上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)(集團)有限公司
摘要:針對金屬硬密封蝶閥的雙向密封問(wèn)題,基于液壓元件設計中的油缸活塞原理,設計了一種在動(dòng)水作用下帶移動(dòng)密封不誘鋼圈的新型金屬硬密封蝶閥。對基本結構進(jìn)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(dòng)距離進(jìn)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?jiǎn)?wèn)題;對密封副材料選擇進(jìn)行了分析,有效地保證了密封效果和比壓要求。
關(guān)鍵詞:金屬硬密封蝶閥;移動(dòng)密封;硬密封;設計計算
蝶閥以其結構簡(jiǎn)單、整體產(chǎn)品質(zhì)量輕、占地面積小、操作簡(jiǎn)單和啟閉迅速被廣泛應用于中、低壓管路中。隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展,以及工業(yè)技術(shù)革命的進(jìn)步,對蝶閥的要求越來(lái)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(chǎng)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(guān)鍵。閥門(mén)關(guān)閉時(shí),閥板密封面與彈性閥座相吻合,密封副在介質(zhì)壓力作用下產(chǎn)生微小的彈性變形,從而實(shí)現密封。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(mǎn)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(mén)被開(kāi)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(guò)度擠壓、刮擦現象,減輕了開(kāi)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(zhì)領(lǐng)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(xiàn)接觸,通過(guò)蝶板擠壓閥座所造成的彈性變形產(chǎn)生密封效果,故對關(guān)閉位置要求很高(特別是金屬閥座),承壓能力低,特別是閥門(mén)需雙向承壓時(shí)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(xiàn);N 閥體通道中心線(xiàn);P 閥軸中心線(xiàn);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在動(dòng)水作用下移動(dòng)的活塞式。正向時(shí)靠閥板與閥座的位置來(lái)保證密封;反向時(shí),動(dòng)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(gè)異型的不銹鋼材質(zhì)的活塞環(huán),位于閥體的滑動(dòng)槽內。當正向關(guān)閉時(shí),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(shí)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,在其彈性變形內即具有密封介質(zhì)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(shí)閥板密封面與滑動(dòng)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(guān)閉時(shí),介質(zhì)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(dòng)密封圈組成的密封副形成的密封比壓減小。而此時(shí)不銹鋼金屬密封圈在介質(zhì)壓力作用下沿閥體通徑軸線(xiàn)方向與閥板同向移動(dòng)并緊貼閥板,從而達到密封要求的密封比壓,滿(mǎn)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(shí)的密封比壓計算
圖 3 正向密封比壓計算圖
閥板關(guān)閉承受正向密封壓力時(shí),計算密封比壓如圖 3 所示。
式中:qz:——驗算實(shí)際正向密封比壓,MPa;P1——正向密封狀態(tài)時(shí)介質(zhì)壓力,MPa。;Dmn——閥座密封圈內徑,mm;bm——密封面接觸寬度,mm;β——密封偏心角度。
2.2 反向密封時(shí)的密封比壓計算
圖 4 反向密封比壓計算圖
閥板關(guān)閉承受反向密封壓力時(shí),計算密封比壓如圖 4 所示。
式中:qf——驗算實(shí)際反向密封比壓,MPa;P2——反向密封狀態(tài)時(shí)介質(zhì)壓力,MPa;Dmw——閥體密封座容腔,mm。
若閥門(mén)能夠達到密封要求,則需滿(mǎn)足如下:
qmf<q<[q]
式中:qmf——密封面比壓,MPa;q——驗算實(shí)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(zhì)壓力,MPa。
2.3 不銹鋼金屬密封圈移動(dòng)距離的計算
為保證閥門(mén)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需能在通徑方向有一定的移動(dòng)量,用來(lái)修整閥門(mén)受正反壓力時(shí)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(shí):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(shí)的變形值,mm;δyz——加工裝配的經(jīng)驗裕量,mm。
對于反向密封時(shí):h2=δt+δz+δbf+δyf
式中:δbf——閥板承受反向壓力時(shí)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(shí)際的圖紙設計。
3 結語(yǔ)
(1)可移動(dòng)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(diǎn),又有效地解決了雙偏心蝶閥的反向承壓?jiǎn)?wèn)題。
(2)改變可移動(dòng)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(gè)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(jiǎn)單、技術(shù)易保證,與傳統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(shí)現在線(xiàn)更換密封圈。
(6)依此設計方法制造的產(chǎn)品在實(shí)際使用中效果很好,完全達到設計要求。