通過有限元軟件ANSYS Workbench 模擬分析了三偏心金屬密封蝶閥的密封原理，計算得出閥門主要密封面的密封比壓值及分布情況。給出了改進閥門密封性能的優化設計方法。

1、概述

　　三偏心蝶閥廣泛應用于工業生產中。該類閥門的最大特點就是改變了蝶閥的密封構造，不再是位置密封，而是扭矩密封。即不是依靠閥座的彈性變形，而是完全依靠閥座的接觸面壓力達到密封效果。解決了金屬閥座零泄漏的難題。因接觸面壓力與介質壓力成正比，解決了閥門耐高壓高溫的問題。本文主要對三偏心金屬密封蝶閥密封面的密封比壓進行計算分析。

2、三偏心金屬密封蝶閥的結構與密封原理

　　三偏心金屬密封蝶閥由閥體、蝶板、閥座、壓緊環和閥桿等部件組成(圖1) 。U 形閥座處于閥體與壓緊環之間，具有間隙G。閥座可以在徑向方向移動，并且允許適度偏轉。閥座與蝶板的過盈配合值為S。閥門關閉的過程中，蝶板斜度較大的一面先接觸閥座，閥座發生適度偏轉，形成兩個密封面，即閥座與蝶板之間的密封面，以及閥座與壓緊環之間的密封面(圖2) 。

　　閥門設計要求公稱直徑DN200，蝶板尺寸DN150，壓力等級ASME 600，閥體材料碳鋼，蝶板材料不銹鋼，閥座材料硬質合金，壓緊環材料不銹鋼，氣測密封要求ANSI/FCI 70- 2- 2006 Class VI，水測密封要求ANSI /FCI70- 2- 2006 Class V。

圖1 三偏心金屬密封蝶閥

　　閥門樣機泄漏測試數據(表1) 顯示，其無法滿足密封要求。利用有限元分析軟件ANSYS Workbench，對于密封面的密封比壓分布進行計算，尋找閥門泄漏的原因，改善設計。

圖2 密封結構

表1 樣品泄漏測試實驗數據

3、分析模型

　　分析模型為蝶板、U 形閥座以及壓緊環。蝶板與閥座過盈配合值S 為0.15 mm。蝶板與閥座之間和閥座與壓緊環之間為摩擦接觸，摩擦系數為0.1。由于閥門需要同時滿足ANSI /FCI70- 2- 2006Class VI 氣測和Class V 水測密封標準，而氣測壓力很小，只需要0.35MPa，水測壓力則要達到11.25MPa。因此，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為按氣測(工況一) 和水測(工況二) 兩種工況對模型進行計算。

　　工況一，固定壓緊環的外端面，對蝶板施加轉動位移。轉動的起始位置是蝶板斜度最大邊與閥座產生接觸。結束位置是蝶板底面與水平面平行的位置。蝶板繞軸心位置轉動2.13°。在蝶板轉到結束位置后，施加0.35MPa 的壓力于蝶板上，方向為推動蝶板靠近閥座方向。

　　工況二，在工況一基礎上，增大壓力值至11.25MPa。

4、分析及改進

　　通過分析可知，三偏心蝶閥的密封比壓分布是不連續的，最小值發生在與蝶板斜度最小區域接觸的位置。兩個密封面的密封比壓差異較大。閥座與蝶板之間的密封比壓大于允許最小密封比壓，滿足密封要求，但是過大的密封比壓易造成閥座的疲勞破壞，影響閥門使用壽命。另一個密封面存在于閥座與壓緊環之間，此處局部密封比壓小于允許最小密封比壓，閥門會在此處發生泄漏。

圖6 工況二，閥座與壓緊環的密封比壓分布

　　依據此計算結果分析，減小了蝶板與閥座過盈量G 和間隙值S。設計改善后，試驗結果(表5) 滿足目標要求。

表5 改進設計后，樣品測試數據ml/min

5、結語

　　在三偏心蝶閥設計中，通過采用有限元模擬分析方法查找到設計中的不足，代替了部分試驗，可以節省資源，縮短產品研發周期，提高閥門性能。