CN2189673Y - 新型蝶阀 - Google Patents

Abstract

本实用新型属阀门领域蝶阀范畴。

本实用新型用一个双曲柄四杆机构驱动阀板实 现蝶阀开关。双曲柄四杆机构由阀体(2)作机架，阀 板(8)做连杆，外加两个曲柄(6、10)组成。被动曲柄 (10)长度是可变的。本实用新型改进了目前蝶阀阀 板运动规迹和密封变形方式，能浮动对中和补偿密封 塑性变形；降低了机械加工精度；减小了开关扭矩；实 现了硬密封；提高使用寿命几倍乃至几十倍。

Description

本实用新型涉及阀门领域，是一种具有实质性改进的蝶阀。

蝶阀以其重量轻，体积小、开关迅速等优点越来越受到人们的关注，应用日趋广泛，并有取代闸板阀的趋势。但到目前为止，蝶阀结构存在一定缺点，特别是使用寿命低，一般使用一至二年，主密封就失效，这严重限制着它的进一步发展。

目前使用的蝶阀，主要有两种典型结构。

一种称之为“同心型”，这种蝶阀结构特点是在筒形阀体壁或阀板圆周上衬软质密封（目前几乎都是橡胶），阀轴直通过密封函，中部与阀板固结，下部在阀轴承中支撑。转动阀轴，实现开关。图1是这种阀的水平剖面示意图（关闭状态）。阀体（21）上衬有软质材料衬里（22），阀板（23）固定在阀轴（24）上，阀轴两端约束在阀体的上下轴承中，并设有密封。阀轴最上端与传动装置联结。驱动阀轴转动，从而带动阀板在90转角范围内转动，达到断流或调节流量的目的。目前这种蝶阀生产厂家很多，例如天津塘沽与美国马克控制公司合作生产的蝶阀就是这类蝶阀。这类蝶阀存在下列缺点：

1、阀轴穿过阀板的密封面，给该处密封造成困难，因而都采用软密封材料并通过加大过盈量来实现密封。过盈量的加大加速了密封的损坏。

2、开启时，阀板和密封衬里交界处仍然紧密接触，在流体作用下阀板摆动，密封很快损坏。

3、软质密封材料强度低，耐候性差，易老化。

为克服“同心式”蝶阀的缺点，近年来出现了“双偏心”结构形式。这种蝶阀的特点是阀板的转动中心相对于主密封有两个偏心距。图2是这种蝶阀的水平剖面示意图（关闭状态）。主密封（32）固定在阀体（31）上，阀板（33）的外圆（密封面）与主密封内圆（密封面）过盈配合，形成密封带。这两个密封面的几何中心是重合的。“同心型”蝶阀的阀轴通过这个中心。该阀阀轴（34）的安装孔相对主密封几何中心有两个偏心距：相对于主密封2厚度中心平面有一个偏心距e1，同时相对主密封中心平面有一个偏心距e2。阀轴中部与阀板孔固定配合。该阀板孔加工在阀板搭子上，与阀轴安装孔有完全一致的偏心距e1和e2。其他结构与同心式基本相同。驱动阀轴带动阀板反时针转动，在90°转角内即可部分或全部开启阀门。顺时针转到图示位置，阀关闭。这种蝶阀阀板与主密封之间有完整连续的密封面，同时，因阀板密封面运动是绕轴公转的同时自转，从而保证了开启一个小角度后密封面脱开。这种蝶阀克服了“同心式”蝶阀的部分缺点，寿命有所提高，主密封寿命可达到两年左右。这种阀近年来得到了较快的发展。例如美国Keystone公司生产的双法兰式双偏心蝶阀，武汉阀门厂的双法兰式双偏心蝶阀，济南鲁钟机械厂的专利产品（专利号86200319）VE对夹式蝶阀等，虽结构略有差异，有的偏心在阀体和阀板上，有的偏心在阀轴上，但其原理结构都是一样的，均属于这种蝶阀。

这种双偏心式蝶心仍然存在一个严重的缺点，就是仍然使用软密封，即使在常温低压无腐蚀开关也不频繁的环境中，其使用寿命也只有两年左右。一般蝶阀的通径较大，大部分用于野外石油矿场、化工厂、自来水等行业的主管道中。更换这些主管道的阀门是一件令用户十分烦恼的事。因为这不仅浪费资金，更重要的问题是作业困难。例如：石油行业管道有的在水中，有的在地下，有的高架空中，作业不便，同时在这些环境中联结螺栓极易锈死，使作业更加困难。除此之外，因其寿命短，频繁更换，停产损失很大。目前蝶阀的这一缺点，严重制约着蝶阀的发展。致使有些用户除必须用蝶阀的场合外，宁可用笨重而又昂贵的闸阀而不用轻巧的蝶阀。

目前蝶阀寿命低的主要原因，是使用软密封材料，国内外几乎都用橡胶。其不能实现硬密封的原因，主要有以下几方面（分析以双偏心式碟阀为例）：

1、要实现密封，阀板与密封座应有过盈量，在外力的作用下发生弹变形，形成连续密封带。其最小过盈量为：

△＝δ1＋δ2＋δ3＋δ4＋N

式中：△－－保证密封的实际最小过盈量；

δ1－－形状积累误差，包括密封面圆度、轴孔圆度等；

δ2－－位置误差，包括阀体及阀板两个偏心距误差，主

密封中心与阀板中心位置误差；

δ3－－尺寸误差、包括以上各件尺寸公差的积累误差；

δ4－－热胀冷缩误差；零件因材料不同由温度引起的误差；

N－－零件都在理想状况下的预设最小过盈量。

当前，机械加工厂经济精度在7级以下，6级精度已很困难。理论分析和生产实践证明，即使达到6级精度，前三项误差的积累误差也能高达数十微米，再加上第4项误差以及预设最小过盈量N，可高达上百微米以上甚至更多。这个变形量对软密封来说，不成问题，而对硬密封来说，接触应力是巨大的，转动是困难的。

2、这种蝶阀在关闭时压缩变形量是在很小的转角内完成的。在关闭蝶阀时，从主密封面开始压缩变形至变形结束所转过的角度，叫变形角，以α表示。理论分析表明，变形角与两个偏心距大小以及过盈量有关，而两个偏心距大小与主密封内径有关。在满足GB12238《通用阀门法兰和对夹蝶阀》规定的最小通径规范的前提下，这种蝶阀的变形角若为硬密封在1°以下，软密封在5°以下。在如此小的转角内完成这样大的变形，而且整个密封面上几乎同时变形，若为软密封这可行，若为硬密封则所需扭距太大，难以实现关闭。

3、要想长期保持密封，主密封必须不发生塑性变形。但这种蝶阀密封面变形量大，在最大接触应力处将发生塑性变形，塑性变形增加到一定程度，密封失效。这种阀的阀板和主密封的设定密封位置是二者重合或平行，只有在这个设定位置上才能保持密封。但这种蝶阀的阀板密封面作复合运动，即密封面绕转轴转的同时自转。所以当二者在设定的密封位置发生塑性变形而密封失效时，无论怎样转动阀板，只能在转动平面内因运动干涉而卡紧阀板，而在垂直于转动平面内的各点并不能很好的贴合，塑性变形也不能得到补偿。事实上，为补偿塑性变形，多转过一个小角度，这时在转动平面内阀板的两端能卡紧，但在阀板平面与主密平面相交处，总有两点过盈量不变。

综上所述，这种结构的蝶阀，使用硬密封是困难的，这是迄今这种阀普遍使用橡胶密封的原因。为解决这个问题，美国专利提出了“用于高温的金属密封蝶阀”（F16K25／00，NO.4231546），其主密封是用金属板制成J型断面，当J型断面弯曲部受到阀板挤压时弹性变形，以期二者密封。还有美国专利“碟阀用金属密封装置”（F16K25／00No.4277047）情况类似，只是主密封断面为U型。但由于这类密封是由弹性金属薄板经冲压卷曲而成，不适于机械加工，所以制成品很难满足密封副对形状精度（特别是圆度和轮廓度）的要求，同时，因这种密封不能承受大的压力，流体对阀板的压力大部需由阀轴承担，因而阀板不能浮动补偿密封的塑性变形。

本实用新型的目的是提供一种改进的蝶阀，它改进阀板的运动方式，使其能浮动对中和在流体作用下自动补偿塑性变形量，减小机械加工和装配误差对蝶阀密封的影响，减小关闭扭矩，改用硬密封，提高使用寿命。

上述目的是通过以下方案达到的。

用一个双曲轴板四杆机构实现蝶阀的开启和关闭。这个双曲柄四杆机构是由阀体（2）作机架，阀板（8）作连杆，外加上曲柄（6）（主动曲柄）和下曲柄（10）（被动曲柄）组成的。阀轴分为上下轴，上轴用于连结并驱动上曲柄，下轴用于连结下曲柄。

本实用新型的积极效果在于：保留了双偏心式蝶阀的优点，即密封面完整、连续和打开后密封面完全脱开，克服了双偏心式蝶阀不能用硬密封，寿命低的严重缺点，用一个简单的双曲柄四杆机构，改变了原来的运动规迹和变形方式，大大减小了开关扭矩，使阀板能浮动对中和补偿塑性变形，降低了机械加工精度要求，实现了硬密封，提高使用寿命几倍乃至几十倍。同时，为开发耐高、低温，耐腐蚀蝶阀奠定了基础。

这种蝶阀结构紧凑简单，只是比双偏心式增加了两个曲柄。加工精度7级就能满足要求。一般机械加工厂都能生产。

以下结合实施例给出本实用新型的祥细结构及其原理。

图3是本实用新型的外观视图。下面结合图3对本实用新型结构细节和工作情况作出描述。手把（1）与上轴（5）上端固定联结，手把的定位杆可与以螺钉固定在阀体（2）上端的定位板（3）啮合或脱开，用以固定阀门开度位置。上轴（5）穿过阀体（2）径部的封密函及轴承，下端以圆锥轴伸与上曲柄（6）大端固结，以螺母（7）背紧。上曲柄（6）的小端以销轴与阀板（8）左塔子的销孔铰接；下曲柄（10）大端以锥面与下轴（11）的圆锥轴伸固结，并以螺母背紧；下曲柄小端有一纵向长槽孔以销轴与阀板（8）的右搭子销孔铰接，其销轴能转动并能沿槽纵向滑动，使下曲柄作用长度在一定范围内变化；下轴（11）下端在阀体的轴承中支撑，伸出高度可调并能转动。握下手把（1）的定位杆，转动手把，通过上轴驱动上曲柄，实现阀门开关。

上述上轴（5）下端与上曲柄（6）大端的连结，以及下曲柄（10）大端与下轴（11）的连结，圆锥处加有平键。若改用花键连结，具有同样的效果。上曲柄（6）与阀板（8）的铰接，铰轴可以是单独的，也可以与上曲柄（6）成一体，本例为结构紧凑采取后一种形式。下曲柄（10）与阀板（8）的铰接，铰轴不与下曲柄做为一体，须使铰轴在下曲柄的长槽孔中能滑动与转动，长槽孔的长度方向是沿下曲柄（10）的纵向，即当铰轴滑动时能改变下曲柄的实际作用长度。

图4是该机构的原理图，下面结合图4对其工作原理作进一步说明。

主密封固定在阀体上。上曲柄长度OA，下曲柄长度OB，OB长度可变。阀板两塔子销孔连线AB相当于连杆长度。

开启时运动状况。阀门处关闭状态，阀板体与主密封位置重合，在1234AB位置。反时针转动上轴，阀门逐渐开启。当阀板到达1’2’3’4’A’B’位置，其下半个密封面与主密封脱离，上半个密封面仍接触，阀板受到接触应力的合力F的作用，其法向分力Fn通过阀板作用到上下曲柄A’B’两点。A’点分力由主动力平衡，B’点分力迫使曲柄O’B’顺时针转动，同时为满足A’B″等于A’B’，曲柄销沿曲柄纵向滑动一小段距离。于是A’B’转到A’B″位置，同时阀板绕A’点顺时针转过一个角度，与主密封脱开。继续转动，阀板触及刚性挡块，阀全开。

关闭时状况。顺时针转动上轴，当转过一定角度，阀板密封面开始触及下半个密封面时，阀板与下曲柄联结的一侧受到抗力，暂停运动，此时上轴继续驱动上曲柄转动，阀板绕B″点转动一个角度，同时下曲柄销纵向回滑一小段距离，恢复原长度。在这个过程中阀板完成自动对中。继续转动上轴，完成关闭。

关闭后，阀板在流体压力下可平行移动，自动补偿塑性变形等因素影响，保证密封。

理论分析表明，这种新型蝶阀的变形角只与偏距e1（阀板宽度中心平面至转轴距离）和阀板厚度有关。e1与阀门最小通径有关。在满足GB12238所规定的蝶阀最小通径的前提下，变形角在40°－80°范围内。这比双偏心结构变形角要大得很多。以DN150蝶阀为例，双偏心式e1＝20，e2＝2.5，变形量为0.1，其变形角α1＝0.3°，而本实用新型e1＝20，阀板密封面厚度B＝3则变形角α2＝60°，二者相甚远，α2＝200α1。

由弹性力学以及材料力学可知，弹性物质受压变形后将储存一定的能量，即变形能。若忽略机械效率，则变形能等于外力所作的功。设两种蝶阀的材料相同，变形量也完全相同，即变形能U1＝U2＝U于是有

M1α1＝M2α2＝U        （2）

式中：

M1－双偏心式输入的扭矩；

M2－新型输入的扭矩；

α1、α2以及u意义如前叙。

将前面分析的结果α2＝200α1代入（2）式得：M2＝M1／200可见新型的扭矩是双偏心式扭矩的1／200，因而在受力方面为实现硬密提供了力学条件。

Claims (5)

1、一种阀门领域中的新型蝶阀，其特征是阀上轴(5)穿过阀体(2)颈部的密封函及轴承，下端与上曲柄(6)大端固结，上曲柄(6)小端以销轴与阀板(8)左搭子销孔铰接，下曲柄(10)大端与阀下轴(11)固结而小端有销孔并以销轴与阀板(8)右搭子孔铰接，下轴(11)下端在阀体轴承中支撑，从而构成由阀体(2)作机架、阀板(8)作连杆、上曲柄(6)作主动曲柄及下曲柄(10)作被动曲柄的双曲柄四杆机构驱动阀板运动，实现蝶阀开关。

2、根据权利要求1所述的新型蝶阀，其特征是上曲柄（6）与上轴（5）的固结及下曲柄（10）与下轴（11）的固结是用圆锥轴伸加平键连结。

3、根据权利要求1所述的新型蝶阀，其特征是上曲柄（6）与上轴（5）的固结及下曲柄（10）与下轴（11）的固结是用花键连结。

4、根据权利要求1所述的新型蝶阀，其特征是下曲柄（10）与阀板（8）右搭子孔铰接的销孔是纵向长槽孔，铰接销轴可沿槽孔滑动和转动。

5、根据权利要求4所述的新型蝶阀，其特征是纵向长槽孔的长方向是沿下曲柄（10）的纵向，当铰轴滑动时能改变下曲柄的实际作用长度。

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