上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司

蝶閥以其結(jié)構(gòu)簡單、整體產(chǎn)品質(zhì)量輕、占地面積小、操作簡單和啟閉迅速被廣泛應(yīng)用于中、低壓管路中。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及工業(yè)技術(shù)革命的進(jìn)步，對(duì)蝶閥的要求越來越高。適用于高壓、高溫、磨損及腐蝕工況下的金屬硬密封蝶閥的發(fā)展迅速，市場需求逐年增大。文中介紹了為某城市管網(wǎng)供水所設(shè)計(jì)的一種新型的金屬硬密封蝶閥。

1 密封副的設(shè)計(jì)

金屬硬密封蝶閥的密封副結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。閥門關(guān)閉時(shí)，閥板密封面與彈性閥座相吻合，密封副在介質(zhì)壓力作用下產(chǎn)生微小的彈性變形，從而實(shí)現(xiàn)密封。所以對(duì)密封副的基本要求是：密封性能好、操作靈活和轉(zhuǎn)矩小。

為滿足對(duì)密封副的基本要求，所設(shè)計(jì)的蝶閥采用雙偏心結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。結(jié)構(gòu)特征為閥桿軸心既偏離蝶板中心、也偏離本體中心。雙偏心的效果使閥門被開啟后蝶板能迅速脫離閥座，大幅度消除蝶板與閥座的不必要的過度擠壓、刮擦現(xiàn)象，減輕了開啟阻矩，降低了磨損，提高了閥座壽命。刮擦的大幅度降低，使得雙偏心蝶閥也可以采用金屬閥座，擴(kuò)大了蝶閥在高磨損介質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用。但以往的金屬硬密封蝶閥其密封原理屬位置密封構(gòu)造，即蝶板與閥座的密封面為線接觸，通過蝶板擠壓閥座所造成的彈性變形產(chǎn)生密封效果，故對(duì)關(guān)閉位置要求很高（特別是金屬閥座），承壓能力低，特別是閥門需雙向承壓時(shí)反向承壓很難達(dá)到正向的承壓要求。

圖 1 雙偏心結(jié)構(gòu)（1 閥板；2 閥桿；3 彈性閥座；4 壓蓋；5 閥體；M 閥座密封中心線；N 閥體通道中心線；P 閥軸中心線；Q 蝶板密封面運(yùn)行軌跡；e 徑向偏心；L 軸向偏心；）

在設(shè)計(jì)中引入了液壓設(shè)計(jì)的基本思想，將密封閥座設(shè)計(jì)成可在一定范圍內(nèi)在動(dòng)水作用下移動(dòng)的活塞式。正向時(shí)靠閥板與閥座的位置來保證密封；反向時(shí)，動(dòng)水壓力越大作用于密封閥座的力越大，閥座與閥板的壓緊力就越大，密封性能就越好。其結(jié)構(gòu)形式如圖 2 所示。

圖 2 密封結(jié)構(gòu)形式（1 蝶板；2 閥體金屬密封圈；3 高強(qiáng)度耐磨橡膠圈；4 壓蓋；5 閥體；6 不銹鋼堆焊層；）

從圖 2 中可看出閥體上的密封圈是一個(gè)異型的不銹鋼材質(zhì)的活塞環(huán)，位于閥體的滑動(dòng)槽內(nèi)。當(dāng)正向關(guān)閉時(shí)，不銹鋼圈密封環(huán)由設(shè)計(jì)位置確定位于中位，閥板擠壓不銹鋼金屬密封圈。同時(shí)不銹鋼密封圈與閥體之間的高強(qiáng)度耐磨橡膠密封圈被擠壓，在其彈性變形內(nèi)即具有密封介質(zhì)的作用，又有支撐不銹鋼圈的作用。使得不銹鋼圈既有金屬的硬度和剛度，又有橡膠的彈性。閥板的密封面采用在球墨鑄鐵或碳鋼基體上堆焊不銹鋼。此時(shí)閥板密封面與滑動(dòng)密封圈組成的密封副上形成密封比壓，達(dá)到密封的效果與要求。當(dāng)反向關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)壓力將導(dǎo)致閥板與閥軸的配合間隙、閥軸與閥體軸承的配合間隙、軸承與閥體軸孔的配合間隙以及加工尺寸誤差的全部累計(jì)處于一側(cè)，即偏離金屬密封圈的一側(cè)，使得閥板密封面與滑動(dòng)密封圈組成的密封副形成的密封比壓減小。而此時(shí)不銹鋼金屬密封圈在介質(zhì)壓力作用下沿閥體通徑軸線方向與閥板同向移動(dòng)并緊貼閥板，從而達(dá)到密封要求的密封比壓，滿足了反向密封的要求。

2 密封副的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 正向密封時(shí)的密封比壓計(jì)算

圖 3 正向密封比壓計(jì)算圖

閥板關(guān)閉承受正向密封壓力時(shí)，計(jì)算密封比壓如圖 3 所示。

式中：q_z:——驗(yàn)算實(shí)際正向密封比壓，MPa；P₁——正向密封狀態(tài)時(shí)介質(zhì)壓力，MPa。；D_mn——閥座密封圈內(nèi)徑，mm；b_m——密封面接觸寬度，mm；β——密封偏心角度。

2.2 反向密封時(shí)的密封比壓計(jì)算

圖 4 反向密封比壓計(jì)算圖

閥板關(guān)閉承受反向密封壓力時(shí)，計(jì)算密封比壓如圖 4 所示。

式中：q_f——驗(yàn)算實(shí)際反向密封比壓，MPa；P₂——反向密封狀態(tài)時(shí)介質(zhì)壓力，MPa；D_mw——閥體密封座容腔，mm。

若閥門能夠達(dá)到密封要求，則需滿足如下：

q_mf<q<[q]

式中：q_mf——密封面比壓，MPa；q——驗(yàn)算實(shí)際密封比壓，MPa；[q]——密封面許用比壓，MPa。

式中：P_n——密封狀態(tài)介質(zhì)壓力，MPa。

2.3 不銹鋼金屬密封圈移動(dòng)距離的計(jì)算

為保證閥門在正反兩方向均能達(dá)到有效密封，閥體密封閥座在閥體的閥座容腔內(nèi)需能在通徑方向有一定的移動(dòng)量，用來修整閥門受正反壓力時(shí)密封位置的變化，如圖 5 所示。

圖 5 密封位置變化圖

對(duì)于正向密封時(shí)：h₁=δ_t+δ_z+δ_bz+δ_yz

式中：h₁——壓蓋側(cè)預(yù)留間隙，mm；δ_t——軸套與閥體軸孔配合間隙，mm；δ_z——閥軸潤滑軸承配合間隙，mm；δ_bz——閥板承受正向壓力時(shí)的變形值，mm；δ_yz——加工裝配的經(jīng)驗(yàn)裕量，mm。

對(duì)于反向密封時(shí)：h₂=δ_t+δ_z+δ_bf+δ_yf

式中：δ_bf——閥板承受反向壓力時(shí)的變形值，mm；δ_yf——加工裝配的經(jīng)驗(yàn)裕量，mm。

以上計(jì)算確定了異型不銹鋼金屬密封圈的細(xì)部尺寸，該設(shè)計(jì)計(jì)算可指導(dǎo)實(shí)際的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

（1）可移動(dòng)活塞式金屬硬密封蝶閥既有雙偏心蝶閥啟閉靈活、操作力矩小的優(yōu)點(diǎn)，又有效地解決了雙偏心蝶閥的反向承壓問題。

（2）改變可移動(dòng)不銹鋼金屬密封圈的尺寸，可設(shè)計(jì)出雙向承壓的 10、16、20、25MPa 四個(gè)系列的產(chǎn)品。

（3）改變密封圈的材料可設(shè)計(jì)出應(yīng)用高溫、高壓、耐腐蝕工況的系列金屬硬密封蝶閥。

（4）加工工藝簡單、技術(shù)易保證，與傳統(tǒng)的蝶閥加工工藝相比有較強(qiáng)的繼承性。

（5）裝配與維修方便，可實(shí)現(xiàn)在線更換密封圈。

（6）依此設(shè)計(jì)方法制造的產(chǎn)品在實(shí)際使用中效果很好，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。