上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)(集團)有限公司
摘要:分析了偏心蝶閥在介質(zhì)正向流動(dòng)和反向流動(dòng)的密封受力、閥桿的彎曲變形以及閥桿的彎曲變形對蝶閥密封的影響。提出了一種雙向壓金屬硬密封蝶閥,討論了這種蝶閥的結構、工作原理、密封的可靠性及特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:蝶閥;偏心;金屬硬密封;雙向壓
近年來(lái),我國金屬硬密封蝶閥發(fā)展很快,其主要結構是偏心蝶閥。偏心結構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,偏心結構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(zhù)我國南水北調工程的開(kāi)展、長(cháng)輸管線(xiàn)的不斷建設以及工業(yè)環(huán)保、水處理、高層建筑、給排水管路改造,對蝶閥的密封性能也提出了更高的要求,既要保證蝶閥在正向狀態(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硬密封蝶閥得到國內閥門(mén)行業(yè)的關(guān)注。本文通過(guò)分析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 偏心蝶閥密封力分析
1.1 密封力分析
圖 1 偏心蝶閥結構示圖
偏心蝶閥結構見(jiàn)圖 1,主要由閥體、蝶板、閥桿和填料組成。圖 1 中 L 為閥桿回轉中心與閥體密封面的偏心距離(mm)。偏心蝶閥在介質(zhì)正向流動(dòng)實(shí)現密封功能時(shí),閥桿扭矩在蝶板密封面施加的必需密封力為 FMF(N)。但由于介質(zhì)力 FMJ(N)的作用,使密封面的實(shí)際密封力增大到 FMZZ,此時(shí),密封面的實(shí)際密封力 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 為為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算:
qz=FMZZ/A>qMF (2)
式中,qz 為密封面正向密封比壓,MPa。
偏心蝶閥受反向介質(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,FMZF 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算:
qF=FMZF/A<qMF (4)
式中,qF 為密封面反向密封比壓,MPa。
分析式(2)和式(4)可知,偏心蝶閥在正向介質(zhì)力作用時(shí),密封面的密封力 FMZZ 是閥桿作用力和正向介質(zhì)力作用之和,介質(zhì)正向流動(dòng)容易實(shí)現密封。介質(zhì)在反向流動(dòng)時(shí),由于介質(zhì)力的作用,密封力減小,反向密封比壓 qF 小于正向密封比壓 qZ,且 qZ<qMF,介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)不能保證密封。
必需密封力 FMF 是由閥桿施加在蝶板密封面上的作用力,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。若使介質(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的作用力為必需密封力與介質(zhì)力之和,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。
1.2 閥桿彎曲變形對密封影響的分析
圖 2 閥桿受力簡(jiǎn)化圖
由于反向密封時(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(dòng)時(shí)閥桿彎曲變形對偏心蝶閥的密封影響進(jìn)行分析。介質(zhì)反向流動(dòng),閥桿在克服密封面作用力的同時(shí),還要克服介質(zhì)力對閥桿的正壓力。將閥桿受力簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁,見(jiàn)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。當介質(zhì)正向流動(dòng)時(shí),閥桿向密封面方向彎曲,閥桿變形有利于密封。介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí),閥桿向遠離密封面方向彎曲,蝶板隨著(zhù)閥桿彎曲脫離密封面,密封力減小,不能保證密封。由以上分析可知,當介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí),由于介質(zhì)力的反向作用,偏心蝶閥不能保證可靠的密封功能。為了解決此問(wèn)題,我們研制了一種新型的雙向壓金屬硬密封蝶閥。
2 雙向壓金屬硬密封蝶閥結構
2.1 結構
圖 3 雙向壓金屬密封蝶閥結構
雙向壓金屬密封蝶閥結構見(jiàn)圖 3。主要由下楔塊軸、閥體、蝶板、閥桿、上楔塊軸、填料、閥蓋、填料壓蓋及導向塊等組成。其工作原理是,在開(kāi)啟狀態(tài),閥桿右旋,導向塊引導閥桿帶動(dòng)蝶板向右旋轉 90°,使蝶板密封面與閥體密封面處于平行位置,閥桿繼續右旋,導向塊引導閥桿向下運動(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,蝶閥關(guān)閉,實(shí)現密封;在關(guān)閉狀態(tài),閥桿左旋,導向塊引導閥桿向上移動(dòng),推動(dòng)上、下楔塊作向上運動(dòng),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,閥桿繼續左旋,導向塊引導閥桿旋轉,并帶動(dòng)蝶板向左旋轉 90°,蝶閥開(kāi)啟。由于蝶板相對于閥體密封面偏移一定距離后旋轉,因此蝶板開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)不和閥體密封面產(chǎn)生干涉。
閥桿上、下部位設置的楔形塊的推力能夠克服介質(zhì)反向流動(dòng)的壓力,使蝶閥在介質(zhì)雙向流動(dòng)的工況下實(shí)現可靠的密封。蝶板上設置了楔形燕尾梢,閥桿做上、下運動(dòng)帶動(dòng)楔形塊運動(dòng),楔形塊位移對蝶板密封面施加密封力,提高了蝶閥的密封性能,同時(shí)能夠補償密封副的磨損,提高了金屬密封蝶閥可靠性。楔形塊的楔面在蝶板楔形燕尾槽內推動(dòng)蝶板作往復直線(xiàn)運動(dòng),使蝶板接觸或脫離閥體密封面,減小密封面的擦傷。蝶板先直線(xiàn)運動(dòng),然后旋轉運動(dòng),延長(cháng)了蝶閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間,減小了蝶閥的水動(dòng)力矩。蝶板密封面和閥體密封面均為錐面,密封可靠,設計和加工簡(jiǎn)單。
2.2 密封分析
圖 4 上、下楔塊的彎曲變形分析
雙向壓金屬密封蝶閥結構特點(diǎn)是上、下楔塊軸與閥體軸孔為過(guò)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,蝶板密封力和介質(zhì)壓力使上、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,閥桿在蝶閥啟閉過(guò)程中只受拉伸和壓縮。上、下楔塊的彎曲變形見(jiàn)圖 4。圖 4 中上、下楔塊的受力簡(jiǎn)化為懸臂梁,A 點(diǎn)固定,為閥體對楔塊的支撐點(diǎn),B 點(diǎn)為上、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)際設計中,由于 l 遠大于 211,故 δ1>δ2,可知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(guò)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。
3 結語(yǔ)
雙向壓金屬密封蝶閥的特殊結構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(wèn)題,其設計新穎、性能良好、結構相對簡(jiǎn)單、容易制造且安裝操作方便。通過(guò)產(chǎn)品試制和密封試驗,達到了設計規定的密封耐壓效果。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。