CN100482986C - 三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种橡胶密封蝶阀，采用了组合式扁方圆头橡胶密封圈，橡胶密封圈的截面结构按自紧密封原理设计计算，阀体密封面采用了接触脱离性能最优越的三偏心斜截圆锥密封面，这种密封形式不但结构简单、密封性能可靠，而且完全达到了“双向密封”的性能要求，由于自紧密封结构的密封力小，蝶板上的介质作用力不直接作用在密封面上，所以密封面的摩擦力矩很小，橡胶密封圈的使用寿命提高2倍以上，由于橡胶密封圈截面尺寸小，可以节省大量橡胶材料，使生产成本和材料成本明显下降。

Description

三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀

技术领域

本发明涉及一种阀门，特别涉及的是橡胶密封蝶阀技术领域，确切的说是三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀。

背景技术

橡胶密封蝶阀依其结构简单制造工艺水平低，在目前一般工业常温低压管路中，特别在城镇供水管网建设中仍大量采用。目前橡胶密封蝶阀的密封结构主要有两种形式。一种是中轴对称型橡胶密封蝶阀，这种蝶阀主要依靠蝶板与橡胶阀座的过盈配合形成密封力，蝶板对橡胶阀座过盈压缩量的大小决定了密封比压的高低。一般这种蝶阀的过盈压缩量为1.4～2.2mm，所能够形成的比压在0.8～2Mpa之间。这种阀门在关闭状态时橡胶阀座处于过盈压缩变形之中，处于开启状态时，蝶板与橡胶阀座上下端的结合部位仍始终处于压缩变形之中。长期在这种压缩状态下橡胶材料极易老化而失去弹性，由此因橡胶材料老化而使必须密封比压升高到一定程度时阀门便开始泄漏。特别当阀门处于关闭状态时，橡胶阀座上下端结合部位容易渗漏点产生泄漏后，压力介质将渗漏到阀体与橡胶阀座之间的缝隙之中，而使橡胶阀座的出水端内圆鼓起而产生涨圈，这时蝶板被憋死而无法开启。所以这种阀门的密封可靠性和使用寿命是很有限的，它只适用于经常开关启闭且容易更换的部位。另外由于橡胶阀座截面尺寸大，耗用橡胶材料多，故生产成本高。

另外一种橡胶蝶阀是偏心式橡胶密封蝶阀，这种蝶阀的密封结构主要是为了克服中轴对称型蝶阀的橡胶阀座由于过盈压缩变形迅速老化失效的问题。这种产品的密封结构是将橡胶阀座偏离蝶板、阀杆和阀体中心，同时阀杆的回转中心也偏离阀体中心，从而形成双偏心结构。这样在阀门打开处于开启状态时蝶板外圆即完全脱离橡胶阀座，偏心橡胶阀座的密封面部位便处于无压缩的自由状态，解决了橡胶阀座由于压缩变形产生的老化失效问题。但是这两种密封副是完全不同的两种密封结构。中轴对称型蝶阀橡胶阀座过盈压缩量的多少取决于介质公称压力的高低，它与介质作用力的方向无关。所以中轴对称型橡胶密封蝶阀对介质的流动方向没有限制，即可以双向密封。而偏心式橡胶密封蝶阀却不同，它是依靠蝶板关闭后对偏心阀座产生的压紧力形成密封力。这个压紧力有两个力合成，一个是蝶板圆弧密封面中心和偏心阀座密封面中心对阀杆的中心在设计时是按过盈配合设计的，这样阀门关闭时，蝶板外圆密封面即紧压在阀座上，这就是关闭强制力。另一个就是介质作用力。两个力共同通过蝶板作用在偏心橡胶阀座上并形成一定的比压，这就是实际密封比压q。一般工业用密封阀门设计的基本原理是必须满足实际密封比压q大于必须密封比压q_MF，同时又小于密封材料的许用比压[q]，阀门才能可靠密封，它们的关系式是q_MF<q<[q]。但是当介质作用力的方向发生变化后，即管路中介质的流动方向相反时，这种偏心式橡胶蝶阀就会出现q<q_MF的情况，这时阀门就要泄漏。所以类似这种偏心结构的密封蝶阀都属于单方向密封阀门。

由于以上产品的密封机理均属于压力强制密封，所以阀门开关启闭时的力矩特别大，由于橡胶阀座的截面结构尺寸大，所以橡胶材料的用量就特别高，从而增加了生产成本，因此上述产品的密封性能及结构的合理性都有明显的缺陷和不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构更简单，密封性能更可靠，且完全可以双向密封，使用寿命特长、扭转力矩更小和生产成本更低的三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀。其技术和结构方案是这样实现的：包括阀体、阀杆、蝶板、压圈和橡胶密封圈等零部件在内的结构，橡胶密封圈由压圈固定安装在蝶板上，其特征在于：橡胶密封圈的截面结构是将其扁方圆头与蝶板和压圈之间的橡胶垫片组合为一体，形成扁方-圆头形状的组合式橡胶圈，

蝶阀关闭时橡胶圈扁方圆头截面外圆弧直径的自紧压缩量用代号Sq表示。由蝶板和压圈形成的沟槽宽度＝橡胶圈自由状态时扁方圆头截面外圆弧直径，并且密封面的两侧必须加工过渡圆弧，过渡圆弧尺寸≥自紧压缩量Sq，按Sq圆整为毫米整数确定。另外蝶板外圆与阀体密封面内孔的配合间隙为δ，其最小间隙δmin＝Sq/5，最大间隙δmax＝Sq/3。

实施该技术后的明显效果是：采用了扁方圆头形状的组合式橡胶圈，成功地实现了将自紧密封原理应用到蝶阀产品的设计上，从而使密封性能更可靠，并且完全可以双向密封。由于橡胶圈截面尺寸小，从而使价格昂贵的橡胶材料的消耗大幅度下降。由于自紧密封结构的密封面摩擦力矩比强制密封结构要小得多，所以选用的阀门驱动装置及相关零部件都要小得多，由于阀体密封面采用了接触脱离性能最优越的三偏心斜截圆锥密封面，以及经过严格计算合理确定橡胶圈自紧压缩量Sq和配合间隙δ，并且合理确定密封面过渡圆弧的大小，有效避免了橡胶圈发生“切边”和“挤隙”的现象，从而使橡胶圈的使用寿命提高了2倍，综合生产成本大幅度下降50％。

附图说明

图1为三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀的结构示意图。

图2为图1的俯视剖面图。

图3为橡胶圈截面结构图。

图4为介质作用力＝0时橡胶圈扁方圆头截面外圆弧R的压缩变形图。

图5为介质作用力的方向为正方向时橡胶圈扁方圆头截面外圆弧R的压缩变形图。

图6为介质作用力的方向为反方向时橡胶圈扁方圆头截面外圆弧R的压缩变形图；

其中，1-阀体、2-阀杆、3-蝶板、4-压圈、5-橡胶圈；

具体实施方式：

以下结合附图用阀门口径为300毫米的三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀(以下用代号DN300表示)为例，对本发明作进一步描述。

见图1、图2，三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀由阀体1、阀杆2、蝶板3、压圈4和橡胶圈5等零件组成，其中蝶板3通过阀杆2与阀体1装配在一起，蝶板3与阀杆2通过定位销形成一体。

见图1、图2，当阀杆2由驱动装置作90°回转时，蝶板亦同时回转实现阀门的开启与关闭(图2中的虚线图形为蝶板的开启状态)。橡胶圈5的扁方圆头部分被封闭在由压圈4和蝶板3形成的沟槽中，其沟槽宽度＝图3中橡胶圈扁方圆头截面外圆弧直径d，也就是橡胶圈扁方圆头截面外圆弧半径R的2倍，这里DN300蝶板和压圈形成的沟槽宽度＝5。也就是橡胶圈扁方圆头截面外圆弧直径d＝5。

见图4，当阀门管路中介质作用力P＝0时，橡胶圈5的扁方圆头截面外圆弧R被压缩变形，并由此形成予压缩密封力p₁，(p₁相当于传统阀门设计中的必须密封比压q_MF)，由计算公式：p₁＝E*f*ε_c(MPa)计算确定：

式中：p₁___予压缩密封力(MPa)。

E___密封材料的弹性模量，DN300采用硬度为邵尔A70度的丁晴橡胶，取4MPa。

f___与橡胶圈材料有关的系数，取1.27

ε_c___橡胶圈扁方圆头截面外圆弧直径d的压缩率

ε_c＝Sq/d

式中：Sq___橡胶圈扁方圆头截面外圆弧直径d的自紧压缩量(mm)

Sq＝0.1564d+0.1069(mm)

d___橡胶圈扁方圆头截面外圆弧直径(mm)

将DN300的有关数据代入以上公式：

p₁＝4×1.27×(0.1564×5+0.1069)/5(Mpa)

  ＝0.9032Mpa

由于橡胶是一种粘弹性材料，类似于高粘度流体，它可以将介质压力直接传递给阀体密封面，也就是图5、图6中指明的介质作用力通过橡胶圈5传递给阀体1的密封面，将该作用力设为p₂，当阀门管路中介质压力为公称压力PN时，即介质作用力p₂＝PN，这时橡胶圈5作用在阀体1密封面上的实际压应力为p₁与p₂之和，即q＝p₁+p₂，当DN300的公称压力PN＝1.6Mpa时，将DN300的有关数据代入以上公式求得DN300的q＝0.9032+1.6＝2.5032MPa，由于阀门行业通用的《阀门设计手册》规定的橡胶材料的许用压应力[q]＝5MPa，所以以上计算结果就形成0.9032MPa<2.5032Mpa<5Mpa的关系，也就是完全符合阀门设计的基本原理，即关系式q_MF<q<[q]的规定和要求，说明密封可靠。

图5、图6中阀体1密封面两侧的过渡圆弧r由橡胶圈5的自紧压缩量Sq＝0.1564d+0.1069公式求得，DN300的Sq＝0.1564×5+0.1069＝0.889，将此结果圆整为毫米整数等于1，所以DN300阀体密封面两侧的过渡圆弧r取1。

图5、图6中为保证橡胶圈不发生“挤隙”现象，蝶板3的外圆与阀体1的密封面内孔配合间隙是这样确定的，其最小间隙δmin＝Sq/5，最大间隙δmax＝Sq/3。将DN300的Sq值代入这两个公式得：δmin＝0.889/5＝0.178，δmax＝0.889/3＝0.296，然后将此结果与国家标准《公差配合》相比较，在间隙配合中比较接近H8/d8级的动配合，故蝶板3外圆与阀体1密封面内孔的配合级别为H8/d8。

由图5、图6可以看出橡胶圈5在蝶板3和压圈4的沟槽中始终处于自由状态，当介质作用力p2的方向发生改变时，橡胶圈5的压缩变形也就随之改变，所以可以可靠地实现双向自紧密封。

由图3可以看出本发明的橡胶圈的截面积很小，DN300的只有60mm²，而相同规格的中轴对称型橡胶蝶阀的橡胶阀座截面积却高达548mm²，偏心式橡胶蝶阀的橡胶阀座截面积也有160mm²，分别是本发明的橡胶圈的9.13倍和2.67倍，所以其材料成本明显下降。

从以上的描述，可以看出由于阀体密封面采用了接触脱离性能最优越的三偏心斜截圆锥密封面，以及合理确定蝶板外圆与阀体密封面内孔的配合间隙、合理的确定密封面各过渡圆弧的尺寸，完全避免了橡胶圈发生“挤隙”和“切边”的现象，确保了橡胶圈的使用寿命，经测试，样机的寿命试验，开关次数高达4万次，橡胶圈仍完好无损，取得了非常满意的效果。

Claims (4)

1.三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀，包括阀体、阀杆、蝶板、压圈和橡胶密封圈等零部件在内的结构，橡胶密封圈由压圈固定安装在蝶板上，其特征在于：其截面结构是将橡胶密封圈的扁方圆头与蝶板和压圈之间的橡胶垫片组合为一体，形成扁方-圆头的组合式橡胶密封圈，

蝶阀关闭时橡胶圈扁方圆头截面外圆弧直径d的自紧压缩量Sq按以下公式计算：

Sq＝0.1564d+0.1069(mm)

式中：Sq——橡胶圈扁方圆头截面外圆弧直径d的自紧压缩量(mm)

      d——橡胶圈扁方圆头的截面外圆弧直径(mm)；

2.根据权利要求1所述的三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀：其特征在于：橡胶密封圈的截面形状，由蝶板和压圈形成的沟槽宽度＝橡胶圈自由状态时扁方圆头的轴向厚度。

3.根据权利要求1所述的三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀：其特征在于：阀体密封面的两侧必须加工过渡圆弧，过渡圆弧尺寸≥自紧压缩量Sq，按Sq圆整为毫米整数确定。

4.根据权利要求1所述的三偏心双向自紧密封橡胶蝶阀：其特征在于：蝶板外圆与阀体密封面内孔的配合间隙δ，其最小间隙δ min＝Sq/5，最大间隙δ max＝Sq/3。

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