樂控儀表分享“三偏心硬密封蝶閥的等強(qiáng)度密封設(shè)計和工藝改進(jìn)”

1、概述

    三偏心硬密封蝶閥近幾年發(fā)展很快，其密封圈從早期的多層結(jié)構(gòu)發(fā)展到密封效果更好，使用壽命更長的整體式金屬結(jié)構(gòu)。

2、結(jié)構(gòu)特點

    多層次三偏心蝶閥密封圈一般采用多層結(jié)構(gòu)，帶夾層或不帶夾層，其單厚度可達(dá)2~3mm，從而具備了一定的彈性，但這種結(jié)構(gòu)也存在缺陷。(1)多層之間不易實現(xiàn)緊密貼合。（2）由于硬密封蝶閥需要較大的力矩才能實現(xiàn)氣泡級密封，而單層厚度薄，雖然容易實現(xiàn)密封，但層與層之間容易發(fā)生翹曲。（3）雖然采用的是多層結(jié)構(gòu)，但真正起密封作用的只有其中一層。因此，針對一些要求苛刻的工況，采用了整體密封圈結(jié)構(gòu)。雖然整體密封圈在一定程度上降低了彈性，但提升了閥門的使用壽命，在循環(huán)動作上千次的情況下仍能保持較好的密封性能。

3、受力分析

    從密封圈的受力分析可以看出，無論是多層密封圈，還是整體密封圈都存在密封圈周邊受力不均和變形不均的問題，從而影響密封性。因為密封圈周邊相對支承邊伸出的長度不同（類似懸臂長度不相等），即X1≠X2。另外，閥桿軸線徑向偏心B的影響，在閥桿力矩的作用下，密封圈周邊的密封力和產(chǎn)生的應(yīng)力不等，有高壓力區(qū)和低壓力區(qū)，導(dǎo)致密封圈周邊的變形不一致。這種沿周邊不一致的變形，影響了閥門的密封效果。為了使低壓力區(qū)域產(chǎn)生足夠的密封比壓，需要更大的力矩才能使閥門密封，但是加大力矩會導(dǎo)致高壓力區(qū)域的比壓超過密封面許用比壓，導(dǎo)致閥門的密封性能逐漸下降。

4、等強(qiáng)度密封圈設(shè)計

    針對三偏心蝶併密封圈受力不均影響密封性能的情況，以及整體密封圈彈性不足的缺點，設(shè)計了一種新高彈性等強(qiáng)度整體密封圈，使X1=X2，并相應(yīng)改變蝶板和壓板的外形使其與密封圈邊緣的距離基本相等，以及盡量減小閥桿軸的徑向偏心值B。密封圈與閥座接觸起密封作用的厚度仍為2~3mm，這樣在保證密封圈具有高彈性的同時，在密封圈周邊形成均勻一致的應(yīng)力和變形量，以達(dá)到更好的密封效果。

5、選材及加工

    三偏心硬密封蝶閥的密封圈一般選用304或304L奧氏體不銹鋼，鋼材強(qiáng)度較低。當(dāng)密封圈厚度較薄時，容易產(chǎn)生彈性，但也容易產(chǎn)生塑性變形和翹曲，導(dǎo)致密封性能下降。因此，為了使等強(qiáng)度密封圈獲得較好的密封性能，選用17-4PH或17-7PH沉淀硬化鋼，其時效后硬度為32~36HRC，屈服強(qiáng)度>860MPa，并在閥座密封面上堆焊鈷基硬質(zhì)合金，硬度為38~43HRC，兩個密封面之間存在6~10HRC的硬度差，密封圈具有高彈性的同時不容易發(fā)生翹曲，這些打措施都為獲得良好的長期密封性能提供了保證。

    等強(qiáng)度密封圈的結(jié)構(gòu)特殊，要通過機(jī)加工均勻去除X尺寸部分的金屬，需要銑床一層一層的加工，獲得近似曲面的等強(qiáng)度密封圈，或者通過5軸加工中心進(jìn)行該曲面的加工。同時，與密封圈接觸的類似于懸壁梁長度的零件，如蝶板及壓板的外形設(shè)計和機(jī)加工，也是確保獲得等強(qiáng)度密封圈的關(guān)健。

6、工裝設(shè)計

    為了保證等強(qiáng)度密封結(jié)構(gòu)的密封性能，設(shè)計了保證閥座密封面和蝶板密封面精度的加工裝置，其閥座密封面和蝶板密封面的加工采用了相同的底部斜板，確保兩工件的角度一致。并通過采用相同的工裝進(jìn)行磨削加工，以進(jìn)一步提高密封面的表面精度。

7、密封面加工

    能過工裝可以保證兩個密封面獲得*相同的角度，并獲得一定的表面精度。由于密封面是一個錐面體的斜切部分，在車、磨等切削加工回轉(zhuǎn)360℃時，大部分行程中具空轉(zhuǎn)，沒有與工件接觸切削金屬，只有一小部分行程中具與工件接觸切削金屬，形成了斷續(xù)的加工過程。工件在脫離切削和漸入切削的瞬間，會受到瞬時的沖擊，這些因素導(dǎo)致加工后的曲面存在不可修復(fù)的微小尺寸偏差和微小的不規(guī)則變形。

8、總結(jié)

    三偏心硬密封蝶閥的高彈性等強(qiáng)度密封圈改善了密封圈的受力分布，使密封圈周邊的閥桿力矩的作用下有基本上均勻一致的應(yīng)力和變形。針對在加工過程中的不連續(xù)切削和無法研磨問題，提出了在制造過程中工藝加寬閥座密封面和密封圈的方法，以使密封面在加工過程中處于連續(xù)獲得更好的表面尺寸精度，并可實現(xiàn)閥座密封面和蝶板密封面的研磨。通過這些措施獲得三偏心硬密封蝶閥優(yōu)異的密封性能和長期的使用壽命。