三偏心硬密封蝶閥密封面結(jié)構(gòu)分析

張向明

摘要：三偏心硬密封蝶閥目前在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)已經(jīng)非常普遍，對(duì)于第三偏心的密封面結(jié)構(gòu)一般為成熟的斜置圓錐面形式，實(shí)際還有另外一種斜圓錐面密封形式。文章針對(duì)這兩種密封面形式進(jìn)行了分析和對(duì)比。

關(guān)鍵詞：蝶閥；三偏心；密封面；結(jié)構(gòu)分析；斜圓錐 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH134 文章編號(hào)：1009-2374（2017）11-0041-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.021

1 概述

從20世紀(jì)八九十年代開始，我國(guó)的蝶閥生產(chǎn)和制造速度突飛猛進(jìn)，吸收了很多國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，特別是三偏心蝶閥，在原有的中線蝶閥、單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥基礎(chǔ)上又有了結(jié)構(gòu)上的飛躍，避免了開啟時(shí)候的力矩問題，實(shí)現(xiàn)了瞬間完全開啟、關(guān)閉的功能。三偏心蝶閥的密封面的設(shè)計(jì)加工是三偏心技術(shù)的核心，直接影響到產(chǎn)品的性能。本文涉及到的兩種密封面方式各有自己的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，根據(jù)具體的情況來(lái)選擇合適的密封形式。

2 結(jié)構(gòu)分析

首先是對(duì)密封面的一個(gè)說明，如圖1所示，密封面分為閥座密封面和閥板密封面：

兩個(gè)表面的形狀都是圓錐的斜面，而且這兩個(gè)表面必須是出自同一個(gè)圓錐的表面才能夠保證兩個(gè)密封面能夠百分百貼合，從而實(shí)現(xiàn)密封的目的。

2.1 正圓錐

正圓錐是指一個(gè)完整回轉(zhuǎn)體形成的圓錐，即用一個(gè)直角三角形繞直角邊旋轉(zhuǎn)360°得到的圓錐，如圖2所示，每一個(gè)豎截面都是軸對(duì)稱，而使用密封面則是將圓錐橫置后，一條母線水平，截取中間的一段作為密封的部分，參考圖3所示：

從豎直方面看的截面來(lái)看，每個(gè)截面都是橢圓形（圖4），這是目前非常普遍的應(yīng)用形式，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)相對(duì)容易理解，只是將圓錐平置即可。圓錐的三維模型參見圖5。

2.2 斜圓錐

斜圓錐從外形來(lái)說和正圓錐區(qū)別并不是非常大，如下圖6所示，兩個(gè)圓錐的對(duì)比，頂角同為25°夾角，高度為352mm，底面截面尺寸：正圓錐橢圓截面長(zhǎng)軸164.13，短軸159.85，斜圓錐底面直徑為160mm。兩個(gè)圓錐的三維模型參考圖6，從圖6可以看出，兩個(gè)模型總體差別小，如果不通過測(cè)量的方式用肉眼很難分辨出兩者的差異。從底面觀察可以看到細(xì)微的差別，但是由于圓錐角度并不是很大，所以正圓錐的斜截面形成的橢圓長(zhǎng)短軸差異很小，比如這個(gè)模型中的長(zhǎng)短軸也就差異4mm，通過肉眼也不容易分辨出來(lái)。

斜圓錐的建模原理和正圓錐的回轉(zhuǎn)方式完全不同，不是通過回轉(zhuǎn)形成的幾何體，在建模軟件中無(wú)法通過旋轉(zhuǎn)命令完成，而是通過不同的圓截面“堆積”而成，所有圓形截面都與一條母線相切，并且圓心都通過一條直線，三維模型建模時(shí)候可以通過混合掃描的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)圖的原理可以按照?qǐng)D7進(jìn)行說明。

綜上所述，兩種圓錐的不同之處就是底面的截面，正圓錐是橢圓，可以理解為無(wú)限多個(gè)橢圓“堆積”而成，所有橢圓的中心在一條直線上；斜圓錐是正圓，可以理解為無(wú)限多個(gè)正圓“堆積”而成，所有的圓形的圓心都在一條直線上。

3 兩種密封表面的特點(diǎn)對(duì)比

因?yàn)檫@兩種圓錐面的形成原理不同，所以從產(chǎn)品自己的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還是加工特性以及相應(yīng)影響到的產(chǎn)品性能方面都有所差別，下面就分別就這幾個(gè)方面對(duì)正圓錐密封面和斜圓錐密封面進(jìn)行分析。

3.1 正圓錐

3.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。正圓錐本身是回轉(zhuǎn)體，具有高度的軸對(duì)稱性，而所使用的密封部分是圓錐的側(cè)面，如圖8所示黑色表面部分。如圖9所示，該例子圓錐角度為頂角25°，那么在圖示分別的①②③④點(diǎn)所在圓錐母線與水平位置所呈現(xiàn)的角度均不同，①點(diǎn)的角度正好為25°，②④的角度為頂角的一半，即12.5°，而③的角度則為0°，實(shí)際在密封的應(yīng)用當(dāng)中，①和③點(diǎn)位于閥門的水平位置（如圖10所示），在開啟/關(guān)閉的一瞬間，整個(gè)圓錐密封面同時(shí)脫離/接觸閥體上對(duì)應(yīng)的密封面。同理在閥體（閥座）的密封環(huán)上，對(duì)應(yīng)的是同樣的25°角度的正圓錐，且相應(yīng)的點(diǎn)位必須嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)，小的配合誤差都會(huì)導(dǎo)致蝶閥發(fā)生內(nèi)漏的可能。同樣從圖8所示的位置，我們可以看到從平行于圓錐底面（被斜截后）來(lái)觀察，每個(gè)截面都是橢圓形，而橢圓和原始正圓錐的頂角θ和底面半徑R存在一定的幾何關(guān)系（見圖11），假定截面過正圓錐的底面邊界點(diǎn)，我們可以看到，橢圓的長(zhǎng)軸2a=2R*θ，模型中R=80，θ=12.5°，則可以求出橢圓的長(zhǎng)半軸a=R*θ=80*cos（12.5°）=78.1037，長(zhǎng)軸2a=156.2074，從實(shí)際的3D模型里面測(cè)量的結(jié)果為156.207，完全一致（見圖12）。而橢圓的短軸尺寸計(jì)算起來(lái)相對(duì)麻煩，所以借助3D模型可以輕松得到橢圓短軸的長(zhǎng)度（見圖13），短軸2b=152.136。

從結(jié)果來(lái)看，橢圓的長(zhǎng)短軸差異并不是很大，但是如果是大口徑的閥門，長(zhǎng)短軸的差異就會(huì)被放大，從圖14的角度來(lái)看，同樣的在閥座的位置，寬度在①～④點(diǎn)是不同的，因?yàn)橥膺吔缡钦龍A形，密封面截面是橢圓形，這樣的結(jié)果會(huì)是①③點(diǎn)寬度要小于②點(diǎn)和④點(diǎn)，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)空間上面會(huì)受到一定的影響，尺寸越大，這種影響可能會(huì)越大。

3.1.2 加工特點(diǎn)。從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看到，這種密封面形式是通過回轉(zhuǎn)體來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣通過回轉(zhuǎn)加工的設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)外形特征，比如普通的車床，只需要搭配上相應(yīng)的加工胎具，則可以實(shí)現(xiàn)，如圖15所示的加工方法，在三角形中深灰色為固定密封面毛坯的胎具，淺灰色為密封面毛坯，刀具也成一定角度（取決于設(shè)計(jì)的圓錐頂角角度），車削需要的密封面。實(shí)際的加工胎具照片和加工成型的刀具（后期磨削的工序，需要配上相應(yīng)的磨頭）見圖16，普通臥式車床就可以實(shí)現(xiàn)小口徑的密封環(huán)的加工，大口徑，通常DN700以上都使用立式車床來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際加工例子可以參考圖17。根據(jù)密封面的粗糙度要求，后期通過磨削達(dá)到相應(yīng)的要求（0.4～0.8微米）。

3.1.3 性能相關(guān)特點(diǎn)。正圓錐密封面加工起來(lái)相對(duì)方便，利用傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)加工設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)，但是由于每個(gè)截面都是橢圓，存在長(zhǎng)短軸的差異，整個(gè)產(chǎn)品的外觀會(huì)體現(xiàn)出不規(guī)則的感覺，尺寸越大這種差別會(huì)更加明顯，對(duì)于開啟摩擦力的影響，根據(jù)以往相關(guān)摩擦力矩理論分析相關(guān)文獻(xiàn)可知，圓錐角越大則摩擦力矩越小。為了盡可能減小摩擦開啟力矩，那么就需要增大圓錐頂角，但是角度增大的同時(shí)又會(huì)受到外形的影響，需要在兩者之間取一個(gè)平衡。

3.2 斜圓錐

3.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。斜圓錐本身是非回轉(zhuǎn)體，不具備對(duì)稱性的特點(diǎn)，使用的密封部分同樣也是圓錐的側(cè)面，這部分和正圓錐的部分基本沒有差別，具體可以參考前面提到的正圓錐的部分。區(qū)別點(diǎn)就是斜圓錐的每一個(gè)截面都是正圓形，按照?qǐng)D14所示的①～④點(diǎn)的距離是完全一致的，正因?yàn)槿绱?，就不存在邊界差異的問題，更不會(huì)像正圓錐那樣隨著口徑的增大而放大這種差異。

3.2.2 加工特點(diǎn)。因?yàn)樾眻A錐的非對(duì)稱的特點(diǎn)，使得斜圓錐密封面的加工要求跟正圓錐密封面完全不同，無(wú)法使用原來(lái)回轉(zhuǎn)設(shè)備（臥式車床或者立式車床），所以就必須使用加工中心的設(shè)備來(lái)制作，從斜圓錐的成型原理可以理解為：每一層的正圓形逐層堆砌而成（參考圖7），根據(jù)加工中心的數(shù)控編程，可以采用“積分”的形式來(lái)進(jìn)行逐層的加工，從而實(shí)現(xiàn)斜圓錐的外輪廓。實(shí)際的加工方式可以通過加工中心立式銑削的方法來(lái)完成，不需要特殊的加工胎具去調(diào)整角度，完全可以通過數(shù)控編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，只需要標(biāo)記好起始加工位置即可。

3.2.3 性能相關(guān)特點(diǎn)。斜圓錐密封面加工起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，普通的加工設(shè)備無(wú)法滿足，只能通過數(shù)控加工中心來(lái)實(shí)現(xiàn)。完成品截面都為正圓，從外形來(lái)說非常規(guī)則，特別是對(duì)于大口徑來(lái)說相對(duì)于正圓錐的長(zhǎng)短軸偏差的優(yōu)勢(shì)就更加明顯。從產(chǎn)品的性能角度來(lái)說，密封的效果和正圓錐斜面的密封效果相同，沒有差別，但是對(duì)于閥門的開啟摩擦力矩，斜圓錐密封面的角度可以做得更大（因?yàn)閷?duì)于外形的影響相對(duì)于正圓錐會(huì)小很多），角度越大閥門的開啟摩擦力矩就會(huì)越小，更有利于產(chǎn)品的性能。

4 結(jié)語(yǔ)

不論是正圓錐密封面還是斜圓錐密封面都可以實(shí)現(xiàn)三偏心硬密封蝶閥的第三偏心，而且可以達(dá)到同等級(jí)的密封效果，兩者在加工和對(duì)于閥門開啟摩擦力矩方面會(huì)有一些差異，如何去選擇加工方式，還需要從產(chǎn)品本身的實(shí)際需要和企業(yè)自身的設(shè)備能力、加工經(jīng)驗(yàn)等多方面去衡量，傳統(tǒng)的方式通常使用的是正圓錐的加工方式，隨著技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的升級(jí)，相信更多的加工方式和優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也會(huì)帶動(dòng)三偏心蝶閥密封面的加工技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 俞樹榮.三偏心蝶閥摩擦力矩分析[J].流體機(jī)械雜志，2009，（6）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）