填充式蝶阀的研究

    一、前言
    蝶阀是给排水管路系统中的一个重要设置，随着工业技术的进步，对蝶阀的结构及性能提出了更高的要求。目前广泛应用于市政、石油、化工、轻工等给排水工业领域中，蝶阀的种类很多，有中心线型、有单偏心、双偏心、甚至还有三偏心，但它们都有一个共同的特点：蝶板压框压紧橡胶密封圈，实现阀门的启闭，而且阀门所采用的阀杆是贯穿整个蝶板，流通面积小，扭矩偏大，加之阀门中的零件较多，造成维修困难。而填充式蝶阀（见图1）是结合国、内外大量的工况实例，多年的市场跟踪调查，设计的新型独特阀门，完全克服了现有蝶阀行业加工密封面繁琐的一些技术性不足，不但简化了工艺程序，而且阀门的综合性能得到了提高。该阀是一种单偏心蝶阀，流量系数大，扭矩小，密封性能好，不污染环境，拆卸维修非常方便。驱动方式有把手式、蜗轮式、电动式以及气动等，是一种适应范围广泛的阀门。

图1 填充式蝶阀
1.电动启闭机（手动、气动） 2.主阀杆 3.O形密封圈 4.阀体
5.销 6.蝶板 7.副阀杆 8.密封圈 9.螺栓 10.组合垫圈 11.环氧树脂

    二、结构及工作原理
    填充式蝶阀结构简单，它是一种单偏心软密封蝶阀，设有上、下两段式阀杆，密封圈不在阀板上，而在阀体上，密封圈可任意规格对接，密封接触面采用多线接触结构，阀体凹槽采用非对称式燕尾槽（见图1），以防止橡胶探出过多，造成蝶板开启后再关闭裹圈现象。
    关闭阀门时，利用带压注入在密封圈空腔内的特殊环氧树脂混合物，在灌注过程中，阀体密封座相对蝶板移动，注入的环氧树脂使蝶板与密封阀座在所有位置均匀配合，且其密封副的密封比压相同，使阀门的密封达到最佳状态。
    值得提醒的是：密封圈在填充环氧树脂时，除了要将阀门关闭到位，而且保压的压力和时间一定要得到保证。
    启闭阀门非常简单，打开阀门时，只要逆时针缓缓转动手轮，使蝶板与法兰面垂直，关闭阀门时，用手轮顺时针缓缓转动手轮，使蝶板与法兰面平行。
    三、装配方法
    装配时，用煤油清洗阀门所有的部件，先将阀体平放在平板上（见图2），再将密封圈嵌在阀体沟槽中，然后将蝶板移至阀体内，呈关闭状态，在主、副阀杆表面涂上硅脂，安装好挡圈、O形密封圈和销，使之与蝶板的内孔相连接，再用橡皮锤轻敲蝶板，使之完全嵌入阀体，然后用气压将特殊的环氧树脂混合物注入阀体与蝶板密封副中的空腔，保压一定时间，最后用螺塞将阀体浇注环氧树脂螺纹孔堵住即可。

图2 填充环氧树脂图
1.电磁阀 2.气缸 3.气缸座 4.支架 5.压力表 6.气管 7.填充式蝶阀

    四、性能
    填充式蝶阀（见图1）密封圈被环氧树脂填充后，由于密封圈表面呈锯齿形，与阀体的结合牢固。多道密封，有效地解决了阀门启闭过程中，密封面磨损和泄漏问题，使用寿命长，加之该阀采用上、下两段式阀杆，单偏心结构，增加了阀门的流通面积，水头损失及操作扭矩要比同规格的普通蝶阀小。
    阀杆与蝶板的连接采用了内螺纹圆柱销，销的端面又灌以液态密封胶，在实际使用中拆卸维修极为方便，生产成本也较低。
    五、与普通蝶阀的比较
    常规蝶阀的密封副一般采用过盈的面接触密封，一旦出现泄漏，需靠人为的调节螺钉的松紧，加大橡胶过盈量，若不能解决问题，只能拆卸重新更换密封圈。如果这种情况发生在供水过程中，需要停泵、停产维修，造成经济损失。而填充式蝶阀密封副采用多道密封，既减少了摩擦又延长了使用寿命，一旦密封线损坏，其他密封线仍起密封作用，即便多道密封线全部损坏，它可在现场载压情况下修补阀座，阀门无需从管线上拆下，更无须停泵、停产维修，维修工序非常简单，利用橡胶的弹性进行二次注塑达到完全密封，整个过程仅需十几分钟即可完成二次修补。
    六、设计计算
    1.壁厚计算
    填充式蝶阀的阀体最小壁厚采用ASMEB16.34附录中壁厚的计算公式进行计算。
    2.偏心式蝶阀阀杆力矩计算（图3）

图3 阀杆力矩计算图

    MD＝MM＋MT＋Mj＋Md
    式中
    MD——蝶阀阀杆力矩，单位为N•mm；
    MM——密封面间摩擦力矩，单位为N•mm；
    MT——密封填料的摩擦力矩（由于阀杆采用O形圈密封可忽略不计），单位为N•mm；
    Mj——静水力矩，单位为N•mm（查表或计算）；
    Md——动水力矩，单位为N•mm（查表或计算）。
    MM＝4qMRbMfM（h2＋R2）1/2
    qM——密封面必需比压，单位为MPa（查表或计算）；
    R——蝶板密封半径，单位为mm；
    bM——密封面的接触宽度，单位为mm；
    fM——密封面间的摩擦因数（对于橡胶为0.8～1.0）；
    h——阀杆与蝶板中心的偏心距，单位为mm。
    3.蝶板的厚度计算
    b＝0.054DH1/3
    式中
    b——蝶板最大厚度，单位为mm；
    D——蝶阀流道直径，单位为mm（b/D＝0.15～0.25）。
    H＝100（P＋Δp）
    式中
    H——最大静压水头（水击升压介质），单位为m；
    p——设计压力（常取p=pN），单位为MPa。
    Δp＝400×10-6 t-1 v
    Δp——蝶阀快速关阀，在管路中产生的水击升压值，MPa；
    v——介质流速，（查表）单位为m/h；
    t——蝶板从全开到全关所经历的时间（查表选择），单位为s。
    4.蝶板与连接管道内壁间的最小间隙δ值（见图4）

图4 蝶板结构图

    δ≥2mm DN≤150
    δ≥3mm DN=200～600
    式中
    DN——阀门公称通径。
    5.蝶阀阀座最小通径Dmin
    Dmin≥0.85DN
    6.断面的强度校核
    1）蝶板A－A断面的强度校核（见图5）

图5 蝶板受力分析图

    σWA＝MAWA-1
    式中
    σWA——验证A－A断面上的弯曲应力，单位为MPa；
    MA——A－A断面上的弯矩，单位为N•mm；
    MA＝0.113pD13
    式中
    p——设计压力（常取p=pN），单位为MPa；
    D1——蝶板外径，单位为mm。
    WA＝2JAb－1
    WA——A－A断面的抗弯断面系数，单位为mm3；
    JA——A－A断面的惯性矩（查表或计算），单位为mm；
    b——蝶板最大厚度，单位为mm。
    若A-A断面的实际弯曲应力，即：
    σWA<[σWA]则蝶板设计合理，[σWA]为材料许用弯曲应力。
    2）蝶板B－B断面的强度校核
    由于阀门采用上下两段式阀杆支撑，蝶板变形量很小，故在这里不作赘述。
    七、结语
    填充式蝶阀设计的关键在于传动件上、下阀杆、阀体和蝶板的强度计算，密封圈填充环氧树脂保压的压力和保压时间的合理设定以及阀体、蝶板、阀杆、销等零件的合理选材和热处理。该阀是一种单偏心蝶阀，流量系数大，扭矩小，密封性能好，不污染环境，拆卸维修非常方便。驱动方式有把手式、蜗轮式、电动式以及气动式等，是一种适应范围广泛的阀门。