双偏心金属硬密封蝶阀蝶板修型方法研究

摘  要：在研究双偏心金属硬密封蝶阀密封副结构特点的基础上，采用变半径方法给出了蝶板修型的数值计算方法，并结合实例给出蝶板加工余量曲线，使得双偏心硬密封蝶阀密封副存在完整密封线，降低了蝶板与密封圈磨损，延长了蝶阀寿命。

关键词：双偏心蝶阀;金属硬密封;线密封;修型方法

0    引言

金属硬密封蝶阀是阀门中很常用的一种，属于高性能蝶阀。凭借结构简单、体积小、重量轻、材料耗用省、安装尺寸小、驱动力矩小、操作简便等诸多特点，金属硬密封蝶阀在阀门应用中所占比例越来越大，在很多场合大有替代闸阀、球阀、截止阀之势。双偏心金属硬密封蝶阀密封副属于线密封副，在线密封的密封副中，有许多在理论上并不存在一个完整封闭的密封线，是通过变形来实现密封的，这样会导致密封圈弹性变形过大、密封圈断裂、密封圈磨损速度快、寿命缩短等问题。因此，本文将对圆环面密封圈和圆环面蝶板组成的双偏心密封副进行几何曲面建模，给出合理的修形方法，计算得到完整密封线的蝶板修形量。

1    密封副几何关系

如图1所示，由双偏心金属硬密封蝶阀将蝶板斜置，形成斜置角α，由于α的存在，双偏心蝶阀密封副只有在Y=0平面内密封圈和蝶板处于相切位置，在其他平面内，蝶板与密封圈是存在干涉的。蝶板与密封圈的交点P方程如下：

式中：φ2为P点所在圆环平面与X2轴夹角;θ2为P点所在圆环平面原点与P点连线与X2O2Y2平面夹角;θ1为P点所在圆环平面原点与P点连线与X1O1Y1平面夹角。

2    蝶板修型方法

在优化设计中采用变半径的思想，即R值在一周内不是恒定的，R=R2-ΔR（ΔR表示加工余量），从而保證其他接触点有且仅有一个且不发生干涉，所有接触点构成一条完整封闭的接触线。这样对于圆周内任意给定的φ值，蝶板和密封圈有且仅有一个接触点P，即P的坐标表达式同时满足密封圈和蝶板的坐标表达式。因此，本文蝶板修型的目标就是求出圆周内蝶板圆环半径R的加工余量ΔR。

由上述分析可知：双偏心蝶阀密封副只有在Y=0平面（φ1=0平面）内密封圈和蝶板处于相切位置，在其他平面内，蝶板与密封圈是存在干涉的。也就是说，当给定R1，φ1与设计变量R2，r1，r2，E，H的值时，密封圈与蝶板在φ1≠0时存在干涉，这样解方程组（1）会得到如下两个交点：

x1=（R1+r1cos θ1）cos φ1y1=（R1+r1cos θ1）sin φ1z1=r1sin φ1

x2=（R1+r1cos θ1′）cos φ1y2=（R1+r1cos θ1′）sin φ1z2=r1sin φ1

设Δθ=|θ1-θ1′|，若R2值逐渐变小，那么密封圈与蝶板的两个交点会越来越接近，即Δθ=|θ1-θ1′|的值会越来越小，当R2减小到R=R2-ΔR（ΔR表示加工余量，即蝶板的修型量）时，Δθ=|θ1-θ1′|的值趋近于0。基于上述结论，蝶板修型的思想如下：设定精度等级ep与迭代步长epc，让R2以步长epc逐步缩小，直到：

Δθ=|θ1-θ1′|≤ep

则所得R值即为蝶板修型后的数值。

3    实例结果分析

对于DN=100的双偏心金属硬密封蝶阀，其密封副优化尺寸如表1所示。

利用上述结果进行蝶板的修型计算。取Δφ1=，φ1从0变化到π，利用密封副的对称性，计算半个圆周的60个接触点的接触角β值和加工余量ΔR值。

利用优化参数计算一周360个点的接触角和加工余量，拟合成曲线，如图2、图3所示。

结果分析：根据接触角的变化曲线图和计算得到的数据，最小接触角min（β）发生在第89个点，即φ1值为88°的位置。数据显示，若将密封线离散为360个接触点，根据对称性，仅考虑半个圆周时，在第88、89、90个点的位置，即φ1取值范围在[87°，89°]时，接触角的值会急剧下降。在最优化的过程中，由于以Δφ1=为步长，在圆周内只取60个点，事实上在[87°，89°]范围内并没有取到φ1的值，而认为最小接触角发生在φ1=的位置，所以求得的目标函数值是φ1=时对应接触角β的倒数。从接触角变化曲线可以看到φ1=时对应接触角十分接近最小接触角且在所取所有点中其接触角最小，因此所得出的结果也是正确的。

根据加工余量变化曲线图和计算得到的数据，在第181个点的位置加工余量ΔR的值不为0，即φ1=π的位置，这是由于计算误差造成的。因为数学建模时根据几何关系ΔR=R2-R，在φ1=π时R=R2，所以ΔR=0。在蝶阀加工时，通过参考求得加工余量的数据可以设计为刀具提供进给运动的凸轮外轮廓线，所以在φ1=π位置附近有必要对曲线做简要修正。

传统双偏心蝶阀设计中，通常将加工余量变化曲线用函数y=A|sin x|（A表示最大加工余量）来代替，如图4所示，通过比较二者可以看出，利用计算得出的数据拟合曲线和正弦曲线比较，峰值位置有明显的不同，其他点的加工余量也有较大差值，这种差别势必会影响蝶阀的密封性能和密封副摩擦特性。

当加工余量曲线用函数ΔR=A|sin φ1|来代替时，因为不再满足法向量平行的关系，所以将方程组中的第4个方程删掉，变成一个以θ1、θ2、φ2为自变量的非线性方程组。将曲线离散成均匀分布的361个点，即以为步长的361个φ1的值。根据关系R=R2-ΔR，求得每一个φ1值对应的R值，将R值代入非线性方程组，从而求得每一个φ1值对应的点的坐标，进而求得每个点的接触角的值。将这些值拟合成接触角变化曲线，如图5所示。

从图2和图5的对比来看，显然传统设计方法接触角变化要剧烈得多，且传统设计方法的接触角的平均值要小于本文所优化结果的接触角的平均值。

4    结语

双偏心金属硬密封蝶阀密封副存在完整密封线，对降低蝶板与密封圈磨损，延长蝶阀寿命有着不可忽视的作用。本文给出了一种蝶板修型的数值计算方法，并将计算所得的修型量与传统经验设计的修型量进行对比，发现在经过本方法计算的修型量下的接触角变化要比在传统设计的修型量下的接触角变化要缓和，并且接触角的平均值要大。

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收稿日期：2020-07-01

作者简介：汪彬（1989—），男，安徽无为人，从事锁具及健身器材领域发明专利的实质审查工作。