1 蝶閥的發(fā)展演變

    蝶閥的結(jié)構(gòu)從簡單到復(fù)雜的角度來說，首先是“中心對稱蝶閥”，其結(jié)構(gòu)為密封副中心與旋轉(zhuǎn)主軸重合，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便等優(yōu)點，但由于閥板與閥座始終處于擠壓、刮擦狀態(tài)，造成阻矩大、磨損快，所以目前其結(jié)構(gòu)也僅適用于襯膠蝶閥類。

圖1

    為解決“中心對稱蝶閥”的這一問題，隨之產(chǎn)生了“單偏心蝶閥”，其結(jié)構(gòu)特征為旋轉(zhuǎn)主軸在密封副的軸向方向上的一個距離偏心，從而使密封副上下端不再成為回轉(zhuǎn)軸心，分散、減輕了密封副上下端與閥座的過度擠壓，但其效果并不是很理想。

圖2

    為此在單偏心蝶閥的基礎(chǔ)上又做了進(jìn)一步改良，即成為了目前應(yīng)用較為廣泛的“雙偏心蝶閥”，其結(jié)構(gòu)一般是旋轉(zhuǎn)主軸在密封副軸向和徑向方向上各有一個距離偏心，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，實現(xiàn)了閥門開啟后，閥板能比較迅速脫離閥座，大幅度地削減了閥板與閥座的過度擠壓和刮擦，減小了開啟力矩，降低了磨損，顯著提高了閥座的壽命。

圖3

    雙偏心蝶閥的密封副結(jié)構(gòu)，其閥座形式較為常見的有彈性軟閥座和金屬鋼圈閥座兩種，如圖1所示。但就其閥板密封面的形式就有很多種了，比較理想的閥板密封面為球面，其結(jié)構(gòu)簡單形象地說就是截取一個球的一段球臺出來的外環(huán)面就是閥板密封面，如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)閥板在關(guān)閉旋入閥座的過程中，閥板密封面易于擠入閥座中去，但其加工難度大，特別是大口徑蝶閥，加工工藝上就很難嚴(yán)格達(dá)到其設(shè)計幾何精度。所以，閥板密封面一般采用的是錐面，其結(jié)構(gòu)即為一個正圓臺的外環(huán)面為閥板密封面，如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是閥座與閥板密封面接觸面積大，密封的性能和可靠性高，但是閥板在關(guān)閉旋入閥座的過程中，閥座的擠壓變形較大，閥座易磨損，且所需的啟閉力矩較大，由于結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)計閥板與閥座關(guān)閉時的過盈量必然不會很大。在這里可另外介紹一種雙偏心蝶閥，它是由密封副的軸向距離偏心，和閥板密封面的一個角度偏心組成，其閥板密封面為“環(huán)形球面”的一個角度偏心，其結(jié)構(gòu)簡單形象地說就是在一個“游泳圈”上和圓環(huán)面成一個角度，截取一段圓環(huán)出來的外環(huán)面即為閥板密封面，如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)的密封面有點類似于前面所述的球面密封面，但又有別于球面密封面，此密封面不具有對稱性，但易于加工，如圖5所示。“環(huán)形球面”結(jié)構(gòu)相對于錐面結(jié)構(gòu)，是其以“犧牲”密封面接觸寬度，稍微降低密封性能的可靠性，增大閥板切入閥座的倒角，使閥板在關(guān)閉旋入閥座的過程中，閥板更加易于擠入閥座中去，減少閥座的磨損，增加閥座的壽命，所需啟閉力矩較錐面形式稍小。

圖4

圖5

    綜上雙偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較“單偏心蝶閥”而言，不管是密封副在軸向徑向上的距離偏心，還是密封副在軸向上和角度上的偏心，其目的就是為了在開啟過程中讓閥板密封面迅速的脫離閥座，以達(dá)到減少閥座的磨損，增加閥座的壽命，和降低閥板啟閉所需力矩。但是無論雙偏心蝶閥怎么設(shè)計，閥座與閥板密封面總是存在擠壓變形的，那么有沒有一種結(jié)構(gòu)，在啟閉整個過程中，閥座與閥板密封面沒有任何接觸，并且密封性能好，密封面寬度足夠?qū)挘员ＷC密封性能的可靠性。答案是有的，這就是三偏心蝶閥了。

圖6

    2 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)原理

    三偏心蝶閥的設(shè)計原理就是要保證在閥門在0到90度啟閉過程中，閥板密封面和閥體閥座密封面無任何接觸摩擦，并保證密封副寬度足夠?qū)捯源_保密封性能的可靠性。

    三偏心蝶閥是在密封副為錐面結(jié)構(gòu)的雙偏心蝶閥的基礎(chǔ)上進(jìn)行一個角度偏心而得來的，但閥板密封面被單獨(dú)拿出來做成密封圈形式，閥座密封面與密封圈密封面外形結(jié)構(gòu)一致，如圖6所示，在錐面進(jìn)行了一個角度偏心后，能做到密封圈在0-90度閉合過程中，密封圈密封面與閥座無任何接觸摩擦。這里的角度偏心有兩種設(shè)計，一種是偏角度數(shù)為錐角度數(shù)的一半，這樣就導(dǎo)致一邊母線平行于密封副軸向中心線，如圖7所示，這種結(jié)構(gòu)，由于密封圈在0到90度的啟閉過程中，密封圈上各點的旋轉(zhuǎn)直徑始終小于同截面上相對應(yīng)的閥座直徑，所以密封圈在90度旋轉(zhuǎn)過程中，始終能保證與閥座無接觸摩擦，直到到達(dá)90度位置，密封圈與閥座重合，這種結(jié)構(gòu)錐角度數(shù)不能取得過大，否則加工行程過長不易于加工，其實這種結(jié)構(gòu)是三偏心蝶閥設(shè)計中角度偏心的一個特例，且這種結(jié)構(gòu)的密封性能存在有一個不可靠性，在加工和裝配中稍有偏差，或者在工況壓差過大的情況下，在密封副母線平行邊，可能出現(xiàn)“縫隙”，密封性能的可靠性將會難于保證。

    另一種結(jié)構(gòu)，如圖8所示，偏心角度數(shù)θ小于半錐角度數(shù)α，這種結(jié)構(gòu)只有錐角度數(shù)α和偏心角θ以及兩個距離偏心L1、L2和密封副寬度滿足一定的關(guān)系，才能使密封圈在0到90度啟閉過程中無任何接觸摩擦，并且在密封圈和閥座重合后，即使密封圈或者閥座在尺寸上存在一定的偏差，或者工況壓差較大的情況下，密封圈在執(zhí)行器的作用力，其將與閥座將越壓越緊，密封性能得到顯著提高和保證。另外，三偏心蝶閥可以根據(jù)設(shè)計需要，設(shè)計足夠?qū)挼拿芊飧眮肀ＷC密封性能的可靠性。這是雙偏西蝶閥，在閥座無接觸摩擦情況下，所不能做到的。下面我們通過建立三坐標(biāo)，用數(shù)學(xué)關(guān)系式，來建立設(shè)計參數(shù)應(yīng)滿足何種數(shù)學(xué)關(guān)系。

    3 三偏心結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計與計算

    首先，先明確三偏心蝶閥設(shè)計目的：在密封圈90度啟閉過程中，密封圈和閥座無任何接觸。我們先對閥座建立三坐標(biāo)方程，如圖9所示。

圖9

    設(shè)計參數(shù)為：a為軸向偏心距離；h為徑向偏心距離；s為密封面寬度；A為錐底直徑；α為錐角度數(shù)；θ為錐角偏角度數(shù)。

    先以圓錐錐底圓心為坐標(biāo)中間點，建立x'oy'和xoy兩個坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)變換得閥座圓錐在xyz三坐標(biāo)系中的方程為：

     

    然后建立密封圈從關(guān)閉狀態(tài)起旋轉(zhuǎn)γ角度后的三坐標(biāo)方程，如圖10所示，通過一系列坐標(biāo)變換得密封圈旋轉(zhuǎn)γ角度后的圓錐方程為：

     

    密封圈由于偏角的關(guān)系，整個圓錐環(huán)面，呈現(xiàn)一半斜度較大的錐面，和一半斜度較小的錐面，我們暫且形象的叫“大斜面圓環(huán)面”和“小斜面圓環(huán)面”，如圖11所示。由于大斜面圓環(huán)面，是由小直徑圓臺面切入大直徑閥座圓臺面中，所以在整個旋轉(zhuǎn)過程中，密封面旋轉(zhuǎn)直徑都將相對于小于閥座直徑，在大斜面這半邊區(qū)域，是不會發(fā)生干涉現(xiàn)象的；相反，小斜面就是大圓臺直徑切入閥座小圓臺中，設(shè)計尺寸只有滿足一定的關(guān)系，才能達(dá)到整個旋轉(zhuǎn)過程中不發(fā)生干涉現(xiàn)象。

    聯(lián)立方程組：

    方程①為閥座密封面寬度r截面方程，方程②為密封圈大圓臺面旋轉(zhuǎn)0到90度方程，聯(lián)立方程組，可解得密封圈在關(guān)閉過程中，大圓臺面在閥座密封面上在xoy面上的所有交點集合，將這些交點集合帶入閥座方程和密封圈方程，得到閥座和密封圈z坐標(biāo)方向上的z1值和z2值，只要滿足z1≥z2，則就能實現(xiàn)密封圈在關(guān)閉過程中，無任何接觸摩擦的設(shè)計目標(biāo)。

    4 結(jié)論

    綜上所述：設(shè)計參數(shù)只要能滿足以下聯(lián)立方程組，則就滿足三偏心蝶閥設(shè)計要求：