α由0°變化到14.5°過程中，閥板所在直線M′N′與y軸夾角λ先增大后減小；在初始位置和主動(dòng)桿轉(zhuǎn)過角度α為14.5°時(shí)，λ值均為0°。

從圖8、圖9可以看出，當(dāng)M點(diǎn)橫坐標(biāo)XM在區(qū)間[0，105]變化，對應(yīng)N點(diǎn)橫坐標(biāo)XN變化區(qū)間[0，200]時(shí)，（從參數(shù)方程可解出此時(shí)對應(yīng)α變化區(qū)間為[0°，35.3°]），閥板近似平動(dòng)，之后轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)束語

連桿蝶閥具有開關(guān)速度快，制造成本低，開啟位置準(zhǔn)確和占用空間小等特點(diǎn)[4]，連桿蝶閥的這些特點(diǎn)使之在很多場合都得到了很好的應(yīng)用。通過對連桿蝶閥的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，得到了連桿蝶閥各參數(shù)之間的關(guān)系式和閥板運(yùn)動(dòng)軌跡，從而更好的了解閥門的運(yùn)動(dòng)特性，對流道進(jìn)行分析，然后調(diào)整各參數(shù)，通過求得的關(guān)系式進(jìn)行試算，得到最理想的運(yùn)動(dòng)特性，以滿足各使用場合的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳懷敏，蘇荊攀，項(xiàng)力勝，等.高溫用金屬密封蝶閥[J].閥門，2018（2）：44-45.

[2] 邢衛(wèi)平，崔兵兵，馬學(xué)東.連桿蝶閥的流場分析[J].機(jī)械工程師，2011（7）：71-72.

[3] 徐付霞.三連桿蝶閥閥板運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算[J].閥門，1994（3）：4-8.

[4] 趙文輝.四桿機(jī)構(gòu)蝶閥的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].甘肅農(nóng)業(yè)，2014（2）：65-66.