金属硬密封蝶阀密封副干涉的分析.pdf

文章编号 100225855 2006 0520001204 作者简介倪平1947 - ,男,工程师,从事阀门的产品开发和工艺设计。 金属硬密封蝶阀密封副干涉的分析 倪 平,杨建宁 宁波埃美柯铜阀门有限公司,浙江 宁波 315020 摘要 运用AutoCAD对金属硬密封蝶阀密封挤压过程产生的干涉体进行定性和定量分析, 为修正、验证和确定蝶阀的三偏心参数提供设计依据。分析了双偏心球面密封副的优良性能。 关键词 金属硬密封蝶阀;三偏心蝶阀;密封;干涉 中图分类号 TH134 文献标识码 A Trim interference analysis of metal hard seated butterfly valve NI Ping , YANGJian - ning Ningbo AMICO Copper Valves Mfg Inc , Ningbo 315020 , China Abstract This essay is to provide qualitative and quantitative analysisfor the interference solid created during seal extrusion of metal hard seated butterfly valve with AutoCAD , as well as to provide design2 ing proof for the modification , validation and determination of the three - eccentricity parameters of butterfly valve , with analysis of the optimized perance of double eccentricity sphere. Key words metal hard seated butterfly valve ; three - eccentricity butterfly valve ; seal ; interference 1 概述 金属硬密封蝶阀的蝶板在关闭过程会挤压阀体 阀座密封面,出现干涉。当密封面因挤压得到 足够的密封比压形成密封条件时,挤压部位会出现 连续不间断的环形金属挤压带。运用AutoCAD绘 图软件可以根据挤压带创建干涉体,并通过对其基 本形状进行的定性分析和对其截面各部位进行的测 量及定量分析挤压深度 , 为修正、验证和确定 蝶阀的三偏心参数提供设计依据。以便蝶阀最终获 得良好的密封条件。 良好的密封条件在密封时会产生良好的挤压 带,它的干涉体应符合以下几个条件。 1干涉体是连续不间断的圆环。 2干涉体圆环的宽度一致且无缺口,并符合 图样设定的宽度要求。 3干涉体圆环截面的各点宽度即挤压量 基本一致,其最大值和最小值之差为0103～0105 mm 视规格而定。 4干涉体截面各点挤压的增量与蝶板过关闭 度数的增量基本成正比只有如此,密封面的磨损 才能得到有效自我补偿。 5开启蝶阀,顺时针旋转蝶板011 时,阀 体蝶板密封面就脱离接触,检测不出干涉。 2 干涉体的创建和分析 211 设定密封副 三偏心蝶阀密封副是一对偏心锥面。图1是圆 锥角度为2θ、圆锥高度为av的正圆锥曲面atf。当 蝶板回转轴线与阀体通道轴线呈β偏角时 取β θ , 将曲面绕a点逆时针旋转β角,使圆锥母线af 与X轴平行。 在af线段上截ab H,取两个相距L L 为 阀体密封面宽度且平行于Y轴的平面过正圆锥 母线b点切割正圆锥曲面,分别交af母线于c、b 点,交at母线于m、n点,得cbnm圆锥曲面环, 此即为阀体锥形密封面。线段nb为阀体锥形密封 面小端的椭圆截面长轴A。绕长轴A将截面旋转 90,可看到椭圆短轴B垂直于长轴A并与长轴A 相交于椭圆族中轴线g点。 过d点按设定尺寸取db作nb平行线交于中轴 线于h点得阀体垂直中心线hd。 过蝶板旋转中心 12006年第5期 阀 门 图1 正圆锥圆曲面 o点阀杆中心点 , 取ho等于径向偏心距e,作 af平行线得阀杆水平中心线。 经推算,当θβ时,可以得出各相关参数。 K B/tg2θcos2θ 式中 B 阀体锥形密封面小端截面椭圆短轴, 按蝶阀阀座最小直径取值, mm K 圆锥高度, mm A 阀体锥形密封面小端截面椭圆长轴, mm A Bcosθ/cos2θ H 圆锥顶点至阀体密封环外截面距离, mm H Kcosθ 取θβ 9, 则A 11013B ,K 31156 B ,α 01228 。 212 创建密封副刚体 取PN 215 MPa , DN 800 mm的三偏心蝶 阀为分析样本。令阀体椭圆密封面小端短轴B 770 mm ,阀座密封面宽度L 36 mm ,蝶板密封 面宽度为h 13 mm。 取轴向偏心b 62 mm ,径向偏心e 12 mm , 圆锥半角θ与轴偏角β均为9 。 按上述条件绘出密封副简易刚体示意图2。 图2 密封副刚体DN800 mm 213 创建干涉体 将阀体蝶板置于白色图层,新建干涉体红色图 层。以Q点为圆心逆时旋转蝶板0101,启动Auto CAD干涉工具,检测出刚体之间有干涉,创建出环 形干涉体红色。向下移动UCS原点至蝶板中线, 取环形干涉体中性截面,旋转90图3 ,其中椭 圆截面短轴与阀杆同方向。向左移动UCS原点至阀 体中心,分别过原点作X轴、Y轴与截面周边相交, 此时可分别测出上下左右四点位的宽度挤压量。 此挤压量即为金属密封面挤压的深度。 图3 环形干涉体中性截面 依次递增蝶板逆时针旋转的角度,得出数组相 对应的干涉体中性截面上下左右各点挤压量表 1 。在零点位和开启各个位置均未检测到干涉。 表1 中性截面挤压mm 旋转度数01010102011 上μ m013337016743137 下μ m01337016743137 左μ m101827211665108179 右μ m121147241308122111 214 阀体密封面必需的挤压量 阀体密封面选用D507焊条堆焊,密封面宽度 为1215 mm。由虎克定律εσ/ E,转换得 Δl pl/ EA。取不锈钢弹性模量E 2106105MPa , P/ AqM F,按文献 〔2〕,合金钢密封面阀门的密 封比压qM F 19 MPa。阀体壁厚取lmax 22 mm , 计算得Δl 01002 mm。说明密封面在正确配合 下,压缩01002 mm ,即可符合密封条件。而实际 加工所产生的形位误差造成的间隙远较大。在阀门 关闭过程只有在运动中先压缩局部密封面,消除加 工间隙,以及加工过程由粗糙度产生的单峰高度才 能进入密封压缩,得到必需比压。实际关闭过程, 估计密封面受到0101～0103 mm的压缩,或更大, 视加工精度及工作压力而定。 2 阀 门 2006年第5期 215 干涉体分析 1蝶阀在开启过程没有出现任何干涉。 2干涉体环形带是连续不间断的,宽度与蝶 板密封面一致且无缺口。 3蝶板过关闭0101 时虽然干涉体中性截面 各点挤压量差值在01013 mm以内,但密封面尚未 得到必须比压,不能形成有效密封条件。 蝶板过关闭0102 时,干涉体中性截面左右两 点及其周边金属得到了充分挤压,但上下两点的挤 压量一直停留在01000 7 mm的水平,于是依赖多 层次密封圈中的聚四氟乙烯、石墨材料等软性材 料,在受挤压后填满其周边部位至整圈挤压带中所 有的微量间隙中性截面前后点还有01005 mm的 差值 , 并和不锈钢片组合成复合密封材料创建了 迷宫式的密封条件。对于新的富有弹性的软性材料 还会在挤压过程深入阀体密封面的显微孔隙,达到 短暂的气密级密封。 蝶板过关闭011 时,干涉体中性截面左右两 点和上下两点的挤压量不同,差值达0112 mm。 这意味着蝶阀在反复启闭过程,密封面左右两点及 其周边部位虽然由于挤压甚至过量挤压导致金属疲 劳而磨损较快,但可以运用过关闭维持挤压量。而 密封面上下两点及其周边部位虽由于磨擦或微量挤 压磨损较慢,但挤压量却得不到有效的自我补偿。 分析可知三偏心多层次蝶板密封圈的密封性能 优于双偏心蝶阀,能够满足中低压蝶阀的密封要 求。但是多层次密封圈的结构不具备单一金属的刚 度和耐磨性,以及其密封面截面周边挤压量差值的 增量随过关闭度数的增量而快速增长的特点,使其 在高压密封性能上面临挑战。当蝶阀为达到高压密 封加大过闭度数时,会出现多层次密封圈金属片左 右区域因挤压过量而逆向弯曲变形,其轴向反弹力 使多层次密封圈的固紧螺栓因被拉长而松动。在开 启蝶阀时,其径向反弹力会沿阀座的径向方向胀开, 使阀杆额外增加力矩,甚至会因胀力而打不开。 3 干涉体的缺陷和消除 三偏心参数如选择不当,不但会影响挤压带的 完整性,破坏蝶阀的密封条件,还会给蝶阀的开启 设置障碍。运用干涉工具检测,关闭时会观察到干 涉体上有缺口出现,开启时会出现干涉区域。 311 创建密封副刚体 取PN215 MPa , DN200 mm的三偏心蝶阀为 分析样本,令阀体椭圆密封面短轴B 185 mm , 阀座密封面宽度为12 mm ,蝶板密封面宽度为8 mm。取轴向偏心b 22 mm ,径向偏心e 6 mm , 圆锥半角θ与轴偏角β均为9,绘出密封副简易刚 体如图4。 图4 密封副刚体DN200 mm 312 检测干涉体缺陷 1蝶板过关闭011 时,可检测到干涉体有 缺口,说明密封带局部没有连续图 5 。 图5 干涉体的缺口 2蝶板逆时针开启011 时,可在阀杆方向 右侧检测到上下两块干涉区图 6 。这对干涉区 会随蝶阀开度逐渐缩小,但一直可延续到开启度 18 时还有痕迹。它的存在使密封面在蝶板开启过 程一直处于摩擦和磨损中,并会进一步扩大过关闭 时出现的缺口。 图6 干涉体的干涉区域 313 修正 修正蝶阀的三偏心参数,可以消除干涉体上出 现的缺陷,获得良好的密封条件。如扩大径向偏心 e和θ圆锥半角的取值,以及减小轴向偏心b的取 值都可以消除缺陷表2 , 其中增大θ角度的效 果最佳。但是径向偏心e的扩大受到阀体模具和毛 坯的限制,轴向偏心b的缩小又受到阀杆直径和 蝶板装配尺寸的约束。而θ圆锥半角的改变则缩 小了通用工装的适用范围。当小口径阀体取θ 32006年第5期 阀 门 12 时,还有可能使P值图4偏小甚至消失, 影响到阀体密封面的堆焊和加工,而不得不扩大阀 体的阀前通道直径。尤其需要注意的是扩大径向偏 心e和θ圆锥半角的取值都会使密封力矩增大。 表2 三偏心参数组合性能 取值 方案 e mm b mm θ mm 过关闭 011 顺时针开启 011 06229见图5干涉 Ⅰ12不变不变合格干涉 Ⅱ不变- 4不变合格干涉 Ⅲ不变不变10合格不干涉 Ⅳ72119合格不干涉 因此按第 Ⅳ 取值方案的思路,对三偏心参数综 合平衡修正,也应是一种不错的选择。但无论怎样 改变三偏心参数,都不能克服三偏心蝶阀的三点弱 项。① 不是全通径,流阻系数大。② 密封面受不等 量磨损后,自我补偿功能是有限度的和局部的。③ 耐高压性能不能持久。 4 密封面形式的改变 如果选择球形密封面可以改善蝶阀性能。 图7中阀座和弓形蝶板的密封面为球形。阀门 口径为40 mm ,球面半径为33 mm ,密封面宽度 为3 mm。取径向偏心e 2 mm ,轴向偏心b 25 mm。开启阀门,顺时针旋转蝶板,没有出现干 涉。关闭阀门,依次逆时针旋转蝶板- 015 、- 1 、- 4,分别创建干涉体,观察可见干涉体环形 带连续不间断且无缺口。 图7 球形密封副 将UCS原点和Y轴向右移动25 mm ,沿Y轴 取干涉体中性截面,并绕Y轴旋转90 。测量截面 上下左右四点挤压量,即金属挤压深度表 3 。 表3 中性截面挤压量mm 度数上下左右 - 015010202010202010203010203 - 110010401010401010406010406 - 410011560011560011606011606 从表3中可以看到,球形密封面中性截面周边 挤压量差值不超过0101 mm ,显然,在密封面磨 损后,挤压量能持续均匀有效地得到补充。如果将 阀杆分为上下两段,这种双偏心球面密封蝶阀也可 以称作为全通径的单偏心半球阀图 8 。这种结 构既保持了三偏心蝶阀启闭快捷轻巧的特点,又以 全通径流阻小、适用的工作压力温度高、密封面均 匀磨损后可得到自我补偿等优点超越了三偏心多层 次金属硬密封蝶阀结构。当然其结构偏长、球形密 封面不宜加工等弱点也是显见的。 图8 双偏心球面密封蝶阀 5 结语 1运用AutoCAD绘图软件检测密封副干涉, 快速便捷,直观精度高,可以为修正、验证和确定 蝶阀的三偏心参数提供设计依据。 2扩大径向偏心e值和圆锥半角θ值,或减 小轴向偏心b值可以消除密封面上金属挤压带干 涉体的缺陷,创建良好的密封条件。 3三偏心多层次金属硬密封蝶阀的产品优势 显赫,其结构弱点也是现实的。密封面磨损后,自 我补偿功能是有限的和局部的,如不在工艺上采取 特殊手段,其承受高压的能力是有限度的。 4采用双偏心全金属球形密封面结构可以改 善和克服三偏心多层次金属硬密封蝶阀密封结构形 成的弱点。 参考文献 〔1〕 梁瑞,等.三偏心蝶阀金属密封副干涉三维分析.〔J〕流体 机械, 2003 8 , 18 - 20. 〔2〕 杨源泉.阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 收稿日期 20061081 07 4 阀 门 2006年第5期