雙向壓金屬對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。對于介質(zhì)雙向受壓密封的管道，當(dāng)介質(zhì)正向流動時(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，僅對介質(zhì)反向流動時(shí)閥桿彎曲變形對雙向設(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，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)力對三偏心閥桿的正壓力。將雙向閥桿設(shè)計(jì)受力簡化為簡支梁，見圖 2。圖 2 中 A、B 兩點(diǎn)為閥體對閥桿的支點(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)力對閥桿的作用力，N)，根據(jù)力的平衡原理有：

　　FFGF=FMF+2FMJ (6)

　　FFGF 對閥桿產(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)正向流動容易實(shí)現(xiàn)密封。介質(zhì)在反向流動時(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)反向流動時(shí)，向下推動上、下楔塊，上、下楔塊推動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、下楔塊的受力簡化為懸臂梁，A 點(diǎn)固定，為閥體對楔塊的支撐點(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、下楔塊的變形不會引起閥桿產(chǎn)生彎曲變形。上、下楔塊進(jìn)一步推動閥桿，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，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，推動上、下楔塊，使楔塊楔面推動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，推動上、下楔塊作向上運(yùn)動，設(shè)計(jì)楔塊楔面帶動蝶板平移，蝶板密封面和閥體密封面脫離，蝶板移動一定的偏心距離后，三偏心閥桿繼續(xù)左旋，導(dǎo)向塊引導(dǎo)閥桿旋轉(zhuǎn)，并帶動蝶板向左旋轉(zhuǎn) 90°，蝶閥開啟。由于蝶板相對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)反向流動的壓力，使三偏心蝶閥在介質(zhì)雙向流動的工況下實(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)動帶動楔形塊運(yùn)動，楔形塊位移對蝶設(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)推動蝶板作往復(fù)直線運(yùn)動，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，然后旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，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)相對簡單、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。