CN103759025A - 一种四偏心蝶阀及密封环 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四偏心蝶阀及密封环，所述蝶阀包括阀杆、碟板、阀体、阀座和密封环，所述密封环在阀门关闭时与阀座之间形成密封面，所述阀杆的轴心线与密封面不相重合，所述阀杆的轴心线与所述阀门通道的中心线不相交；所述密封环的外表面与阀座的内表面相配合，并且为空间上一个椭圆锥外表面的一部分；所述密封环的截面为正圆或者近似正圆，所述密封环在阀门关闭时对应的椭圆锥的中心线与所述阀门通道的中心线不相平行。本发明蝶阀的密封环的外表面为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，密封环在阀门关闭时与阀座形成的密封面的截面为正圆或者近似正圆，使得密封环受到的压力在密封面上的分布是均匀的，从而大大延长产品的使用寿命。

Description

一种四偏心蝶阀及密封环

技术领域

本发明属于蝶阀领域，特别是涉及一种四偏心蝶阀及密封环。

背景技术

为满足各种工况要求，蝶阀先后经历了从同心蝶阀向单偏心蝶阀、双偏心蝶阀和三偏心蝶阀的演变。

1.同心蝶阀

如图1所示，为同心蝶阀的结构示意图，包括阀体1、阀座2、碟板3、阀杆4和密封面的中性截面51，阀体中具有一阀门通道6，阀杆轴心、蝶板中心、阀体中心（阀门通道的中心）在同一位置上。结构简单、制造方便。常见的衬胶蝶阀即属于此类。缺点是由于蝶板与阀座之间始终处于挤压、刮擦状态，摩擦力大，磨损快。为克服挤压、刮擦，保证密封性能，阀座基本上采用橡胶或聚四氟乙烯等弹性材料，但也因而在使用上受到温度的限制，不能耐高温。

2.单偏心蝶阀

为解决同心蝶阀的蝶板与阀座之间的挤压、刮擦问题，由此产生了单偏心蝶阀，如图2所示。其结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板中心，形成第一偏心11，从而使蝶板上下端不再成为回转轴心，分散、减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压。但由于单偏心结构的限制，在阀门的整个开关过程中，蝶板与阀座之间的刮擦现象并未消失，在应用范围上和同心蝶阀基本相同。

3.双偏心蝶阀

双偏心蝶阀是在单偏心蝶阀基础上的进一步改进，如图3所示。其结构特征为阀杆轴心既偏离蝶板中心，形成第一偏心11，也偏离阀体中心，形成第二偏心12。双偏心的结构使阀门开启后，蝶板能立刻脱离阀座，大幅度地消除了蝶板与阀座之间的不必要的过度挤压、刮擦现象，减小了开启、闭合摩擦力，降低了磨损，提高了阀座寿命。双偏心蝶阀也可以采用弹性金属阀座，提高了蝶阀在高温领域的应用。但因为其密封原理属位置密封，即蝶板与阀座的密封面为线接触，依靠蝶板挤压阀座所造成的弹性变形来实现密封，因此对关闭位置要求很高（特别是金属阀座），并且承压能力低、泄漏量大。

4.三偏心蝶阀

要耐高温，必须使用硬密封，但泄漏量大；要零泄漏，必须使用软密封，却不耐高温。为克服双偏心蝶阀这一矛盾，又对蝶阀进行了第三次偏心。其结构特征为在双偏心的阀杆轴心位置偏心的同时，使蝶板密封面的圆锥中心线偏斜于阀体中心线。也就是说，经过第三次偏心后，其密封截面不再是真圆，而是椭圆；其密封面形状也因此而不对称，一边倾斜于阀体中心线，另一边则平行于阀体中心线。第三次偏心的最大特点就是从根本上改变了密封结构，不再是位置密封，而是扭力密封；即不是依靠阀座的弹性变形，而是完全依靠蝶板与阀座之间的接触面压来达到密封效果，因此一举解决了金属阀座零泄漏这一难题，并因接触面压与介质压力是成正比的，耐高压高温也迎刃而解。

三偏心蝶阀存在的问题：由三偏心蝶阀的结构可知，在阀门关闭时，执行机构和介质压力产生的扭矩作用在密封面上，产生一定的密封比压，即蝶板和阀座的密封表面上会受到相互作用的压力N。在阀门开启或闭合的瞬间，蝶板和阀座的密封表面之间有运动的趋势，且存在着相互作用力，则二者之间就会必然存在一定的摩擦力，大小为fN，由于摩擦系数f是由材料确定的，因此摩擦力的大小只和压力N有关。

三偏心蝶阀的结构使其密封截面是椭圆。由力学分析可知压力N在密封截面的椭圆圆周上的分布并不是均匀的，而是如图5所示（以蝶板为例）。由上图可知压力N在密封截面的椭圆短轴处最大，在椭圆长轴处最小。因此在阀门开启或闭合的瞬间，蝶板和阀座的密封表面的摩擦力也是在椭圆短轴处最大，在椭圆长轴处最小。这样就会造成在阀门经过多次开启或闭合之后，蝶板和阀座的密封表面在椭圆短轴处磨损大，在椭圆长轴处磨损小，导致阀门泄漏量变大，使用寿命缩短。

发明内容

为了解决现有的蝶阀的密封面在椭圆短轴处磨损大，在椭圆长轴处磨损小，导致阀门泄漏量变大，使用寿命缩短。

本发明采用的技术方案是：包括阀杆、碟板、阀体、阀座和密封环，所述阀体具有一阀门通道，所述阀门通道的外侧设有阀座，所述碟板设置在阀门通道中，所述阀杆与碟板相连接，用于驱动碟板转动，所述碟板上安装有密封环，所述密封环在阀门关闭时与阀座之间形成密封面，所述阀杆的轴心线与密封面不相重合，所述阀杆的轴心线与所述阀门通道的中心线不相交；所述密封环的外表面与阀座的内表面相配合，并且为空间上一个椭圆锥外表面的一部分；所述密封环的截面为正圆或者近似正圆，所述密封环在阀门关闭时对应的椭圆锥的中心线与所述阀门通道的中心线不相平行。

优选地，所述密封环的外表面为椭圆锥在倒立设置时按照与水平面的夹角γ进行两次截取得到的两截面之间的椭圆锥面，所述夹角γ和椭圆锥的长轴半角α、短轴半角β满足如下关系：

${\tan }^2\mathrm{\α}=\frac{{\tan }^2\mathrm{\γ}+1}{\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\β}}-{\tan }^2\mathrm{\γ}}.$

优选地，所述密封环在阀门关闭时对应的椭圆锥的中心线与所述阀门通道的中心线的夹角为5-15度。

优选地，所述密封环与碟板为分体式结合和/或所述阀座和阀体之间为分体式结合。

优选地，所述密封环的截面是指密封环在阀门关闭时垂直于阀门通道中心线的截面。

优选地，所述阀座通过阀座压盖安装在阀体上。

优选地，所述阀座和密封环由金属制成。

本发明还提供了一种密封环，所述密封环的外表面为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，所述密封环的横截面为正圆或者近似正圆。

优选地，所述密封环的外表面为椭圆锥在倒立设置时按照与水平面的夹角γ进行两次截取得到的两截面之间的椭圆锥面，所述夹角γ和椭圆锥的长轴半角α、短轴半角β满足如下关系：

${\tan }^2\mathrm{\α}=\frac{{\tan }^2\mathrm{\γ}+1}{\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\β}}-{\tan }^2\mathrm{\γ}}.$

优选地，所述密封环安装到具有阀门通道的蝶阀上时，在阀门关闭时对应的椭圆锥的中心线与所述阀门通道的中心线不平行。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明蝶阀的密封环的外表面为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，密封环的截面为正圆或者近似正圆，使得密封环受到的压力在密封面上的分布是均匀的。因此在阀门开启或闭合的瞬间，蝶板和阀座的密封面的摩擦力也是均匀的。这样在阀门经过多次开启或闭合之后，蝶板和阀座的密封面在整个圆周的磨损都是均匀的，这样就可以通过阀门结构预留的间隙对密封面的磨损进行自动补偿，保证阀门泄漏量不变大，从而大大延长产品的使用寿命。

附图说明

图1为同心蝶阀的结构示意图；

图2为单偏心蝶阀的结构示意图；

图3为双偏心蝶阀的结构示意图；

图4（a）为本发明一种实施例的四偏心蝶阀的结构示意图；

图4（b）为图4（a）的B-B处截面图；

图4（c）为图4（a）中密封环长轴方向截面图；

图5为现有密封环的压力分布示意图；

图6为本发明一种实施例的密封环的压力分布示意图；

图7为本发明的密封环进行获取的设计原理图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图4（a）、（b）、（c）所示，为本发明提供的一种实施例的四偏心蝶阀的结构示意图，该四偏心蝶阀包括阀体1、阀座2、阀杆4、碟板3和密封环5，所述阀体具有一阀门通道6，所述阀门通道6的外侧设有位于阀体上的阀座2，所述碟板3设置在阀门通道6中，在碟板3上安装有密封环5，所述阀杆4与碟板3相连接，用于驱动碟板转动，使得碟板带动密封环在一状态下与阀座相接触，从而关闭阀门，所述密封环在阀门关闭时与阀座之间形成密封面。该四偏心蝶阀是通过阀杆和介质压力产生的扭矩来使得密封环和阀座之间的接触面产生一定的密封比压，从而实现密封环和阀座间的密封；并通过开启、关闭碟板，达到控制流体的作用。

本发明阀杆4的轴心线与密封面的截面不相重合，至少与密封面的中性截面不相重合。所述阀杆4的轴心线与所述阀门通道6的中心线不相交；所述密封环5的外表面与阀座2的内表面相配合，并且为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，所述密封环5的截面为正圆或者近似正圆，所述密封环对应的椭圆锥的中心线与所述阀门通道的中心线不平行。由于阀座的内表面与密封环的外表面相配合，因此，阀座的内表面也为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，并且横截面为正圆或者近似正圆。

本发明蝶阀的密封环的外表面为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，密封环在阀门关闭时与阀座形成的密封面的截面为正圆或者近似正圆，使得密封环受到的压力在密封面上的分布是均匀的。所述密封环的截面是指密封环在阀门关闭时垂直于阀门通道中心线的截面。该密封环在阀门关闭时对应的椭圆锥中心线E、椭圆锥面F、短轴半角β、长轴半角α，密封环的外表面为该椭圆锥外表面的一部分，该密封环在阀门关闭时与阀座之间形成的密封面的截面为正圆或者近似正圆。该密封环与阀座形成的密封面的截面为正圆时，其截面的直径为Φ。因此在阀门开启或闭合的瞬间，密封环和阀座的密封面的摩擦力也是均匀的。这样在阀门经过多次开启或闭合之后，密封环和阀座的密封表面在整个圆周的磨损都是均匀的，这样就可以通过阀门结构预留的间隙对密封面的磨损进行自动补偿，保证阀门泄漏量不变大，从而大大延长产品的使用寿命。

再次参阅图4（a），本发明密封环的外表面为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，密封环在阀门关闭时与阀座形成的密封面的截面为近似正圆，优选地为正圆。近似正圆是指与正圆相近，可以是半径上的偏差，例如是正圆半径的-10%-10%范围。当然，近似正圆还可以是外侧面的相近似。

本发明的四偏心蝶阀是指存在四个偏心，第一偏心11是指密封环在阀门关闭时的密封面的截面与阀杆轴心线之间不相重合，至少与密封面的中性截面不相重合。使得密封面的截面与阀杆轴心线之间具有第一距离，两者存在轴向偏心。此时，阀杆的轴心线与碟板的中心不相重合，使得蝶板上下端不再成为回转轴心，分散、减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压，从而延长了密封环的使用寿命。

本发明的四偏心蝶阀的第二偏心12是指阀杆的轴心线和所述阀门通道的中心线不相交，两者存在径向偏心。此时，阀门从关闭状态进入开启状态时，蝶板能立刻脱离阀座，大幅度地消除了蝶板与阀座之间的不必要的过度挤压、刮擦现象，减小了开启、闭合摩擦力，降低了磨损，提高了阀座寿命。

本发明的四偏心蝶阀的第三偏心13是指密封环在阀门关闭时对应的椭圆锥的中心线与所述阀门通道的中心线不平行，密封环在阀门关闭时的中心线与所述阀门通道的中心线之间的夹角可以是5-20度，优选地为15度。由于密封环在阀门关闭时的中心线与所述阀门通道的中心线不相重合，使得密封环与阀座之间是扭力密封，即不是依靠阀座的弹性变形，而是完全依靠阀芯与阀座之间的接触面压来达到密封效果。

如图5所示，为现有密封环的压力分布示意图，由图可知压力N在密封截面的椭圆短轴处最大，在椭圆长轴处最小。因此在阀门开启或闭合的瞬间，蝶板和阀座的密封表面的摩擦力也是在椭圆短轴处最大，在椭圆长轴处最小。这样就会造成在阀门经过多次开启或闭合之后，密封环和阀座之间形成的密封面在椭圆短轴处磨损大，在椭圆长轴处磨损小，导致阀门泄漏量变大，使用寿命缩短。

本发明的四偏心蝶阀的第四偏心是指椭圆锥长轴半角和短轴半角之间具有角度差，并且满足密封环与阀座形成的密封面的截面为正圆或者近似正圆。如图6所示，为本发明一种实施例的密封环的压力分布示意图，该密封环与阀座形成的密封面的截面为正圆，其截面的直径为Φ。由图可知压力N在密封截面的正圆圆周上的分布是均匀的（如果是近似正圆，则压力分布是近似均匀的）。因此在阀门开启或闭合的瞬间，密封环和阀座的密封面的摩擦力也是均匀的。这样在阀门经过多次开启或闭合之后，密封环和阀座的密封面在整个圆周的磨损都是均匀的，这样就可以通过阀门结构预留的间隙对密封面的磨损进行自动补偿，保证阀门泄漏量不变大，从而大大延长产品的使用寿命。当然，在设计时，可以使得密封截面为近似圆形，虽然效果没有正圆理想，但是相比较与三偏心蝶阀而言，大大降低了密封环的磨损量。

本发明的密封环的外表面为椭圆锥在倒立设置时按照与水平面的夹角γ进行两次截取得到的两截面之间的部分椭圆锥面，所述夹角γ和椭圆锥的长轴半角α、短轴半角β（β<α）满足如下关系：

${\tan }^2\mathrm{\&alpha;}=\frac{{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}+1}{\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\&beta;}}-{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}}.$

以下具体说明密封环的形成过程：计算说明如图7。

在直角坐标系中建立一个椭圆锥体：中心线沿Z方向，高度为c；椭圆长轴沿X方向，长度为a；椭圆短轴沿Y方向，长度为b。图7中示出了倒立设置的椭圆锥体。

则椭圆锥体的方程为：

由立体解析几何可以证明：有且只有一个平面与此椭圆锥体相交的截交线为正圆。

此截平面方程为：nY+pZ=1     ⑴

其中 $\frac{p}{n}=\&PlusMinus;\frac{b}{c}\sqrt{\frac{a^2+c^2}{a^2-b^2}}---\left(2\right)$

此圆的圆心为：

此圆的半径为：

设：椭圆锥体长轴半角为α

椭圆锥体短轴半角为β

截平面与水平面夹角为γ

则： $\tan \mathrm{\&alpha;}=\frac{a}{c}---\left(3\right)$

$\tan \mathrm{\&beta;}=\frac{b}{c}---\left(4\right)$

由式⑴可得： $Z=\frac{1}{p}-\frac{n}{p}Y$

则： $\tan \mathrm{\&gamma;}=-\frac{n}{p}---\left(5\right)$

将式⑶、⑷、⑸代入式⑵中，可得：

${\tan }^2\mathrm{\&alpha;}=\frac{{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}+1}{\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\&beta;}}-{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}}$

则： $\mathrm{\&alpha;}=\arctan \sqrt{\frac{{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}+1}{\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\&beta;}}-{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}}}---\left(6\right)$

在获取到倒立设置的椭圆锥的正圆截面与水平面的夹角γ之后，利用与水平面成γ角的截面来截取椭圆锥体上一段，并除去部分内腔，从而形成密封环。截取的密封环的外表面为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，所述密封环的截面为正圆。当然，在进行设计时，也可以截取近似正圆，效果上虽然没有正圆理想，也是可以克服部分现有技术问题。

本发明四偏心蝶阀的密封环和阀座称之为密封副，均为分体式结构。其中密封环安装在蝶板上，而阀座通过阀座压盖安装在阀体上。所述密封环与碟板为分体式结合。所述阀座和阀体之间分体式结合。具有以下特点：

椭圆锥密封面位于密封环和阀座上，而阀体和蝶板均为常规结构设计。从制造的角度，阀体和蝶板只需采用常规的方法加工即可，只有密封环和阀座的椭圆锥密封面需要采用特殊的方法加工，大大降低了制造的难度。

从维修的角度，由于采用了分体式结构设计，当密封面受损时，无论是密封环还是阀座，都可以单独进行更换，而不必再兴师动众地大举分解阀门。这不但大大降低了维修保养成本，还大大减少了维修工时和强度与难度。

阀座安装在阀体上，与安装在蝶板上的产品相比，安装在阀体上的阀座不会受到介质的正面冲击，从而大大降低了阀座受冲蚀的程度，延长了阀座的使用寿命。

上述技术方案椭圆锥形四偏心蝶阀的密封是依靠密封环与阀座之间的接触面压来实现，为面密封，通过执行机构和介质压力产生的扭矩来使密封环和阀座之间的接触面产生一定的密封比压，从而实现密封。因此具有以下特点：密封环和阀座均为金属材料，可耐高温；密封比压和介质压力是成正比的，可耐高压；通过金属硬密封可以达到非金属软密封的密封效果，实现零泄漏。蝶板与阀座间无磨擦，驱动力小，使用寿命长。椭圆锥形四偏心蝶阀的密封截面为正圆，是由椭圆锥形斜截得来。在蝶板与阀座开启或闭合的瞬间，它们两者的密封面是同时脱离或同时接触的，两者之间没有相对滑动，没有摩擦。因此具有以下特点：可减小执行机构的驱动力；可大大延长产品的使用寿命。

本发明还提供了一种密封环，包括内表面和外表面，所述外表面为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，所述密封环的横截面为正圆或者近似正圆。该密封环也可以是由椭圆锥体截取获得，具体内容参见上文描述。优选地，所述密封环在正立放置时对应的椭圆锥的中心线与竖直线的夹角为5-20度。也就是说，密封环使用在蝶阀上，在阀门关闭时对应的椭圆锥的中心线与阀门通道的中心线之间的夹角可以是5-20度

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种四偏心蝶阀，包括阀杆、碟板、阀体、阀座和密封环，所述阀体具有一阀门通道，所述阀门通道的外侧设有阀座，所述碟板设置在阀门通道中，所述阀杆与碟板相连接，用于驱动碟板转动，其特征在于，所述碟板上安装有密封环，所述密封环在阀门关闭时与阀座之间形成密封面，所述阀杆的轴心线与密封面不相重合，所述阀杆的轴心线与所述阀门通道的中心线不相交；所述密封环的外表面与阀座的内表面相配合，并且为空间上一个椭圆锥外表面的一部分；所述密封环的截面为正圆或者近似正圆，所述密封环在阀门关闭时对应的椭圆锥的中心线与所述阀门通道的中心线不相平行。

2.根据权利要求1所述的四偏心蝶阀，其特征在于，所述密封环的外表面为椭圆锥在倒立设置时按照与水平面的夹角γ进行两次截取得到的两截面之间的椭圆锥面，所述夹角γ和椭圆锥的长轴半角α、短轴半角β满足如下关系：

${\tan }^2\mathrm{\&alpha;}=\frac{{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}+1}{\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\&beta;}}-{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}}.$

3.根据权利要求1所述的四偏心蝶阀，其特征在于，所述密封环在阀门关闭时对应的椭圆锥的中心线与所述阀门通道的中心线的夹角为5-15度。

4.根据权利要求1所述的四偏心蝶阀，其特征在于，所述密封环与碟板为分体式结合和/或所述阀座和阀体之间为分体式结合。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的四偏心蝶阀，其特征在于，所述密封环的截面是指密封环在阀门关闭时垂直于阀门通道中心线的截面。

6.根据权利要求4所述的四偏心蝶阀，其特征在于，所述阀座通过阀座压盖安装在阀体上。

7.根据权利要求1-4任何一项所述的四偏心蝶阀，其特征在于，所述阀座和密封环由金属制成。

8.一种密封环，其特征在于，所述密封环的外表面为空间上一个椭圆锥外表面的一部分，所述密封环的截面为正圆或者近似正圆。

9.根据权利要求8所述的密封环，其特征在于，所述密封环的外表面为椭圆锥在倒立设置时按照与水平面的夹角γ进行两次截取得到的两截面之间的椭圆锥面，所述夹角γ和椭圆锥的长轴半角α、短轴半角β满足如下关系：

${\tan }^2\mathrm{\&alpha;}=\frac{{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}+1}{\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\&beta;}}-{\tan }^2\mathrm{\&gamma;}}.$

10.根据权利要求9所述的密封环，其特征在于，所述密封环安装到具有阀门通道的蝶阀上时，所述密封环在阀门关闭时对应的椭圆锥的中心线与所述阀门通道的中心线不平行。

Images