可移动活塞式金属硬密封蝶阀设计

摘要：针对金属硬密封蝶阀的双向密封问题，基于液压元件设计中的油缸活塞原理，设计了一种在动水作用下带移动密封不诱钢圈的新型金属硬密封蝶阀。对基本结构进行了分析，确定了采用双偏心结构的设计；对正向承压比压、反向承压比压、金属密封圈的移动距离进行了计算，有效地解决了双偏心金属硬密封蝶阀的反向承压问题；对密封副材料选择进行了分析，有效地保证了密封效果和比压要求。

关键词：金属硬密封蝶阀；移动密封；硬密封；设计计算

蝶阀以其结构简单、整体产品质量轻、占地面积小、操作简单和启闭迅速被广泛应用于中、低压管路中。随着国民经济的发展，以及工业技术革命的进步，对蝶阀的要求越来越高。适用于高压、高温、磨损及腐蚀工况下的金属硬密封蝶阀的发展迅速，市场需求逐年增大。文中介绍了为某城市管网供水所设计的一种新型的金属硬密封蝶阀。

1 密封副的设计

金属硬密封蝶阀的密封副结构是产品设计的关键。阀门关闭时，阀板密封面与弹性阀座相吻合，密封副在介质压力作用下产生微小的弹性变形，从而实现密封。所以对密封副的基本要求是：密封性能好、操作灵活和转矩小。

为满足对密封副的基本要求，所设计的蝶阀采用双偏心结构，如图 1 所示。结构特征为阀杆轴心既偏离蝶板中心、也偏离本体中心。双偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅速脱离阀座，大幅度消除蝶板与阀座的不必要的过度挤压、刮擦现象，减轻了开启阻矩，降低了磨损，提高了阀座寿命。刮擦的大幅度降低，使得双偏心蝶阀也可以采用金属阀座，扩大了蝶阀在高磨损介质领域的应用。但以往的金属硬密封蝶阀其密封原理属位置密封构造，即蝶板与阀座的密封面为线接触，通过蝶板挤压阀座所造成的弹性变形产生密封效果，故对关闭位置要求很高（特别是金属阀座），承压能力低，特别是阀门需双向承压时反向承压很难达到正向的承压要求。

图 1 双偏心结构（1 阀板；2 阀杆；3 弹性阀座；4 压盖；5 阀体；M 阀座密封中心线；N 阀体通道中心线；P 阀轴中心线；Q 蝶板密封面运行轨迹；e 径向偏心；L 轴向偏心；）

在设计中引入了液压设计的基本思想，将密封阀座设计成可在一定范围内在动水作用下移动的活塞式。正向时靠阀板与阀座的位置来保证密封；反向时，动水压力越大作用于密封阀座的力越大，阀座与阀板的压紧力就越大，密封性能就越好。其结构形式如图 2 所示。

图 2 密封结构形式（1 蝶板；2 阀体金属密封圈；3 高强度耐磨橡胶圈；4 压盖；5 阀体；6 不锈钢堆焊层；）

从图 2 中可看出阀体上的密封圈是一个异型的不锈钢材质的活塞环，位于阀体的滑动槽内。当正向关闭时，不锈钢圈密封环由设计位置确定位于中位，阀板挤压不锈钢金属密封圈。同时不锈钢密封圈与阀体之间的高强度耐磨橡胶密封圈被挤压，在其弹性变形内即具有密封介质的作用，又有支撑不锈钢圈的作用。使得不锈钢圈既有金属的硬度和刚度，又有橡胶的弹性。阀板的密封面采用在球墨铸铁或碳钢基体上堆焊不锈钢。此时阀板密封面与滑动密封圈组成的密封副上形成密封比压，达到密封的效果与要求。当反向关闭时，介质压力将导致阀板与阀轴的配合间隙、阀轴与阀体轴承的配合间隙、轴承与阀体轴孔的配合间隙以及加工尺寸误差的全部累计处于一侧，即偏离金属密封圈的一侧，使得阀板密封面与滑动密封圈组成的密封副形成的密封比压减小。而此时不锈钢金属密封圈在介质压力作用下沿阀体通径轴线方向与阀板同向移动并紧贴阀板，从而达到密封要求的密封比压，满足了反向密封的要求。

2 密封副的设计计算

2.1 正向密封时的密封比压计算

图 3 正向密封比压计算图

阀板关闭承受正向密封压力时，计算密封比压如图 3 所示。

式中：q_z:——验算实际正向密封比压，MPa；P₁——正向密封状态时介质压力，MPa。；D_mn——阀座密封圈内径，mm；b_m——密封面接触宽度，mm；β——密封偏心角度。

2.2 反向密封时的密封比压计算

图 4 反向密封比压计算图

阀板关闭承受反向密封压力时，计算密封比压如图 4 所示。

式中：q_f——验算实际反向密封比压，MPa；P₂——反向密封状态时介质压力，MPa；D_mw——阀体密封座容腔，mm。

若阀门能够达到密封要求，则需满足如下：

q_mf

式中：q_mf——密封面比压，MPa；q——验算实际密封比压，MPa；[q]——密封面许用比压，MPa。

式中：P_n——密封状态介质压力，MPa。

2.3 不锈钢金属密封圈移动距离的计算

为保证阀门在正反两方向均能达到有效密封，阀体密封阀座在阀体的阀座容腔内需能在通径方向有一定的移动量，用来修整阀门受正反压力时密封位置的变化，如图 5 所示。

图 5 密封位置变化图

对于正向密封时：h₁=δ_t+δ_z+δ_bz+δ_yz

式中：h₁——压盖侧预留间隙，mm；δ_t——轴套与阀体轴孔配合间隙，mm；δ_z——阀轴润滑轴承配合间隙，mm；δ_bz——阀板承受正向压力时的变形值，mm；δ_yz——加工装配的经验裕量，mm。

对于反向密封时：h₂=δ_t+δ_z+δ_bf+δ_yf

式中：δ_bf——阀板承受反向压力时的变形值，mm；δ_yf——加工装配的经验裕量，mm。

以上计算确定了异型不锈钢金属密封圈的细部尺寸，该设计计算可指导实际的图纸设计。

3 结语

（1）可移动活塞式金属硬密封蝶阀既有双偏心蝶阀启闭灵活、操作力矩小的优点，又有效地解决了双偏心蝶阀的反向承压问题。

（2）改变可移动不锈钢金属密封圈的尺寸，可设计出双向承压的 10、16、20、25MPa 四个系列的产品。

（3）改变密封圈的材料可设计出应用高温、高压、耐腐蚀工况的系列金属硬密封蝶阀。

（4）加工工艺简单、技术易保证，与传统的蝶阀加工工艺相比有较强的继承性。

（5）装配与维修方便，可实现在线更换密封圈。

（6）依此设计方法制造的产品在实际使用中效果很好，完全达到设计要求。

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