上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（集團(tuán)）有限公司

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近年來(lái)，我國(guó)金屬硬密封蝶閥發(fā)展很快，其主要結(jié)構(gòu)是偏心蝶閥。偏心結(jié)構(gòu)蝶閥的蝶板與閥座之間的密封是靠傳動(dòng)裝置的力矩使蝶板壓向閥座實(shí)現(xiàn)的，閥桿啟閉扭矩越大，閥座的密封性能越好。對(duì)于介質(zhì)雙向受壓密封的管道，當(dāng)介質(zhì)正向流動(dòng)時(shí)，介質(zhì)壓力使密封比壓增大．提高密封性能；介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)，介質(zhì)壓力使蝶板與閥座之間的密封比壓減小，有可能發(fā)生泄漏，偏心結(jié)構(gòu)金屬硬密封蝶閥不能完全保證反向介質(zhì)流動(dòng)的密封。隨著我國(guó)南水北調(diào)工程的開(kāi)展、長(zhǎng)輸管線(xiàn)的不斷建設(shè)以及工業(yè)環(huán)保、水處理、高層建筑、給排水管路改造，對(duì)蝶閥的密封性能也提出了更高的要求，既要保證蝶閥在正向狀態(tài)能夠密封，也要在反向狀態(tài)能夠保證密封，因此，介質(zhì)雙向流動(dòng)都能保證密封的雙向壓硬密封蝶閥得到國(guó)內(nèi)閥門(mén)行業(yè)的關(guān)注。本文通過(guò)分析偏心蝶閥的密封力和閥桿變形，提出一種雙向壓金屬硬密封蝶閥。

1 偏心蝶閥密封力分析

1.1 密封力分析

圖 1 偏心蝶閥結(jié)構(gòu)示圖

偏心蝶閥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1，主要由閥體、蝶板、閥桿和填料組成。圖 1 中 L 為閥桿回轉(zhuǎn)中心與閥體密封面的偏心距離（mm）。偏心蝶閥在介質(zhì)正向流動(dòng)實(shí)現(xiàn)密封功能時(shí)，閥桿扭矩在蝶板密封面施加的必需密封力為 F_MF（N）。但由于介質(zhì)力 F_MJ（N）的作用，使密封面的實(shí)際密封力增大到 F_MZZ，此時(shí)，密封面的實(shí)際密封力 F_MZZ 為必需密封力 F_MF和介質(zhì)力 F_MJ 之和，即：

F_MZZ=F_MF+F_MJ （1）

其中：F_MF=_qMFA

式中，qMF 為為密封面必需密封比壓，MPa；A 為密封面受壓面積，mm²。

F_MZZ 在密封面形成的密封比壓由下式計(jì)算：

qz=F_MZZ/A>qMF （2）

式中，qz 為密封面正向密封比壓，MPa。

偏心蝶閥受反向介質(zhì)力作用時(shí)，在同樣的閥桿扭矩和介質(zhì)力作用下，密封力為：

F_MZF=F_MF-F_MJ （3）

式中，F(xiàn)_MZF 為密封面的反向密封力，N。

F_MZF 在密封面形成的密封比壓由下式計(jì)算：

q_F=F_MZF/A<q_MF （4）

式中，q_F 為密封面反向密封比壓，MPa。

分析式（2）和式（4）可知，偏心蝶閥在正向介質(zhì)力作用時(shí)，密封面的密封力 F_MZZ 是閥桿作用力和正向介質(zhì)力作用之和，介質(zhì)正向流動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)密封。介質(zhì)在反向流動(dòng)時(shí)，由于介質(zhì)力的作用，密封力減小，反向密封比壓 q_F 小于正向密封比壓 q_Z，且 q_Z<q_MF，介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)不能保證密封。

必需密封力 F_MF 是由閥桿施加在蝶板密封面上的作用力，正向密封時(shí)閥桿施加在蝶板密封面上的作用力是必需密封力。若使介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)能夠保證密封，即 q_F≥q_MF，則：

F_MZF=F_MF+F_MJ-F_MJ=F_MF （5）

由此可知，反向密封時(shí)閥桿施加在蝶板密封面上的作用力為必需密封力與介質(zhì)力之和，反向密封時(shí)閥桿施加在蝶板密封面上的作用力大于正向密封時(shí)閥桿作用力。

1.2 閥桿彎曲變形對(duì)密封影響的分析

圖 2 閥桿受力簡(jiǎn)化圖

由于反向密封時(shí)閥桿施加在蝶板密封面上的作用力大于正向密封時(shí)閥桿作用力，因此，僅對(duì)介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)閥桿彎曲變形對(duì)偏心蝶閥的密封影響進(jìn)行分析。介質(zhì)反向流動(dòng)，閥桿在克服密封面作用力的同時(shí)，還要克服介質(zhì)力對(duì)閥桿的正壓力。將閥桿受力簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，見(jiàn)圖 2。圖 2 中 A、B 兩點(diǎn)為閥體對(duì)閥桿的支點(diǎn)，C、D 兩點(diǎn)是閥桿的受力點(diǎn)，作用力為 F_FGF/2（F_FGF 為蝶板密封面力和介質(zhì)力對(duì)閥桿的作用力，N），根據(jù)力的平衡原理有：

F_FGF=F_MF+2F_MJ （6）

F_FGF 對(duì)閥桿產(chǎn)生的彎曲變形量為：

式中，δ₁ 為閥桿彎曲變形量，l₁、l₂ 分別為 AC 和 DB 距離，通常取 l₁=l₂，l 為 A、B 兩點(diǎn)距離，mm；E 為彈性模量，GPa；I 為慣性矩，N·s²·m。

由于密封力和介質(zhì)作用力的共同作用使得閥桿發(fā)生彎曲變形，變形量為 δ₁。當(dāng)介質(zhì)正向流動(dòng)時(shí)，閥桿向密封面方向彎曲，閥桿變形有利于密封。介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)，閥桿向遠(yuǎn)離密封面方向彎曲，蝶板隨著閥桿彎曲脫離密封面，密封力減小，不能保證密封。由以上分析可知，當(dāng)介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)，由于介質(zhì)力的反向作用，偏心蝶閥不能保證可靠的密封功能。為了解決此問(wèn)題，我們研制了一種新型的雙向壓金屬硬密封蝶閥。

2 雙向壓金屬硬密封蝶閥結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)

圖 3 雙向壓金屬密封蝶閥結(jié)構(gòu)

雙向壓金屬密封蝶閥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 3。主要由下楔塊軸、閥體、蝶板、閥桿、上楔塊軸、填料、閥蓋、填料壓蓋及導(dǎo)向塊等組成。其工作原理是，在開(kāi)啟狀態(tài)，閥桿右旋，導(dǎo)向塊引導(dǎo)閥桿帶動(dòng)蝶板向右旋轉(zhuǎn) 90°，使蝶板密封面與閥體密封面處于平行位置，閥桿繼續(xù)右旋，導(dǎo)向塊引導(dǎo)閥桿向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)上、下楔塊，使楔塊楔面推動(dòng)蝶板和閥體密封面接觸，蝶閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)密封；在關(guān)閉狀態(tài)，閥桿左旋，導(dǎo)向塊引導(dǎo)閥桿向上移動(dòng)，推動(dòng)上、下楔塊作向上運(yùn)動(dòng)，楔塊楔面帶動(dòng)蝶板平移，蝶板密封面和閥體密封面脫離，蝶板移動(dòng)一定的偏心距離后，閥桿繼續(xù)左旋，導(dǎo)向塊引導(dǎo)閥桿旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)蝶板向左旋轉(zhuǎn) 90°，蝶閥開(kāi)啟。由于蝶板相對(duì)于閥體密封面偏移一定距離后旋轉(zhuǎn)，因此蝶板開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)不和閥體密封面產(chǎn)生干涉。

閥桿上、下部位設(shè)置的楔形塊的推力能夠克服介質(zhì)反向流動(dòng)的壓力，使蝶閥在介質(zhì)雙向流動(dòng)的工況下實(shí)現(xiàn)可靠的密封。蝶板上設(shè)置了楔形燕尾梢，閥桿做上、下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)楔形塊運(yùn)動(dòng)，楔形塊位移對(duì)蝶板密封面施加密封力，提高了蝶閥的密封性能，同時(shí)能夠補(bǔ)償密封副的磨損，提高了金屬密封蝶閥可靠性。楔形塊的楔面在蝶板楔形燕尾槽內(nèi)推動(dòng)蝶板作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，使蝶板接觸或脫離閥體密封面，減小密封面的擦傷。蝶板先直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，然后旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了蝶閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，減小了蝶閥的水動(dòng)力矩。蝶板密封面和閥體密封面均為錐面，密封可靠，設(shè)計(jì)和加工簡(jiǎn)單。

2.2 密封分析

圖 4 上、下楔塊的彎曲變形分析

雙向壓金屬密封蝶閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上、下楔塊軸與閥體軸孔為過(guò)渡配合，上、下楔塊軸孔與閥桿為間隙配合。介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)，向下推動(dòng)上、下楔塊，上、下楔塊推動(dòng)蝶板向閥體密封面施加密封力，蝶板密封力和介質(zhì)壓力使上、下楔塊軸發(fā)生彎曲變形，由于上、下楔塊軸孔與閥桿是間隙配合，上、下楔塊軸彎曲變形不致影響閥桿發(fā)生彎曲變形，閥桿在蝶閥啟閉過(guò)程中只受拉伸和壓縮。上、下楔塊的彎曲變形見(jiàn)圖 4。圖 4 中上、下楔塊的受力簡(jiǎn)化為懸臂梁，A 點(diǎn)固定，為閥體對(duì)楔塊的支撐點(diǎn)，B 點(diǎn)為上、下楔塊的受力點(diǎn)，作用力為 F_MF/2，則彎曲變形量為：

δ₂=F_FGFl₁³/(6EI) （8）

式中，δ₂ 為上、下楔塊軸彎曲變形量，l₁ 為 A、B 兩點(diǎn)距離，mm。

由式（7）和式（8）得：

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于 l 遠(yuǎn)大于 21₁，故 δ₁>δ₂，可知偏心蝶閥閥桿彎曲變形量大于雙向壓金屬密封蝶閥上、下楔塊軸的彎曲變形量。

雙向壓金屬密封蝶閥上、下楔塊軸布置在閥腔上、下部位，適當(dāng)增加上、下楔塊軸橫截面積，即增大慣性矩 I，增加了閥桿剛度，使變形量 δ₂ 為減小，不會(huì)使蝶閥的流體阻力過(guò)大。上、下楔塊軸孔與閥桿的配合間隙大于或等于變形量 δ₂，則上、下楔塊的變形不會(huì)引起閥桿產(chǎn)生彎曲變形。上、下楔塊進(jìn)一步推動(dòng)閥桿，增大楔形塊的楔緊力，蝶板獲得更大的密封力，可以補(bǔ)償變形量 δ₂ 引起的蝶板向密封面反向的微量移動(dòng)，提高了反向密封的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

雙向壓金屬密封蝶閥的特殊結(jié)構(gòu)解決了偏心蝶閥介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)不能保證可靠密封的問(wèn)題，其設(shè)計(jì)新穎、性能良好、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、容易制造且安裝操作方便。通過(guò)產(chǎn)品試制和密封試驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)定的密封耐壓效果。該閥適用于石油、化工、天然氣及供水等行業(yè)中有雙向流通需要的壓力管道。