填充式蝶閥的研究
一、前言
蝶閥是給排水管路系統(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)置,隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)蝶閥的結(jié)構(gòu)及性能提出了更高的要求。目前廣泛應(yīng)用于市政、石油、化工、輕工等給排水工業(yè)領(lǐng)域中,蝶閥的種類(lèi)很多,有中心線型、有單偏心、雙偏心、甚至還有三偏心,但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn):蝶板壓框壓緊橡膠密封圈,實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的啟閉,而且閥門(mén)所采用的閥桿是貫穿整個(gè)蝶板,流通面積小,扭矩偏大,加之閥門(mén)中的零件較多,造成維修困難。而填充式蝶閥(見(jiàn)圖1)是結(jié)合國(guó)、內(nèi)外大量的工況實(shí)例,多年的市場(chǎng)跟蹤調(diào)查,設(shè)計(jì)的新型獨(dú)特閥門(mén),完全克服了現(xiàn)有蝶閥行業(yè)加工密封面繁瑣的一些技術(shù)性不足,不但簡(jiǎn)化了工藝程序,而且閥門(mén)的綜合性能得到了提高。該閥是一種單偏心蝶閥,流量系數(shù)大,扭矩小,密封性能好,不污染環(huán)境,拆卸維修非常方便。驅(qū)動(dòng)方式有把手式、蝸輪式、電動(dòng)式以及氣動(dòng)等,是一種適應(yīng)范圍廣泛的閥門(mén)。
圖1 填充式蝶閥
1.電動(dòng)啟閉機(jī)(手動(dòng)、氣動(dòng)) 2.主閥桿 3.O形密封圈 4.閥體 5.銷(xiāo) 6.蝶板 7.副閥桿 8.密封圈 9.螺栓 10.組合墊圈 11.環(huán)氧樹(shù)脂
二、結(jié)構(gòu)及工作原理
填充式蝶閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,它是一種單偏心軟密封蝶閥,設(shè)有上、下兩段式閥桿,密封圈不在閥板上,而在閥體上,密封圈可任意規(guī)格對(duì)接,密封接觸面采用多線接觸結(jié)構(gòu),閥體凹槽采用非對(duì)稱(chēng)式燕尾槽(見(jiàn)圖1),以防止橡膠探出過(guò)多,造成蝶板開(kāi)啟后再關(guān)閉裹圈現(xiàn)象。
關(guān)閉閥門(mén)時(shí),利用帶壓注入在密封圈空腔內(nèi)的特殊環(huán)氧樹(shù)脂混合物,在灌注過(guò)程中,閥體密封座相對(duì)蝶板移動(dòng),注入的環(huán)氧樹(shù)脂使蝶板與密封閥座在所有位置均勻配合,且其密封副的密封比壓相同,使閥門(mén)的密封達(dá)到最佳狀態(tài)。
值得提醒的是:密封圈在填充環(huán)氧樹(shù)脂時(shí),除了要將閥門(mén)關(guān)閉到位,而且保壓的壓力和時(shí)間一定要得到保證。
啟閉閥門(mén)非常簡(jiǎn)單,打開(kāi)閥門(mén)時(shí),只要逆時(shí)針緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,使蝶板與法蘭面垂直,關(guān)閉閥門(mén)時(shí),用手輪順時(shí)針緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,使蝶板與法蘭面平行。
三、裝配方法
裝配時(shí),用煤油清洗閥門(mén)所有的部件,先將閥體平放在平板上(見(jiàn)圖2),再將密封圈嵌在閥體溝槽中,然后將蝶板移至閥體內(nèi),呈關(guān)閉狀態(tài),在主、副閥桿表面涂上硅脂,安裝好擋圈、O形密封圈和銷(xiāo),使之與蝶板的內(nèi)孔相連接,再用橡皮錘輕敲蝶板,使之完全嵌入閥體,然后用氣壓將特殊的環(huán)氧樹(shù)脂混合物注入閥體與蝶板密封副中的空腔,保壓一定時(shí)間,最后用螺塞將閥體澆注環(huán)氧樹(shù)脂螺紋孔堵住即可。
圖2 填充環(huán)氧樹(shù)脂圖
1.電磁閥 2.氣缸 3.氣缸座 4.支架 5.壓力表 6.氣管 7.填充式蝶閥
四、性能
填充式蝶閥(見(jiàn)圖1)密封圈被環(huán)氧樹(shù)脂填充后,由于密封圈表面呈鋸齒形,與閥體的結(jié)合牢固。多道密封,有效地解決了閥門(mén)啟閉過(guò)程中,密封面磨損和泄漏問(wèn)題,使用壽命長(zhǎng),加之該閥采用上、下兩段式閥桿,單偏心結(jié)構(gòu),增加了閥門(mén)的流通面積,水頭損失及操作扭矩要比同規(guī)格的普通蝶閥小。
閥桿與蝶板的連接采用了內(nèi)螺紋圓柱銷(xiāo),銷(xiāo)的端面又灌以液態(tài)密封膠,在實(shí)際使用中拆卸維修極為方便,生產(chǎn)成本也較低。
五、與普通蝶閥的比較
常規(guī)蝶閥的密封副一般采用過(guò)盈的面接觸密封,一旦出現(xiàn)泄漏,需靠人為的調(diào)節(jié)螺釘?shù)乃删o,加大橡膠過(guò)盈量,若不能解決問(wèn)題,只能拆卸重新更換密封圈。如果這種情況發(fā)生在供水過(guò)程中,需要停泵、停產(chǎn)維修,造成經(jīng)濟(jì)損失。而填充式蝶閥密封副采用多道密封,既減少了摩擦又延長(zhǎng)了使用壽命,一旦密封線損壞,其他密封線仍起密封作用,即便多道密封線全部損壞,它可在現(xiàn)場(chǎng)載壓情況下修補(bǔ)閥座,閥門(mén)無(wú)需從管線上拆下,更無(wú)須停泵、停產(chǎn)維修,維修工序非常簡(jiǎn)單,利用橡膠的彈性進(jìn)行二次注塑達(dá)到完全密封,整個(gè)過(guò)程僅需十幾分鐘即可完成二次修補(bǔ)。
六、設(shè)計(jì)計(jì)算
1、壁厚計(jì)算
填充式蝶閥的閥體最小壁厚采用ASMEB16.34附錄中壁厚的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。
2、偏心式蝶閥閥桿力矩計(jì)算(圖3)
圖3 閥桿力矩計(jì)算圖
MD=MM+MT+Mj+Md
式中
MD——蝶閥閥桿力矩,單位為N•mm;MM——密封面間摩擦力矩,單位為N•mm;MT——密封填料的摩擦力矩(由于閥桿采用O形圈密封可忽略不計(jì)),單位為N•mm;Mj——靜水力矩,單位為N•mm(查表或計(jì)算);Md——動(dòng)水力矩,單位為N•mm(查表或計(jì)算)。MM=4qMRbMfM(h2+R2)1/2;qM——密封面必需比壓,單位為MPa(查表或計(jì)算);R——蝶板密封半徑,單位為mm;bM——密封面的接觸寬度,單位為mm;fM——密封面間的摩擦因數(shù)(對(duì)于橡膠為0.8~1.0);h——閥桿與蝶板中心的偏心距,單位為mm。
3、蝶板的厚度計(jì)算
b=0.054DH1/3
式中
b——蝶板最大厚度,單位為mm;D——蝶閥流道直徑,單位為mm(b/D=0.15~0.25);H=100(P+Δp)
式中
H——最大靜壓水頭(水擊升壓介質(zhì)),單位為m;p——設(shè)計(jì)壓力(常取p=pN),單位為MPa。
Δp=400×10-6 t-1 v
Δp——蝶閥快速關(guān)閥,在管路中產(chǎn)生的水擊升壓值,MPa;v——介質(zhì)流速,(查表)單位為m/h;t——蝶板從全開(kāi)到全關(guān)所經(jīng)歷的時(shí)間(查表選擇),單位為s。
4、蝶板與連接管道內(nèi)壁間的最小間隙δ值(見(jiàn)圖4)
圖4 蝶板結(jié)構(gòu)圖
δ≥2mm DN≤150
δ≥3mm DN=200~600
式中
DN——閥門(mén)公稱(chēng)通徑。
5、蝶閥閥座最小通徑Dmin
Dmin≥0.85DN
6、斷面的強(qiáng)度校核
1)蝶板A-A斷面的強(qiáng)度校核(見(jiàn)圖5)
圖5 蝶板受力分析圖
σWA=MAWA-1
式中
σWA——驗(yàn)證A-A斷面上的彎曲應(yīng)力,單位為MPa;MA——A-A斷面上的彎矩,單位為N•mm;
MA=0.113pD13
式中
p——設(shè)計(jì)壓力(常取p=pN),單位為MPa;D1——蝶板外徑,單位為mm。
WA=2JAb-1
WA——A-A斷面的抗彎斷面系數(shù),單位為mm3;JA——A-A斷面的慣性矩(查表或計(jì)算),單位為mm;b——蝶板最大厚度,單位為mm。
若A-A斷面的實(shí)際彎曲應(yīng)力,即:
σWA<[σWA]則蝶板設(shè)計(jì)合理,[σWA]為材料許用彎曲應(yīng)力。
2)蝶板B-B斷面的強(qiáng)度校核
由于閥門(mén)采用上下兩段式閥桿支撐,蝶板變形量很小,故在這里不作贅述。
七、結(jié)語(yǔ)
填充式蝶閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于傳動(dòng)件上、下閥桿、閥體和蝶板的強(qiáng)度計(jì)算,密封圈填充環(huán)氧樹(shù)脂保壓的壓力和保壓時(shí)間的合理設(shè)定以及閥體、蝶板、閥桿、銷(xiāo)等零件的合理選材和熱處理。該閥是一種單偏心蝶閥,流量系數(shù)大,扭矩小,密封性能好,不污染環(huán)境,拆卸維修非常方便。驅(qū)動(dòng)方式有把手式、蝸輪式、電動(dòng)式以及氣動(dòng)式等,是一種適應(yīng)范圍廣泛的閥門(mén)。