雙偏心金屬硬密封蝶閥蝶板修型方法研究

摘? 要：在研究雙偏心金屬硬密封蝶閥密封副結構特點的基礎上，采用變半徑方法給出了蝶板修型的數值計算方法，并結合實例給出蝶板加工余量曲線，使得雙偏心硬密封蝶閥密封副存在完整密封線，降低了蝶板與密封圈磨損，延長了蝶閥壽命。

關鍵詞：雙偏心蝶閥;金屬硬密封;線密封;修型方法

0? ? 引言

金屬硬密封蝶閥是閥門中很常用的一種，屬于高性能蝶閥。憑借結構簡單、體積小、重量輕、材料耗用省、安裝尺寸小、驅動力矩小、操作簡便等諸多特點，金屬硬密封蝶閥在閥門應用中所占比例越來越大，在很多場合大有替代閘閥、球閥、截止閥之勢。雙偏心金屬硬密封蝶閥密封副屬于線密封副，在線密封的密封副中，有許多在理論上并不存在一個完整封閉的密封線，是通過變形來實現密封的，這樣會導致密封圈彈性變形過大、密封圈斷裂、密封圈磨損速度快、壽命縮短等問題。因此，本文將對圓環面密封圈和圓環面蝶板組成的雙偏心密封副進行幾何曲面建模，給出合理的修形方法，計算得到完整密封線的蝶板修形量。

1? ? 密封副幾何關系

如圖1所示，由雙偏心金屬硬密封蝶閥將蝶板斜置，形成斜置角α，由于α的存在，雙偏心蝶閥密封副只有在Y=0平面內密封圈和蝶板處于相切位置，在其他平面內，蝶板與密封圈是存在干涉的。蝶板與密封圈的交點P方程如下：

式中：φ2為P點所在圓環平面與X2軸夾角;θ2為P點所在圓環平面原點與P點連線與X2O2Y2平面夾角;θ1為P點所在圓環平面原點與P點連線與X1O1Y1平面夾角。

2? ? 蝶板修型方法

在優化設計中采用變半徑的思想，即R值在一周內不是恒定的，R=R2-ΔR（ΔR表示加工余量），從而保證其他接觸點有且僅有一個且不發生干涉，所有接觸點構成一條完整封閉的接觸線。這樣對于圓周內任意給定的φ值，蝶板和密封圈有且僅有一個接觸點P，即P的坐標表達式同時滿足密封圈和蝶板的坐標表達式。因此，本文蝶板修型的目標就是求出圓周內蝶板圓環半徑R的加工余量ΔR。

由上述分析可知：雙偏心蝶閥密封副只有在Y=0平面（φ1=0平面）內密封圈和蝶板處于相切位置，在其他平面內，蝶板與密封圈是存在干涉的。也就是說，當給定R1，φ1與設計變量R2，r1，r2，E，H的值時，密封圈與蝶板在φ1≠0時存在干涉，這樣解方程組（1）會得到如下兩個交點：

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

設Δθ=|θ1-θ1′|，若R2值逐漸變小，那么密封圈與蝶板的兩個交點會越來越接近，即Δθ=|θ1-θ1′|的值會越來越小，當R2減小到R=R2-ΔR（ΔR表示加工余量，即蝶板的修型量）時，Δθ=|θ1-θ1′|的值趨近于0。基于上述結論，蝶板修型的思想如下：設定精度等級ep與迭代步長epc，讓R2以步長epc逐步縮小，直到：

Δθ=|θ1-θ1′|≤ep

則所得R值即為蝶板修型后的數值。

3? ? 實例結果分析

對于DN=100的雙偏心金屬硬密封蝶閥，其密封副優化尺寸如表1所示。

利用上述結果進行蝶板的修型計算。取Δφ1=，φ1從0變化到π，利用密封副的對稱性，計算半個圓周的60個接觸點的接觸角β值和加工余量ΔR值。

利用優化參數計算一周360個點的接觸角和加工余量，擬合成曲線，如圖2、圖3所示。

結果分析：根據接觸角的變化曲線圖和計算得到的數據，最小接觸角min（β）發生在第89個點，即φ1值為88°的位置。數據顯示，若將密封線離散為360個接觸點，根據對稱性，僅考慮半個圓周時，在第88、89、90個點的位置，即φ1取值范圍在[87°，89°]時，接觸角的值會急劇下降。在最優化的過程中，由于以Δφ1=為步長，在圓周內只取60個點，事實上在[87°，89°]范圍內并沒有取到φ1的值，而認為最小接觸角發生在φ1=的位置，所以求得的目標函數值是φ1=時對應接觸角β的倒數。從接觸角變化曲線可以看到φ1=時對應接觸角十分接近最小接觸角且在所取所有點中其接觸角最小，因此所得出的結果也是正確的。

根據加工余量變化曲線圖和計算得到的數據，在第181個點的位置加工余量ΔR的值不為0，即φ1=π的位置，這是由于計算誤差造成的。因為數學建模時根據幾何關系ΔR=R2-R，在φ1=π時R=R2，所以ΔR=0。在蝶閥加工時，通過參考求得加工余量的數據可以設計為刀具提供進給運動的凸輪外輪廓線，所以在φ1=π位置附近有必要對曲線做簡要修正。

傳統雙偏心蝶閥設計中，通常將加工余量變化曲線用函數y=A|sin x|（A表示最大加工余量）來代替，如圖4所示，通過比較二者可以看出，利用計算得出的數據擬合曲線和正弦曲線比較，峰值位置有明顯的不同，其他點的加工余量也有較大差值，這種差別勢必會影響蝶閥的密封性能和密封副摩擦特性。

當加工余量曲線用函數ΔR=A|sin φ1|來代替時，因為不再滿足法向量平行的關系，所以將方程組中的第4個方程刪掉，變成一個以θ1、θ2、φ2為自變量的非線性方程組。將曲線離散成均勻分布的361個點，即以為步長的361個φ1的值。根據關系R=R2-ΔR，求得每一個φ1值對應的R值，將R值代入非線性方程組，從而求得每一個φ1值對應的點的坐標，進而求得每個點的接觸角的值。將這些值擬合成接觸角變化曲線，如圖5所示。

從圖2和圖5的對比來看，顯然傳統設計方法接觸角變化要劇烈得多，且傳統設計方法的接觸角的平均值要小于本文所優化結果的接觸角的平均值。

4? ? 結語

雙偏心金屬硬密封蝶閥密封副存在完整密封線，對降低蝶板與密封圈磨損，延長蝶閥壽命有著不可忽視的作用。本文給出了一種蝶板修型的數值計算方法，并將計算所得的修型量與傳統經驗設計的修型量進行對比，發現在經過本方法計算的修型量下的接觸角變化要比在傳統設計的修型量下的接觸角變化要緩和，并且接觸角的平均值要大。

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收稿日期：2020-07-01

作者簡介：汪彬（1989—），男，安徽無為人，從事鎖具及健身器材領域發明專利的實質審查工作。