雙向壓金屬對(duì)夾式硬密封蝶閥是開維喜閥門集團(tuán)在2012年研發(fā)出來的**產(chǎn)品。經(jīng)過大量的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)計(jì)算，查閱大量的資料和標(biāo)準(zhǔn)，終于研發(fā)出用于特殊工況要求雙向壓力密封蝶閥的設(shè)計(jì)，多用于熱力公司，用于取代球閥。

　　近年來，我國金屬硬密封蝶閥發(fā)展很快，其主要結(jié)構(gòu)是三偏心硬密封蝶閥。三偏心結(jié)構(gòu)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，三偏心結(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。隨著我國南水北調(diào)工程的開展、長輸管線的不斷建設(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)三偏心蝶閥的雙向密封性能也提出了更高的要求，既要保證雙向三偏心蝶閥在正向狀態(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蝶閥設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到國內(nèi)閥門行業(yè)的關(guān)注。本文通過分析三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 雙向三偏心蝶閥設(shè)計(jì)密封力分析

　　1.1 雙向閥桿設(shè)計(jì)彎曲變形對(duì)密封影響的分析

　　由于設(shè)計(jì)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)雙向設(shè)計(jì)三偏心蝶閥的密封影響進(jìn)行分析。介質(zhì)反向流動(dòng)，設(shè)計(jì)閥桿在克服密封面作用力的同時(shí)，還要克服設(shè)計(jì)介質(zhì)力對(duì)三偏心閥桿的正壓力。將雙向閥桿設(shè)計(jì)受力簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，見圖 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 FFGF/2(FFGF 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：

　　FFGF=FMF+2FMJ (6)

　　FFGF 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。

　　由于三偏心設(shè)計(jì)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。三偏心當(dāng)介質(zhì)正向流動(dòng)時(shí)，設(shè)計(jì)閥桿向密封面方向彎曲，設(shè)計(jì)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，三偏心蝶板隨著閥桿彎曲脫離設(shè)計(jì)密封面，三偏心密封力減小，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，三偏心蝶閥設(shè)計(jì)不能保證可靠的密封功能。為了解決此問題，我們研制了一種新型的雙向壓金屬硬密封蝶閥。

　　1.2 三偏心雙向密封力分析

　　三偏心蝶閥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖 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三偏心距離(mm)。三偏心蝶閥在介質(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 FMF(N)。但設(shè)計(jì)由于介質(zhì)力 FMJ(N)的作用，使設(shè)計(jì)密封面的實(shí)際密封力增大到 FMZZ，此時(shí)，設(shè)計(jì)密封面的雙向?qū)嶋H密封力 FMZZ 為必需密封力 FMF和介質(zhì)力 FMJ 之和，即：

　　FMZZ=FMF+FMJ (1)

　　其中：FMF=qMFA

　　式中，qMF 為三偏心密封面必需密封比壓，MPa;A 為密封面受壓面積，mm2。

　　FMZZ 在密封面形成的密封比壓由下式計(jì)算：

　　qz=FMZZ/A>qMF (2)

　　式中，qz 為密封面正向密封比壓，MPa。

　　三偏心雙向蝶閥受反向介質(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：

　　FMZF=FMF-FMJ (3)

　　式中，F(xiàn)MZF 為密封面的反向密封力，N。

　　FMZF 在密封面形成的密封比壓由下式計(jì)算：

　　qF=FMZF/A

　　式中，qF 為密封面反向密封比壓，MPa。

　　分析式(2)和式(4)可知，三偏心蝶閥在正向介質(zhì)力作用時(shí)，雙向密封設(shè)計(jì)面的密封力 FMZZ 是閥桿作用力和正向介質(zhì)力作用之和，三偏心介質(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)設(shè)計(jì)，由于介質(zhì)力的作用，密封力減小，三偏心雙向反向密封比壓 qF 小于正向密封比壓 qZ，且 qZ

　　必需密封力 FMF 是由閥桿施加在蝶板密封面上的作用力，三偏心設(shè)計(jì)雙向正向密封時(shí)閥桿施加在蝶板密封面上的作用力是必需密封力。三偏心若雙向使介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)能夠保證密封，即 qF≥qMF，則：

　　FMZF=FMF+FMJ-FMJ=FMF (5)

　　由此可知，反向密封時(shí)閥桿施加在蝶板密封面上設(shè)計(jì)的作用力為必需密封力與介質(zhì)力之和，三偏心反向密封時(shí)閥桿施加在蝶板密設(shè)計(jì)封面上的作用力大于正向密封時(shí)閥桿作用力。

　　2 雙向壓金屬硬密封蝶閥結(jié)構(gòu)

　　2.1 密封分析

　　三偏心雙向壓金屬密封蝶閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上、下設(shè)計(jì)楔塊軸與閥體軸孔為過渡配合，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，三偏心雙向蝶板密封力和介質(zhì)壓力使上、三偏心下楔塊軸發(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，雙向閥桿在三偏心設(shè)計(jì)蝶閥啟閉過程中只受拉伸和壓縮。上、下楔塊的彎曲變形見圖 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、三偏心下楔塊的受力點(diǎn)，作用力為 FMF/2，則彎曲變形量為：

　　δ2=FFGFl13/(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，可知三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，則三偏心上、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。

　　2.2結(jié)構(gòu)

　　雙向壓金屬密封蝶閥結(jié)構(gòu)見圖 3。主要由下楔塊軸、設(shè)計(jì)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。其三偏心工作原理是，在開啟狀態(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，三偏心閥桿繼續(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，設(shè)計(jì)蝶閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)密封;在關(guān)閉狀態(tài)，三偏心閥桿左旋，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)，設(shè)計(jì)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，三偏心閥桿繼續(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°，蝶閥開啟。由于蝶板相對(duì)于閥體密封面偏移一定設(shè)計(jì)距離后旋轉(zhuǎn)，因此蝶板開啟和關(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，使三偏心蝶閥在介質(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)蝶設(shè)計(jì)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，提高了三偏心設(shè)計(jì)金屬密封蝶閥可靠性。楔形塊的楔面在蝶板楔形燕設(shè)計(jì)尾槽內(nèi)推動(dòng)蝶板作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使蝶板接觸或脫離閥體密封面，減小密封面的擦傷。三偏心蝶板先直線運(yùn)動(dòng)，然后旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，延長了蝶閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間，減設(shè)計(jì)小了蝶閥的水動(dòng)力矩。蝶板密封面和閥體密封面設(shè)計(jì)均為錐面，密封可靠，設(shè)計(jì)和加工簡(jiǎn)單。

　　3 結(jié)語

　　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題，三偏心其設(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。