現在的金屬硬密封蝶閥的蝶板在關閉過程中會擠壓閥體閥座密封面，出現干涉。當密封面因擠壓得到足夠的密封比壓形成密封條件時，擠壓部位會出現連續不間斷的環形擠壓帶。運用AutoCAD繪圖軟件可以根據擠壓帶繪制干涉體，并通過對其基本形狀進行的定性分析和對其截面各部分進行的測量及定量分析，為修正、驗證和確定蝶閥的三偏心參數提供設計依據，以便蝶閥最終獲得良好的密封條件。

良好的密封條件在密封時會產生良好的擠壓帶，它的干涉體應符合以下幾個條：

1）干涉體是連續不間斷的圓環；
2）干涉體圓環的寬度一致且無缺口；
3）干涉體圓環擠壓深度基本一致，其最大值和最小值之差為0.03～0.05mm；
4）干涉體截面各點擠壓的增量與蝶板過關閉度數的增量基本成正比，密封面的磨損能得到有效自我補償；
5）開啟蝶閥，逆時針旋轉蝶板微小角度，閥體蝶板密封面就脫離接觸，不會出現干涉現象。

1　干涉體的創建和分析

1.1　繪制密封副

三偏心調節蝶閥密封副是一偏心錐面。圖1是圓錐角度為2θ、圓錐高度為av的正圓錐體。令蝶板回轉線與閥體通道軸線呈β偏角（取β=θ），將錐體繞a點順時針旋轉β角，使圓錐母線ae與x軸平行。

在ae線段上截取b，c兩點，使ab=H，bc=L（L為閥體密封面寬度），過b，c點作平行于y軸的平面切割正圓錐曲面，分別交ae母線于b，c點，交af母線于n，m點，得bcmn圓錐曲面環，此即為閥體閥座密封面。線段nb為閥體錐形密封面小端的橢圓截面長軸A。繞長軸A將截面旋轉90°，可得到橢圓短軸B垂直于長軸A并與長軸A相交于橢圓族中軸線g點。

過d點按設定尺寸取db作nb平行線交于正圓錐中軸線于h點得閥體垂直中心線hd。過蝶板旋轉中心o點（閥桿中心點），取ho等于徑向偏心距e，作ae平行線得閥桿水平中心線。

圖1　蝶閥密封副

經推算，當θ=β時，可以得出各相關參數。

式中：B為閥體錐形密封面小端截面橢圓短軸，mm；K為圓錐高度，mm；A為閥體錐形密封面小端截面橢圓長軸，mm，

H為圓錐頂點到閥體閥座最小截面距離，mm，

H=Kcosθ

取θ=β=9°，則A=1.0128×B，K=3.156×B。

1.2　創建密封副

取PN=2.5MPa，DN=800mm的三偏心蝶閥為分析樣本。令閥體閥座密封面小端短軸B=770mm，閥座密封面寬度L=36mm，蝶板密封面寬度為h=8mm。

取軸向偏心b=62mm，徑向偏心e=12mm，圓錐半角θ與軸偏角β均為9°。

按上述條件繪出三偏心蝶閥密封副簡圖，見圖2。

圖2　DN800密封副簡圖

1.3　創建干涉體

將閥體蝶板置于白色圖層，新建干涉體紅色圖層。以o點為圓心順時針旋轉蝶板0.01°，檢測出剛體之間有干涉，創建出環形干涉體。向下移動UCS原點至蝶板中線，取環形干涉體中性截面，旋轉90°（見圖3），其中橢圓截面短軸與桿同方向。向左移動UCS原點至閥體中心，分別過原點作x軸、y軸與截面周邊相交，此時可分別測出上下左右4點位的擠壓量。此擠壓量即為金屬密封面擠壓的深度。

圖3　環形干涉體中性截面

依次遞增蝶板順時針旋轉角度，得出數組相對應的干涉體中性截面上下左右各點擠壓量（見表1）。

表1　中性截面擠壓量mm

1.4　閥體密封面必需的擠壓量

閥體密封面堆焊507Mo，密封面寬度為8mm。由胡克定律Δl=Pl/EA。不銹鋼彈性模量E=2.06×10⁵MPa，P/A=q_MF，按文獻[1]，合金鋼密封面調節閥的密封比壓q_MF=19MPa。閥體壁厚取L_max=20mm，計算得擠壓量力0.002mm。說明密封面壓縮0.002mm，即可滿足密封條件。而實際加工所產生的形位誤差造成的間隙較大。在閥門關閉過程先壓縮局部密封面，消除加工間隙，才能進入密封壓縮，得到必需的比壓。實際關閉過程中，估計密封面受到0.01～0.03mm的壓縮，或更大，視加工精度而定。

1.5　干涉體分析

1）蝶閥在開啟或關閉過程中沒有出現任何干涉。

2）干涉體環形帶是連續不間斷的，寬度基本一致。

3）蝶板過關閉0.01°時，干涉體中性截面各點擠壓量在0.012mm以內，但密封面尚未得到必須比壓，不能形成有效密封條件。

蝶板過關閉0.02°時，干涉體中性截面左右2點及其周邊金屬得到了充分擠壓，但上下2點的擠壓量僅為0.0007mm，多層次密封圈中的聚四氟乙烯、石墨材料等軟性材料在受擠壓后填滿其周邊部位至整圈擠壓帶中所有的微量間隙，并和不銹鋼片組合成復合密封材料，創建了迷宮式的密封條件。此密封條件只能達到暫時密封。

蝶板過關閉0.1°時，干涉體中性截面左右2點和上下2點的擠壓量不同，差值達0.12mm。蝶閥在反復啟閉過程中，密封面左右2點及其周邊部位由于擠壓甚至過量擠壓導致金屬磨損較快，但可以運用過關閉維持擠壓量。而密封面上下2點及其周邊部位微量擠壓磨損較慢，但擠壓量得不到有效的自我補償。

分析可知三偏心多層次密封蝶板密封圈的密封性能可滿足中低壓蝶閥的密封要求，但是多層次密封圈的結構不具備單一金屬的剛度和耐磨性，其密封面截面周邊擠壓量差值較大，使其在高壓密封性能上面臨挑戰。當蝶閥為達到高壓密封加大過關閉度數時，會出現多層次密封圈金屬片左右區域因擠壓過量而彎曲變形。在開啟蝶閥時，其徑向反彈力會沿閥座的徑向方向脹開，增大密封圈與閥座間的摩擦力，使得蝶閥開啟力矩增大，甚至出現卡死現象。

2　干涉體的缺陷和消除

三偏心蝶閥參數選擇不當，不但會影響擠壓帶的完整性，達不到密封條件，還會在開啟過程中密封面和閥座產生干涉，使蝶閥不能正常運行。

2.1　創建密封副

取PN=2.5MPa，DN=200mm的三偏心蝶閥為分析樣本。令閥體橢圓密封面短軸B=185mm，閥座密封面寬度為18mm，蝶板密封面寬度為6mm。軸向偏心b=22mm，徑向偏心e=6mm，圓錐半角θ與軸偏角β均為9°，繪出密封副簡圖（見圖4）。

圖4　DN200密封副簡圖

2.2　檢測干涉體缺陷

1）蝶閥過關閉0.1°時，仍可檢測到干涉體擠壓帶有缺口，不能形成連續圓環，達不到密封條件。

2）蝶板開啟0.1°時，可在閥桿方向右側檢測到2塊干涉區。干涉區隨閥門開度逐漸縮小，它的存在使密封面在蝶閥開啟過程中一直處于摩擦和磨損中。

2.3　修正參數

修正蝶閥的三偏心參數，可以消除干涉體上出現的缺陷，獲得良好的密封條件。如擴大徑向偏心e和圓錐半角θ的取值，以及減小軸向偏心b的取值都可以消除缺陷（見表2），其中增大θ角度的效果最佳。徑向偏心e的擴大受到閥體毛坯的限制，同時又使蝶閥開啟力矩增大，軸向偏心b的縮小受到閥桿直徑和蝶板裝配關系的約束。而θ圓錐角的改變則縮小了通用工裝的適用范圍，還有可能使密封面加工時與筒體內壁相干涉，而不得不增大閥體內腔直徑或減小流通直徑。

表2　三偏心蝶閥參數

3　結語

1）運用AutoCAD繪圖軟件檢測密封面干涉快速便捷，精度高，可以為修正、驗證和確定蝶閥的三偏心參數提供設計依據。
2）增大徑向偏心e和圓錐角θ，或減小軸向偏心b均可以消除密封面上金屬擠壓帶干涉體的缺陷，創建良好的密封條件。
3）三偏心多層次金屬硬密封蝶閥優勢顯著，但密封面磨損后，自我補償能力是有限的。

參考文獻：

[1]　楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1995.
[2]　李靜娟，閆洪奎.金屬硬密封蝶閥密封副干涉計算[J].閥門，1996（4）：224.
[3]　梁　瑞，姜　峰，俞樹榮.三偏心結構蝶閥金屬密封副干涉幾何學分析[J].流體機械，2003（5）：22224.