摘要：針對金屬硬密封蝶閥的雙向密封問題，基于液壓元件設計中的油缸活塞原理，設計了一種在動水作用下帶移動密封不誘鋼圈的新型金屬硬密封蝶閥。對基本結構進行了分析，確定了采用雙偏心結構的設計；對正向承壓比壓、反向承壓比壓、金屬密封圈的移動距離進行了計算，有效地解決了雙偏心金屬硬密封蝶閥的反向承壓問題；對密封副材料選擇進行了分析，有效地保證了密封效果和比壓要求。
關鍵詞：金屬硬密封蝶閥；移動密封；硬密封；設計計算
蝶閥以其結構簡單、整體產(chǎn)品質量輕、占地面積小、操作簡單和啟閉迅速被廣泛應用于中、低壓管路中。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，以及工業(yè)技術革命的進步，對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)供水所設計的一種新型的金屬硬密封蝶閥。
1 密封副的設計
金屬硬密封蝶閥的密封副結構是產(chǎn)品設計的關鍵。閥門關閉時，閥板密封面與彈性閥座相吻合，密封副在介質壓力作用下產(chǎn)生微小的彈性變形，從而實現(xiàn)密封。所以對密封副的基本要求是：密封性能好、操作靈活和轉矩小。
為滿足對密封副的基本要求，所設計的蝶閥采用雙偏心結構，如圖 1 所示。結構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，擴大了蝶閥在高磨損介質領域的應用。但以往的金屬硬密封蝶閥其密封原理屬位置密封構造，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，故對關閉位置要求很高（特別是金屬閥座），承壓能力低，特別是閥門需雙向承壓時反向承壓很難達到正向的承壓要求。
圖 1 雙偏心結構（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 蝶板密封面運行軌跡；e 徑向偏心；L 軸向偏心；）
在設計中引入了液壓設計的基本思想，將密封閥座設計成可在一定范圍內(nèi)在動水作用下移動的活塞式。正向時靠閥板與閥座的位置來保證密封；反向時，動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。其結構形式如圖 2 所示。
圖 2 密封結構形式（1 蝶板；2 閥體金屬密封圈；3 高強度耐磨橡膠圈；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異型的不銹鋼材質的活塞環(huán)，位于閥體的滑動槽內(nèi)。當正向關閉時，不銹鋼圈密封環(huán)由設計位置確定位于中位，閥板擠壓不銹鋼金屬密封圈。同時不銹鋼密封圈與閥體之間的高強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。此時閥板密封面與滑動密封圈組成的密封副上形成密封比壓，達到密封的效果與要求。當反向關閉時，介質壓力將導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處于一側，即偏離金屬密封圈的一側，使得閥板密封面與滑動密封圈組成的密封副形成的密封比壓減小。而此時不銹鋼金屬密封圈在介質壓力作用下沿閥體通徑軸線方向與閥板同向移動并緊貼閥板，從而達到密封要求的密封比壓，滿足了反向密封的要求。
2 密封副的設計計算
2.1 正向密封時的密封比壓計算
圖 3 正向密封比壓計算圖
閥板關閉承受正向密封壓力時，計算密封比壓如圖 3 所示。
式中：qz:——驗算實際正向密封比壓，MPa；P1——正向密封狀態(tài)時介質壓力，MPa。；Dmn——閥座密封圈內(nèi)徑，mm；bm——密封面接觸寬度，mm；β——密封偏心角度。
2.2 反向密封時的密封比壓計算
圖 4 反向密封比壓計算圖
閥板關閉承受反向密封壓力時，計算密封比壓如圖 4 所示。
式中：qf——驗算實際反向密封比壓，MPa；P2——反向密封狀態(tài)時介質壓力，MPa；Dmw——閥體密封座容腔，mm。
若閥門能夠達到密封要求，則需滿足如下：
qmf<q<[q]
式中：qmf——密封面比壓，MPa；q——驗算實際密封比壓，MPa；[q]——密封面許用比壓，MPa。
式中：Pn——密封狀態(tài)介質壓力，MPa。
2.3 不銹鋼金屬密封圈移動距離的計算
為保證閥門在正反兩方向均能達到有效密封，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量，用來修整閥門受正反壓力時密封位置的變化，如圖 5 所示。
圖 5 密封位置變化圖
對于正向密封時：h1=δt+δz+δbz+δyz
式中：h1——壓蓋側預留間隙，mm；δt——軸套與閥體軸孔配合間隙，mm；δz——閥軸潤滑軸承配合間隙，mm；δbz——閥板承受正向壓力時的變形值，mm；δyz——加工裝配的經(jīng)驗裕量，mm。
對于反向密封時：h2=δt+δz+δbf+δyf
式中：δbf——閥板承受反向壓力時的變形值，mm；δyf——加工裝配的經(jīng)驗裕量，mm。
以上計算確定了異型不銹鋼金屬密封圈的細部尺寸，該設計計算可指導實際的圖紙設計。
3 結語
（1）可移動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，又有效地解決了雙偏心蝶閥的反向承壓問題。
（2）改變可移動不銹鋼金屬密封圈的尺寸，可設計出雙向承壓的 10、16、20、25MPa 四個系列的產(chǎn)品。
（3）改變密封圈的材料可設計出應用高溫、高壓、耐腐蝕工況的系列金屬硬密封蝶閥。
（4）加工工藝簡單、技術易保證，與傳統(tǒng)的蝶閥加工工藝相比有較強的繼承性。
（5）裝配與維修方便，可實現(xiàn)在線更換密封圈。
（6）依此設計方法制造的產(chǎn)品在實際使用中效果很好，完全達到設計要求。