三偏心金属密封蝶阀蝶板密封圈结构分析与研究

　　根据三偏心金属密封蝶阀蝶板的特点，利用有限元分析软件分别对加弹性槽的金属密封蝶板和未加弹性槽的金属密封蝶板进行了应力分析，优化设计。得出了蝶板弹性槽结构形式及其介质流向对阀门密封性能的影响因素和相关数据。

1、概述

　　蝶板是蝶阀的关键零部件之一，在蝶阀中蝶板主要起到使介质流通和阻断的作用。密封副的形式决定了蝶板的结构。蝶阀的密封副可分为非金属( 软) 密封和金属( 硬) 密封，软密封蝶阀的蝶板结构可大致分为蝶板本体( 即与阀杆固定部分) 、密封圈及压紧环。金属密封蝶阀的蝶板结构相对简单，蝶板为一体零件，只需在密封面堆焊耐磨耐腐蚀材料。针对金属密封蝶阀加弹性槽的金属密封蝶板和未加弹性槽的金属密封蝶板的结构，采用有限元分析软件分别对其进行应力分析，得出蝶板弹性槽结构形式对阀门密封性能的影响及其结构的优化设计。

2、结构分析

　　三偏心金属密封蝶阀的密封圈( 不论装在阀座上或蝶板上) 具有一定的弹性，而且定位凸台与密封圈之间有少量的间隙可使弹性圈稍有位移。在阀门关闭时，受关闭力的作用，弹性体密封圈能自动移至受力最均匀的位置，再加上弹性圈的少量变形，使阀座处的密封圈均匀受力，达到最佳密封状态。三偏心金属密封蝶阀在使用过程中存在的问题。

　　(1) 由于多层软硬叠式密封圈固定在蝶板上，当蝶板常开状态时介质对其密封面形成正面冲刷，金属片夹层中的软密封带受冲刷后，直接影响密封性能。

　　(2) 受结构条件的限制，三偏心金属密封蝶阀不适用于通径DN > 200mm 的阀门，其原因是蝶板整体结构厚，流阻大。

　　(3) 根据三偏心阀门结构的原理，在流道介质正流状态时，介质压力越高密封挤压越紧。当流道介质逆流时，随着介质压力的增大蝶板与阀座之间的实际密封比压小于必需比压或阀杆发生变形时，密封开始泄漏。

　　在原有基础上将多层次的密封圈更换，采用金属直接加工而成。为使密封圈仍具有一定的弹性，选择U 形弹性槽结构。根据应用介质及压力温度不同，选择合适的密封圈材质，也可以用堆焊或者表面处理等技术控制密封面的性能。利用SolidWorks Simulation 对密封圈形式进行分析和对比，其中，假定介质压力为5. 0MPa，A 为原有多层次密封圈，B 为改进后U 形弹性槽密封圈( 图1) 。

1. 蝶板 2. 密封圈 3. 圆柱销 4. 压紧环 5. 石墨垫片

图1 蝶板密封副结构

表1 变形量对比

　　根据位移云图( 图2 ～ 图6) 和表1 可以看出，进口和出口方向都设计弹性槽的密封圈变形量较大，至少是原结构的10 倍以上。

图2 不加弹性槽

图3 进口方向加弹性槽

　　弹性密封圈在介质力作用下发生弹性形变，补偿了加工过程中的误差，增加了实际密封比压，密封性能得到明显提高。在反向密封时，由于阀杆和蝶板轴孔及阀体轴孔都是间隙配合，在介质力作用下密封面的实际比压会降低，弹性槽的变形会起到一定的弥补作用，在双向互换管路中可以达到反向密封。与多层软硬叠式密封面相比，密封面对介质的正面冲刷基本不受影响。金属材料弹性密封圈可有效防止火灾，使用安全并其寿命更长。小口径阀门可以采用整体蝶板的结构形式，即蝶板、密封圈及其压紧环整合为一个零件。在高温高压、双向互换或腐蚀性介质管路上都可以应用，适用范围明显提高。

图4 出口方向加弹性槽

图5 两侧加弹性槽正向施压

图6 两侧加弹性槽反向施压

3、结语

　　通过加弹性槽结构的蝶板金属密封面与多层次密封圈在弹性形变方面的对比，结果证明蝶板弹性槽对密封性能起到一定的弥补作用，并在耐冲刷、防腐蚀和降低流阻系数方面有明显改善，从而提高了蝶阀的密封性能，使三偏心金属密封蝶阀的优势更加突出。