2024年6月10日发(作者：郎晨辰)
45
6
2021
6
/
液压与'动
Chinese
Hydraulice
&
Pneumatice
Vol.
45
No.
6
June.
2021
doi
：
10.
11832/j.
issn.
1000-4858.2021.06.026
三偏心蝶阀密封压力影响因素分析
杨恒虎一
2
,
郝娇山
1
，
2
,
王伟波学
，
廖
静一
2
(
1.
重庆川仪调节阀有限公司
，
重庆
401121
；
2
.重庆川仪自动化股份有限公司技术中心
调节阀研究所
，
重庆
400707
)
摘要
：
基于现有三偏心蝶阀多层次密封圈的不足以及全金属密封圈密封性能差
、
研究少的现状
，
运用
有限元分析软件
，
模拟分析了不同状态下密封圈的密封压力分布情况
，
得到了三偏心蝶阀密封性能与密封压
力影响因素的关系
，
并给出了相关设计建议
。
分析结果表明
，
三偏心蝶阀密封压力分布不均匀
，
阀轴附近存
在低密封压力过渡区
。
合理设计密封圈
，
可改善密封压力分布情况和增大过渡区密封压力值
,提高三
偏心蝶
阀密封性能
#
关键词
：
三偏心蝶阀
；
密封压力
；
影响因素
；
全金属密封圈
中图分类号:
TH137
:
TB42
文献标志码:
B
文章编号
：
1000-4858
(
2021
)
06-0178-05
Analysii
of
Sealing
Pressure
InOuencc
Factors
for
Three-fccentric
ButteWty
Valve
YANG
Heng-hu
1
,
2
,
HAO
Jiao-shan
1
，
2
,
WANG
Wei-bo
1
，
2
,
LIAO
Jing
1
，
2
(
1
.ChongqcngChuanRcConiaolValeeCo.
，
Lid.
，
Chongqcng
401121
；
lValeeReeeaach
Dneiciuie
，
TechnologRCenieaoeChongqcngChuanRcAuiomaicon
Co.
，
Lid.
，
Chongqcng
400707
)
Abstract
:
Based
on
the
sho/aga
of
multi-layee
sealing
/ngs
of
threa-pccentye
buttedy
velve
and
the
poo
sealing
peeormancc
and
insufficieni
studies
of
all-metal
sealingdngs
，
a
finiie
elemeni
analysis
software
is
used
O
s
simulaiy
and
analyze
the
distribution
of
sealing
pressure
of
sealing
/ngs
under
dmereni
ccnditions.
The
relationships
between
the
sealing
peWownancc
and
the
influencing
factoe
of
sealing
pressure
ara
obtained
，
and
the
design
suggestions
ara
given.
.
The
results
show
that
the
sealing
pessue
distribution
of
wipie
eccenwie
butwiy
velve
is
not
unifoen,
and
there
is
a
transition
reaion
of
low
sealing
pressure
near
the
velve
shaft.
The
reasonable
design
of
seal
/ngs
cen
improve
the
seal
pressure
distribution
and
enhance
the
seal
pressure
velua
of
transition
zona,
which
helps
to
niiprove
the
sealing
peWownancc
of
tywy-PCcentWe
butwWy
velve.
Key
引言
：
thwy-pccentWe
buttwiy
velve
,
sealing
pessue,
inluence
factoe,
ll-metal
sealing
eng
(
1
(密封圈各层之间的粘胶存在使用温度上限,
过高温度会致使粘胶失效
；
三偏心蝶阀是由中线蝶阀
、
双偏心蝶阀逐步演化
而来
［
1
］
，
通过独特的
3
个偏心
，
使得蝶阀由位置密封变
(
2
)
三偏心蝶阀开启后
，
流体介质直接冲刷密封
圈密封面
,
非金属密封面易受介质冲刷而失效
,
缩短了
为
扭
力密封⑵
，
极大地提高了蝶阀的密封性能
，
降低
了对执行器配置
，
兼具调节与截止双重作用
［
3
］
;
相较
于其他截止阀
，
具有口径大
、
流通能力强
、
价
格
低廉等
优点
［
4-5
］
，
广泛应用于石油化工
、
液化天然气
、
市政建
设
、
农业灌溉等行业
［
6
-
7
］
#
目前市场制造的三偏心蝶
三偏心蝶阀使用寿命
。
针对上述局限性
，
全金属密封
圈应运而生
，
主要有两种结构
:
多个金属圈粘接为
1
个
1
个
属
；
但
全
属
性能
阀密封圈多采用金属与非金属相间排列的多层次密封
收稿日期
：
2020P3-03
修回日期
：
2020P6-29
圈结构
，
各层密封圈之间通过粘胶粘接为一个整体
。
但多层次密封圈在使用过程中存在以下局限性
：
作者简介:杨恒虎
'
1990
*)
,
男
，
重庆忠县人
，
工程师
,
硕士,
主要
从事阀
门
结构的设计与
分
析工作
#
2021
年第
6
期
液压与'动
179
大大降低
，
不能达到相应的泄漏等级要求
。
目前众多学
"
对三偏心蝶
行了
研究
。
俞钧
!
8
推
了三偏心蝶
压力
公式
，
但
关
推导公式是基于
面
压力相同的假设而建立
，
且未计算蝶阀关闭时
"
,
执行器
的预紧扭矩对
'
压力的影响
；
董研
!
9
运
ANSYS
Workbench
模
分析
了三偏心蝶
压力
，
表明三偏心蝶
"
面接触
压力呈现不连续
；
杨恒虎
!
10
有限元软件对三
心蝶
质反向流时
，
多次
与全金属
'
压力进行了初步分析
,
并未深入研究
"
面密
压力的影响因素;徐~等
!
⑴
、
何
中等
!
12
均
有
限元分析软件对
3
个
心与
性能关
行了研究
分析
，
未对其他结构因
行分析
。
为全面探究三偏
心
蝶
性
的
响
因
，
运
有
限
分
软
ANSYS
Workbench
对不同
下的三偏心蝶阀密封圈
与阀座间的
压力进行模拟分析
，
对三偏心蝶阀的
结构设计与优化具有重要意义
。
1
模型建立
1.1
三维模型
以
VBJG
DN250
Class150
多层次三偏心蝶阀的三
维模型为基础
，
建立
分析所需的三维模型
，
其主要
的结构参数为轴向偏心
27
mm
，
径
心
4
mm
，
角偏
心
8
。
,
半锥角
15
。
。
为
高计算效率
，
对三维模型进行
建
，
对
次模拟分
响甚微的零部件
，
如
、
执行器
、
法兰盘
，
完
三维模型仅保留压
、
蝶板
、
、
轴
、
、
6
部分;为便于查看
其内部结构
，
三维半剖图
，
如图
1
所示
。
阀座
为
式阀座
，
与
二为一
；
通过压圈与螺
压
蝶板上
，
阀轴与蝶板 。
当蝶阀关
阀体
压圈
螺栓
阀轴
蝶板
介质流向
密封圈
SUS304
SUS304
a
）
三维装配模型
b）
多层次密封圈
c
）
单层密封圈
图
1
三偏心蝶阀简化
后
三维
半剖
图
时,执行器
扭矩通过阀轴与蝶板带动
按
图中所示
旋转
，
压
上的
面,
从而实
。
1.2
网格划分
格划分
计算效率
、
计算精度与
性;当网
格较大时
，
计算精度
、
性
，
求
度快;当
格较
时,则刚好相反
。
为平衡三者的关系,针对本次分析
模型为三维实体模型
，
各部
之间存在众多接触
，
因此
，
对
带中
点的高阶实
，
高
非线性求
性
。
为减
格数量
，
可对
机
【
面体为主的网格进行划分
。
当
结构为多层次
时
，
每
较薄
，
厚度为
1mm
,
为更好的模拟
理场
，
对
上接近
面小块区域划分为
2
层
格
。
对与
面
的阀座
面
，
进行
应细化
。
划分好的网格数量约为
35.8
万
，
节点数量
约为
57
万
，
如图
2
所示
。
a
）
整机网格
b
）
密封圈网格
图
2
三偏心蝶阀网格示意图
1.3
接触及边界条件设置
ANSYS
Workbench
对各部件接触面预设为绑定接
触关系
，
但有
部件之间为
定关系
，
需对不
实际情况的接触关
行
。
，
需
与
座
、
与压圈
、
与蝶板之间的接触
为
触
，
使之
实际情况。
对于
多层次结
构
，
之
的接触
表
1
工况进行设置
，
其
零部
触保持
的绑定即可
。
实际
中
，
三偏心蝶阀关闭时
，
同时承受阀杆
预紧扭矩和介质压力
作用
。
由于偏心作用
，
介质
压力的不平衡性
生
1
个使蝶板继续关闭的扭
矩
；
，作
于蝶板的介质压力
推
1
座
，
产生压作用
，
增大
压力
，
利于
；
因
，
不考虑介质压力对
压力影响
，
负载只需加载预
180
液压与'动
第
45
卷第
6
期
表
1
三偏心蝶阀不同状态下的密封圈参数
密封圈
工况
密封
密封圈
压圈厚
密封圈
型式
编号
材质
各层关
螺栓预
系
紧力
/
度
厚度/
/mm
mm
多层次
工况一
SUS304
与石墨
绑定
8022
8
8
工况二
SUS304
绑定
8022
8
8
多层次
工况三
SUS304
不分离
8022
8
8
工况四
SUS304
摩擦
8022
8
8
8022
8
8
12033
8
8
工况五
SUS304
无
160448
8
单层
22562
8
8
工况六
SUS304
无
16044
18
8
工况七
SUS304
无
8022
8
4
扭矩
1000
N
・
m
即可
#
如图
3
所示,边界条件设置
如下：
(
1
)
轴上截取一圆柱曲面
，
用于施加执行器
的
扭矩
；
(
2
)
在实际
中
，
三心蝶阀与管路通过
，
因
，
固定约束施加
面
，
避
蝶
机的刚性位移和固支约束引起的结构强度增加
；
(
3
)
上添加相应的
预紧力
，
使
压
板上
。
H:
Static
Time:
算个密封圜
Items:
Structural
2.
（
石墨
bond
）
■
|
Fixed
10
s
of
12
indicated
|Q|
~B~|
.
Bolt
Moment:
Pretension:
Support
l.e+006
Lock
E
pF~|
Bolt
Bolt
Pretension
Pretension
2:
N-mm
Lock
[
|~H]
G~|
Bolt
Pretension
3:
4:
Lock
Lock
|T~|
Bolt
Bolt
Bolt
Pretension
Pretension
Pretension
5:
6:
Lock
Lock
图
3
边界条件的设置
2
密封压力模拟分析结
三偏心蝶阀为扭矩旋
压式
结构
，
其
'
面为斜置圆锥的环面;关
时
，
需
个环面各处
均未发生泄漏
，
才能实
。
据研究
，
三
心蝶阀各
面间压力分布不均匀⑼
，
因
，
其
性能不
面上最大
压力为评判
，
需
环
上能否形
续完整压力环
压力环中的最低压力
为评判
。
为得
压力分布情况
，
对
表
1
所示
下的
压力进行有限元模拟分析
，
其结果如下
。
2.1
况一密封压力分析结果
一为目前三偏心蝶
应用的金属与
属
的多层次
，
其
粘胶粘接
为一体
，
故
定接触
，
预力为
8022
N
&预
扭矩为
1000
N
・
m
，
压
总厚度均为
8
mm
。
图
4
为工况一的
面上压力分布云图
。
其
压力存
下分布规律
：
(
1
)
均能形成一定
压力环面
；
(
2
)
压力分布不均匀
，
其中最大
密封压力为
66.7
MPa
，
压力为
0
；
(
3
)
属
压力分布在
18
MPa
左右
，
非
金属
压力分布在
1.5
MPa
左右
；
(
4
)
密圭寸圈大端与小端区域密圭寸压力分布规律恰
好相反;对于
大
域
，
压力主要集中在密
面
，
约为
18
MPa
；
对于
域
，
压
力主要分布
面前端
，
约为
35
MPa
，
但仅分布在
的
上
，
性能明显弱于大
域
；
(
5
(密圭寸圈大端与小端相反的密圭寸压力分布规
律
，
致
压力
轴附近形成过
，
其
压力
可达
17
MPa
#
因此
，
三心蝶阀多层次金属与
属组合
圈
，
在
1000
N
・
m
的关闭扭矩下
，
可形
17
MPa
密封
压力环面
。
图
4
工况一密封压力分布云图
2.2
全金属
多
层次密封
压
力分析结果
二
、
三
、
四
的结构型式仍为多层次结
构,但其材质均为
SUS304
，
探索
质
触关系对三偏心蝶
压力的影响
。
其中
，
二的
触关
为
定
，
即
间用粘胶粘接为
，
之不存
对滑移;工况
三的
的接触关系为不分离
，
允许
：
封
圈之
径向上具有
移性
，
但
轴向上
2021
年第
6
期
液压与'动
181
不会发生分离
；
四的
的接触关系为
,
许
轴
径向均可发生分离
。
图
5a
为
二下的三偏心蝶
压力分布云
图
，
其
压力分布特点为:对于
面大
域
，密
压力主要集中
，
面
域
，
压力
主要集中在前端且
压力
轴处形成压力为
3.6
MPa
的过
，
因
二所
仅能形成
3.6
MPa
的
压力环面
。
对图
4
可知
，
多次全
属
降低了
的
压力分布均匀性和密
压力过
的压力值,降低了
性能
。
图
5b
、
图
5e
分别为
三
、
四下的三偏心蝶
压力分布云图
，
两种
的
压力分布规律基本
同
，
压力分布均匀
，
整个
形成
7.8
MPa
的
压力环面
，
因
，
多
次
轴向上的
移性
，
对三偏心蝶
压力的影响较才
、
。
对
图
4
和图
5a
可知
，
多次
径向上的
移性
，
能有效改善
压力分布均匀性
，
提高
压
力过 的压力值,极大地提高三偏心蝶
的
性能
。
1:
勢个密封圈
（
全金
IBboncl
）
F
：
算个虧封團
（
全金屈
no
spearation
）
a
）
工况二
G
：
勢个虜封園
（
全金屈
friction^
）
b
）
工况三
C
）
工况四
图
5
全金属多层
次密封压力分布云图
2.3
全金属单层次密封压力分析结果
工况五分析了
4.
8
级、
6.
8
级
、
8.
8
级
、
10.
9
级标
准螺纹
预紧力即
8022
，
12033
，
16044
，
22562
N
下
，
压力分布情况
。
通过对比发现
，
不
同
预紧力下的
压力分布规律基本相同
，
限于
，
仅给出了
8.8
级
预紧力下
压力分
布云图
，
如图
6a
所示
。
对
图
5a
可知
，
其
压力分
布规律与
二保持一致
，
仅
压力
上
存在微
，
因
，
当多层次全金属
之间
为绑定关系时
，
可等效为
属
。
通过软件
取
4
种
预紧力下
，
的
压力可知
，
最大
压力分别为
44.4
，
50.6
，
44.0
，
42.0
MPa
，
而过渡
的
压力分别为
3.9
，
3.6
，
3.1
，
3.0
MPa
。因
，
三偏心蝶阀的
性能随
预紧力的增大而降低,
下降幅度较小
。
结图
5c
可知
，
属
的密
压力分布均匀性和过
压力值远弱于多层次
全金属
。
L
：
整个逼封圜
（
全金届螺栓预紧
16044
）
图
6b
为
下
，
三偏心蝶阀密封压力分布云
图
。
由图可知
，
当压圈加厚
10
mm
后
，
密
域的
压力分布由
面前端移
，
其中密封
面大端区域的
压力为
15.8
MPa
左右
，
面小端
域的
压力为
12.
1
MPa
左右
，
薄弱的
压力
约为
10
MPa
。
结合图
6a
可知
，
压
加厚
了
压
力分布规律
，
使得
面无明显的
压力过
且极
大提高了阀轴附近的密封压力值
，
提高了密封性能
。
图
6e
为工况七下
，
三偏心蝶阀密圭寸压力分布云
图
。
其
大
域的
压力为
50
MPa
左右
、
密封
域的
压力为
46
MPa
左右,可形成
6
MPa
的
压力环
。
结合图
6a
可知
，
，
压力的
182
液压与'动
第
45
)第
6
期
析
！
J
]
.流体机械
,
2017
,
45
(
1
)
：
48
-54.
YANG
Yan
,
YANG
Henghu
,
YANG
Changhuc
,
eial.
Descgn and
Analyscsofa
New
Esseniacs
Bu
i
eafly
Valve
整体分布规律与工况五保持一致
,
可提高了过渡区密封
压力值
，
利于密封
，
但对过渡区密封压力改善不明显
#
3
结论
通过对
7
个工况下
,
三偏心蝶阀密封压力的模拟
分析
，
得到了各工况密封圈上密封压力的分布规律以
[
J
]
.
Fluid
Machinery
,
2017
,
45
(
1
)
：
48
-54.
[
6
]
王海民
，
孔祥帅
，
刘欢•三偏心蝶阀振动特性分析
[
J
]
•振
动与
,
2018
,
37
(
5
)
：
202
-206
,
212.
WANG
Hlmin
,
KONG
Xiangshuai
,
LIA
Huan.
Vibration
ChaaasieacsicssAnalyscsfoaaTac-esseniacsBu
i
eaflyValve
及过渡区密封压力值
,
通过分析可得如下结论
:
(
1
)
三偏心
蝶
阀密封压力影响因素
，
除了结构参
数外,还包括密封圈的型式
、
螺栓预紧力
、
压板厚度
、
密
封圈厚度等
，
在设计时
,
应依据各因素对密封压力的影
响规律
，
选用合适结构及尺寸
，
提高密封性
；
(
2
)
三偏心蝶阀密封压力分布不均匀
，
以阀轴为中
心
，
两端的密封压力分布规律相反
，
在阀轴附近形成低
[
J
]
.JouanalofVcbaaicon
and
Shosk
,
2018
,
37
(
5
)
：
202
-
206
,
212.
[
7
]
杨志贤，
于娜
，
毛卫平
，
等.中心型蝶阀流场的数值模拟与
流动特性分析
[
J
]
.液压与气动
,
2016
,(
1
)
：
95
-99.
YANG
Zhixian
,
YU
Na
,
MAO
Weiping
,
et
al.
Numerical
Scmulaicon
and
Flow
Chaaasieacsicss
Analyscs
ofCeniea
压力过渡区,其为影响三偏心蝶阀密封性的关键区域
；
ButterVy
Valve
Flow
FielC
[
J
]
.
Chinese
Hydraulics
&
(
3
)
通过对比分析结果可知
，
三偏心蝶阀采用多
Pneumatics,
2016,
(
1)
：
95
-
99.
层次密圭寸圈
、
增大压圈厚度可改善密圭寸压力分布均匀
[
8
]
俞钧.三偏心蝶阀的结构优化分析
[
D
]
.兰州
：
兰州理工
性
，
提高过渡区密封压力值
，
是实现全金属密封圈的一
条有效
途
径
。
参考文献
：
大学
,
2009.
YU
Jun.
The
Optimal
Analysis
on
Structure
of
Triple
Eccentric
ButterVy
Valve
[
D]
.
Lanzhou
:
Lanzhou
University
of
Technology
,
2009.
[
1
]
王建新，
张逸芳.电液动调节蝶阀的设计
[
J
]
.流体机械
，
2014
,
42
(
3
)
：
48
-52.
WANG
Jianxin
,
ZHANG
Yifang.
Design
of
Electric-
hydaaulcsConiaolBu
i
ealyValve
[
J
]
.
Flucd
Mashcneay
,
[
9
]
董研•三偏心蝶阀密封比压分析与研究[
J
].
阀门
,
2015
,
(
5
)
：
30
-31
,
37.
DONG
Yan.
Sealing
Pressure
Analysis
and
Study
of
Triple
Eccentric
ButterVy
Valve
[
J
]
.
Valve
,
2015
,
(
5
)
:
30
-
31
,
37.
2014
,
42
(
3
):
48
-52.
[
2
]
李斌•三偏心金属密封蝶阀的结构特
征
及安全性分析
[
J
]
.中国仪器仪表
,
2012
,(
7
)
：
68
-72,
hancsalFeaiuaesand
SafeiyofiheThaee
TacpleO
fseiMeia
l
cs
SealBu
i
eafly
Valve
[
J
]
.
Chcna
[
10
]
杨恒虎.新偏心蝶阀结构设计及参数优化
[
D
].重庆:重
庆理工大学
,
2016.
YANG
Henghu.
Structural
Design
and
Parameter
Optimiza
Insiaumeniaicon
,
2012
,(
?
)
：
68
-?2.
tion
of
a
New
Eccentric
ButterVy
Valve
[
D
]
.
Chongqing
:
Chongqing
University
of
Technology
,
2016.
[
3
]
曹静,原佳阳，
徐亮.某型伺服引气阀蝶阀压力损失分析
[
J
]
.液压与气动
,
2019
,(
11
)
：
27-31,
CAO
Jcng
,
YUAN
Jcayang
,
XU
Lcang.
PaesuaeLo
s
of
[
11
]
徐~
，
王渭•三偏心蝶阀密封接触问题的有限元分析
[
J
]
.
与
,
2006
,(
6
)
：
56
-60.
XU
Yan
,
WANG
Wei.
Sealing-contact
Analysis
on
Tri
eccentric
ButterVy
Valve
by
Finite
Element
Method
[
J
].
Lubrication
Engineering
,
2006
,(
6
)
：
56
-
60.
Bu
i
eaflyValvecn
aSeavoAcaIniakeValve
[
J
]
.Chcnese
Hydraulics
&
Pneumatics
,
2019
,
(
11
)
：
27
-31.
[
4
]
刘惺
，
何
庆中,赵献丹
，
等.大口径三偏心蝶阀关闭过程内
部流场动态仿真!
J
]
.流体机械
,
2019
,
47
(
10
)
：
42
-46.
LIA
,
HE
Qingzhong
,
ZHAO
Xiandan
,
et
al.
Dynamic
Scmulaicon
ofInieanalFlowFceld
cn
CloscngPaosessofLaage
[
12
]
何庆中
，王渝皓，
王佳
，
等•基于
Abaqus
的三偏心水电主
控蝶阀密封性研究
[
J].
水力发电
,
2016
,
42
(
5
):
90-94.
HE
Qcngyhong
,
WANG
Yuhao
,
WANG
Jca
,
ei
al.
Research
of
Hydropower
Master
Triple
Eccentric
ButterVy
ValeeSealcngBased
on
Abaqus
[
J
]
.WaieaPowea
,
2016
,
DcameieaTac-esseniacs
Bu
i
eafly
Valve
[
J
]
.
Flucd
Mas-
hinery
,
2019
,
47
(
10
)
：
42
-46.
[
5
]
杨岩
，
杨恒虎,杨长辉
，
等.一种新型偏心蝶阀的设计与分
引用本文
：
42
(
5
)
：
90
-94.
杨恒虎
，
郝娇山,王伟波
，
等.三偏心蝶阀密封压力影响因素分析
[
J
]
.液压与气动
,
2021
,
45
(
6
)
：
178
-182,
YANG
Henghu
,
HAO
Jiaoshan
,
WANG
,
et
al.
Analysis
of
Sealing
Pressure
Influence
Factors
for
Three-cccenwic
ButterVy
Valve
[
J
]
.
Chinese
Hydraulics
&
Pneumatics
,
2021
,
45
(
6
)
:
178
-
182.
2024年6月10日发(作者：郎晨辰)
45
6
2021
6
/
液压与'动
Chinese
Hydraulice
&
Pneumatice
Vol.
45
No.
6
June.
2021
doi
：
10.
11832/j.
issn.
1000-4858.2021.06.026
三偏心蝶阀密封压力影响因素分析
杨恒虎一
2
,
郝娇山
1
，
2
,
王伟波学
，
廖
静一
2
(
1.
重庆川仪调节阀有限公司
，
重庆
401121
；
2
.重庆川仪自动化股份有限公司技术中心
调节阀研究所
，
重庆
400707
)
摘要
：
基于现有三偏心蝶阀多层次密封圈的不足以及全金属密封圈密封性能差
、
研究少的现状
，
运用
有限元分析软件
，
模拟分析了不同状态下密封圈的密封压力分布情况
，
得到了三偏心蝶阀密封性能与密封压
力影响因素的关系
，
并给出了相关设计建议
。
分析结果表明
，
三偏心蝶阀密封压力分布不均匀
，
阀轴附近存
在低密封压力过渡区
。
合理设计密封圈
，
可改善密封压力分布情况和增大过渡区密封压力值
,提高三
偏心蝶
阀密封性能
#
关键词
：
三偏心蝶阀
；
密封压力
；
影响因素
；
全金属密封圈
中图分类号:
TH137
:
TB42
文献标志码:
B
文章编号
：
1000-4858
(
2021
)
06-0178-05
Analysii
of
Sealing
Pressure
InOuencc
Factors
for
Three-fccentric
ButteWty
Valve
YANG
Heng-hu
1
,
2
,
HAO
Jiao-shan
1
，
2
,
WANG
Wei-bo
1
，
2
,
LIAO
Jing
1
，
2
(
1
.ChongqcngChuanRcConiaolValeeCo.
，
Lid.
，
Chongqcng
401121
；
lValeeReeeaach
Dneiciuie
，
TechnologRCenieaoeChongqcngChuanRcAuiomaicon
Co.
，
Lid.
，
Chongqcng
400707
)
Abstract
:
Based
on
the
sho/aga
of
multi-layee
sealing
/ngs
of
threa-pccentye
buttedy
velve
and
the
poo
sealing
peeormancc
and
insufficieni
studies
of
all-metal
sealingdngs
，
a
finiie
elemeni
analysis
software
is
used
O
s
simulaiy
and
analyze
the
distribution
of
sealing
pressure
of
sealing
/ngs
under
dmereni
ccnditions.
The
relationships
between
the
sealing
peWownancc
and
the
influencing
factoe
of
sealing
pressure
ara
obtained
，
and
the
design
suggestions
ara
given.
.
The
results
show
that
the
sealing
pessue
distribution
of
wipie
eccenwie
butwiy
velve
is
not
unifoen,
and
there
is
a
transition
reaion
of
low
sealing
pressure
near
the
velve
shaft.
The
reasonable
design
of
seal
/ngs
cen
improve
the
seal
pressure
distribution
and
enhance
the
seal
pressure
velua
of
transition
zona,
which
helps
to
niiprove
the
sealing
peWownancc
of
tywy-PCcentWe
butwWy
velve.
Key
引言
：
thwy-pccentWe
buttwiy
velve
,
sealing
pessue,
inluence
factoe,
ll-metal
sealing
eng
(
1
(密封圈各层之间的粘胶存在使用温度上限,
过高温度会致使粘胶失效
；
三偏心蝶阀是由中线蝶阀
、
双偏心蝶阀逐步演化
而来
［
1
］
，
通过独特的
3
个偏心
，
使得蝶阀由位置密封变
(
2
)
三偏心蝶阀开启后
，
流体介质直接冲刷密封
圈密封面
,
非金属密封面易受介质冲刷而失效
,
缩短了
为
扭
力密封⑵
，
极大地提高了蝶阀的密封性能
，
降低
了对执行器配置
，
兼具调节与截止双重作用
［
3
］
;
相较
于其他截止阀
，
具有口径大
、
流通能力强
、
价
格
低廉等
优点
［
4-5
］
，
广泛应用于石油化工
、
液化天然气
、
市政建
设
、
农业灌溉等行业
［
6
-
7
］
#
目前市场制造的三偏心蝶
三偏心蝶阀使用寿命
。
针对上述局限性
，
全金属密封
圈应运而生
，
主要有两种结构
:
多个金属圈粘接为
1
个
1
个
属
；
但
全
属
性能
阀密封圈多采用金属与非金属相间排列的多层次密封
收稿日期
：
2020P3-03
修回日期
：
2020P6-29
圈结构
，
各层密封圈之间通过粘胶粘接为一个整体
。
但多层次密封圈在使用过程中存在以下局限性
：
作者简介:杨恒虎
'
1990
*)
,
男
，
重庆忠县人
，
工程师
,
硕士,
主要
从事阀
门
结构的设计与
分
析工作
#
2021
年第
6
期
液压与'动
179
大大降低
，
不能达到相应的泄漏等级要求
。
目前众多学
"
对三偏心蝶
行了
研究
。
俞钧
!
8
推
了三偏心蝶
压力
公式
，
但
关
推导公式是基于
面
压力相同的假设而建立
，
且未计算蝶阀关闭时
"
,
执行器
的预紧扭矩对
'
压力的影响
；
董研
!
9
运
ANSYS
Workbench
模
分析
了三偏心蝶
压力
，
表明三偏心蝶
"
面接触
压力呈现不连续
；
杨恒虎
!
10
有限元软件对三
心蝶
质反向流时
，
多次
与全金属
'
压力进行了初步分析
,
并未深入研究
"
面密
压力的影响因素;徐~等
!
⑴
、
何
中等
!
12
均
有
限元分析软件对
3
个
心与
性能关
行了研究
分析
，
未对其他结构因
行分析
。
为全面探究三偏
心
蝶
性
的
响
因
，
运
有
限
分
软
ANSYS
Workbench
对不同
下的三偏心蝶阀密封圈
与阀座间的
压力进行模拟分析
，
对三偏心蝶阀的
结构设计与优化具有重要意义
。
1
模型建立
1.1
三维模型
以
VBJG
DN250
Class150
多层次三偏心蝶阀的三
维模型为基础
，
建立
分析所需的三维模型
，
其主要
的结构参数为轴向偏心
27
mm
，
径
心
4
mm
，
角偏
心
8
。
,
半锥角
15
。
。
为
高计算效率
，
对三维模型进行
建
，
对
次模拟分
响甚微的零部件
，
如
、
执行器
、
法兰盘
，
完
三维模型仅保留压
、
蝶板
、
、
轴
、
、
6
部分;为便于查看
其内部结构
，
三维半剖图
，
如图
1
所示
。
阀座
为
式阀座
，
与
二为一
；
通过压圈与螺
压
蝶板上
，
阀轴与蝶板 。
当蝶阀关
阀体
压圈
螺栓
阀轴
蝶板
介质流向
密封圈
SUS304
SUS304
a
）
三维装配模型
b）
多层次密封圈
c
）
单层密封圈
图
1
三偏心蝶阀简化
后
三维
半剖
图
时,执行器
扭矩通过阀轴与蝶板带动
按
图中所示
旋转
，
压
上的
面,
从而实
。
1.2
网格划分
格划分
计算效率
、
计算精度与
性;当网
格较大时
，
计算精度
、
性
，
求
度快;当
格较
时,则刚好相反
。
为平衡三者的关系,针对本次分析
模型为三维实体模型
，
各部
之间存在众多接触
，
因此
，
对
带中
点的高阶实
，
高
非线性求
性
。
为减
格数量
，
可对
机
【
面体为主的网格进行划分
。
当
结构为多层次
时
，
每
较薄
，
厚度为
1mm
,
为更好的模拟
理场
，
对
上接近
面小块区域划分为
2
层
格
。
对与
面
的阀座
面
，
进行
应细化
。
划分好的网格数量约为
35.8
万
，
节点数量
约为
57
万
，
如图
2
所示
。
a
）
整机网格
b
）
密封圈网格
图
2
三偏心蝶阀网格示意图
1.3
接触及边界条件设置
ANSYS
Workbench
对各部件接触面预设为绑定接
触关系
，
但有
部件之间为
定关系
，
需对不
实际情况的接触关
行
。
，
需
与
座
、
与压圈
、
与蝶板之间的接触
为
触
，
使之
实际情况。
对于
多层次结
构
，
之
的接触
表
1
工况进行设置
，
其
零部
触保持
的绑定即可
。
实际
中
，
三偏心蝶阀关闭时
，
同时承受阀杆
预紧扭矩和介质压力
作用
。
由于偏心作用
，
介质
压力的不平衡性
生
1
个使蝶板继续关闭的扭
矩
；
，作
于蝶板的介质压力
推
1
座
，
产生压作用
，
增大
压力
，
利于
；
因
，
不考虑介质压力对
压力影响
，
负载只需加载预
180
液压与'动
第
45
卷第
6
期
表
1
三偏心蝶阀不同状态下的密封圈参数
密封圈
工况
密封
密封圈
压圈厚
密封圈
型式
编号
材质
各层关
螺栓预
系
紧力
/
度
厚度/
/mm
mm
多层次
工况一
SUS304
与石墨
绑定
8022
8
8
工况二
SUS304
绑定
8022
8
8
多层次
工况三
SUS304
不分离
8022
8
8
工况四
SUS304
摩擦
8022
8
8
8022
8
8
12033
8
8
工况五
SUS304
无
160448
8
单层
22562
8
8
工况六
SUS304
无
16044
18
8
工况七
SUS304
无
8022
8
4
扭矩
1000
N
・
m
即可
#
如图
3
所示,边界条件设置
如下：
(
1
)
轴上截取一圆柱曲面
，
用于施加执行器
的
扭矩
；
(
2
)
在实际
中
，
三心蝶阀与管路通过
，
因
，
固定约束施加
面
，
避
蝶
机的刚性位移和固支约束引起的结构强度增加
；
(
3
)
上添加相应的
预紧力
，
使
压
板上
。
H:
Static
Time:
算个密封圜
Items:
Structural
2.
（
石墨
bond
）
■
|
Fixed
10
s
of
12
indicated
|Q|
~B~|
.
Bolt
Moment:
Pretension:
Support
l.e+006
Lock
E
pF~|
Bolt
Bolt
Pretension
Pretension
2:
N-mm
Lock
[
|~H]
G~|
Bolt
Pretension
3:
4:
Lock
Lock
|T~|
Bolt
Bolt
Bolt
Pretension
Pretension
Pretension
5:
6:
Lock
Lock
图
3
边界条件的设置
2
密封压力模拟分析结
三偏心蝶阀为扭矩旋
压式
结构
，
其
'
面为斜置圆锥的环面;关
时
，
需
个环面各处
均未发生泄漏
，
才能实
。
据研究
，
三
心蝶阀各
面间压力分布不均匀⑼
，
因
，
其
性能不
面上最大
压力为评判
，
需
环
上能否形
续完整压力环
压力环中的最低压力
为评判
。
为得
压力分布情况
，
对
表
1
所示
下的
压力进行有限元模拟分析
，
其结果如下
。
2.1
况一密封压力分析结果
一为目前三偏心蝶
应用的金属与
属
的多层次
，
其
粘胶粘接
为一体
，
故
定接触
，
预力为
8022
N
&预
扭矩为
1000
N
・
m
，
压
总厚度均为
8
mm
。
图
4
为工况一的
面上压力分布云图
。
其
压力存
下分布规律
：
(
1
)
均能形成一定
压力环面
；
(
2
)
压力分布不均匀
，
其中最大
密封压力为
66.7
MPa
，
压力为
0
；
(
3
)
属
压力分布在
18
MPa
左右
，
非
金属
压力分布在
1.5
MPa
左右
；
(
4
)
密圭寸圈大端与小端区域密圭寸压力分布规律恰
好相反;对于
大
域
，
压力主要集中在密
面
，
约为
18
MPa
；
对于
域
，
压
力主要分布
面前端
，
约为
35
MPa
，
但仅分布在
的
上
，
性能明显弱于大
域
；
(
5
(密圭寸圈大端与小端相反的密圭寸压力分布规
律
，
致
压力
轴附近形成过
，
其
压力
可达
17
MPa
#
因此
，
三心蝶阀多层次金属与
属组合
圈
，
在
1000
N
・
m
的关闭扭矩下
，
可形
17
MPa
密封
压力环面
。
图
4
工况一密封压力分布云图
2.2
全金属
多
层次密封
压
力分析结果
二
、
三
、
四
的结构型式仍为多层次结
构,但其材质均为
SUS304
，
探索
质
触关系对三偏心蝶
压力的影响
。
其中
，
二的
触关
为
定
，
即
间用粘胶粘接为
，
之不存
对滑移;工况
三的
的接触关系为不分离
，
允许
：
封
圈之
径向上具有
移性
，
但
轴向上
2021
年第
6
期
液压与'动
181
不会发生分离
；
四的
的接触关系为
,
许
轴
径向均可发生分离
。
图
5a
为
二下的三偏心蝶
压力分布云
图
，
其
压力分布特点为:对于
面大
域
，密
压力主要集中
，
面
域
，
压力
主要集中在前端且
压力
轴处形成压力为
3.6
MPa
的过
，
因
二所
仅能形成
3.6
MPa
的
压力环面
。
对图
4
可知
，
多次全
属
降低了
的
压力分布均匀性和密
压力过
的压力值,降低了
性能
。
图
5b
、
图
5e
分别为
三
、
四下的三偏心蝶
压力分布云图
，
两种
的
压力分布规律基本
同
，
压力分布均匀
，
整个
形成
7.8
MPa
的
压力环面
，
因
，
多
次
轴向上的
移性
，
对三偏心蝶
压力的影响较才
、
。
对
图
4
和图
5a
可知
，
多次
径向上的
移性
，
能有效改善
压力分布均匀性
，
提高
压
力过 的压力值,极大地提高三偏心蝶
的
性能
。
1:
勢个密封圈
（
全金
IBboncl
）
F
：
算个虧封團
（
全金屈
no
spearation
）
a
）
工况二
G
：
勢个虜封園
（
全金屈
friction^
）
b
）
工况三
C
）
工况四
图
5
全金属多层
次密封压力分布云图
2.3
全金属单层次密封压力分析结果
工况五分析了
4.
8
级、
6.
8
级
、
8.
8
级
、
10.
9
级标
准螺纹
预紧力即
8022
，
12033
，
16044
，
22562
N
下
，
压力分布情况
。
通过对比发现
，
不
同
预紧力下的
压力分布规律基本相同
，
限于
，
仅给出了
8.8
级
预紧力下
压力分
布云图
，
如图
6a
所示
。
对
图
5a
可知
，
其
压力分
布规律与
二保持一致
，
仅
压力
上
存在微
，
因
，
当多层次全金属
之间
为绑定关系时
，
可等效为
属
。
通过软件
取
4
种
预紧力下
，
的
压力可知
，
最大
压力分别为
44.4
，
50.6
，
44.0
，
42.0
MPa
，
而过渡
的
压力分别为
3.9
，
3.6
，
3.1
，
3.0
MPa
。因
，
三偏心蝶阀的
性能随
预紧力的增大而降低,
下降幅度较小
。
结图
5c
可知
，
属
的密
压力分布均匀性和过
压力值远弱于多层次
全金属
。
L
：
整个逼封圜
（
全金届螺栓预紧
16044
）
图
6b
为
下
，
三偏心蝶阀密封压力分布云
图
。
由图可知
，
当压圈加厚
10
mm
后
，
密
域的
压力分布由
面前端移
，
其中密封
面大端区域的
压力为
15.8
MPa
左右
，
面小端
域的
压力为
12.
1
MPa
左右
，
薄弱的
压力
约为
10
MPa
。
结合图
6a
可知
，
压
加厚
了
压
力分布规律
，
使得
面无明显的
压力过
且极
大提高了阀轴附近的密封压力值
，
提高了密封性能
。
图
6e
为工况七下
，
三偏心蝶阀密圭寸压力分布云
图
。
其
大
域的
压力为
50
MPa
左右
、
密封
域的
压力为
46
MPa
左右,可形成
6
MPa
的
压力环
。
结合图
6a
可知
，
，
压力的
182
液压与'动
第
45
)第
6
期
析
！
J
]
.流体机械
,
2017
,
45
(
1
)
：
48
-54.
YANG
Yan
,
YANG
Henghu
,
YANG
Changhuc
,
eial.
Descgn and
Analyscsofa
New
Esseniacs
Bu
i
eafly
Valve
整体分布规律与工况五保持一致
,
可提高了过渡区密封
压力值
，
利于密封
，
但对过渡区密封压力改善不明显
#
3
结论
通过对
7
个工况下
,
三偏心蝶阀密封压力的模拟
分析
，
得到了各工况密封圈上密封压力的分布规律以
[
J
]
.
Fluid
Machinery
,
2017
,
45
(
1
)
：
48
-54.
[
6
]
王海民
，
孔祥帅
，
刘欢•三偏心蝶阀振动特性分析
[
J
]
•振
动与
,
2018
,
37
(
5
)
：
202
-206
,
212.
WANG
Hlmin
,
KONG
Xiangshuai
,
LIA
Huan.
Vibration
ChaaasieacsicssAnalyscsfoaaTac-esseniacsBu
i
eaflyValve
及过渡区密封压力值
,
通过分析可得如下结论
:
(
1
)
三偏心
蝶
阀密封压力影响因素
，
除了结构参
数外,还包括密封圈的型式
、
螺栓预紧力
、
压板厚度
、
密
封圈厚度等
，
在设计时
,
应依据各因素对密封压力的影
响规律
，
选用合适结构及尺寸
，
提高密封性
；
(
2
)
三偏心蝶阀密封压力分布不均匀
，
以阀轴为中
心
，
两端的密封压力分布规律相反
，
在阀轴附近形成低
[
J
]
.JouanalofVcbaaicon
and
Shosk
,
2018
,
37
(
5
)
：
202
-
206
,
212.
[
7
]
杨志贤，
于娜
，
毛卫平
，
等.中心型蝶阀流场的数值模拟与
流动特性分析
[
J
]
.液压与气动
,
2016
,(
1
)
：
95
-99.
YANG
Zhixian
,
YU
Na
,
MAO
Weiping
,
et
al.
Numerical
Scmulaicon
and
Flow
Chaaasieacsicss
Analyscs
ofCeniea
压力过渡区,其为影响三偏心蝶阀密封性的关键区域
；
ButterVy
Valve
Flow
FielC
[
J
]
.
Chinese
Hydraulics
&
(
3
)
通过对比分析结果可知
，
三偏心蝶阀采用多
Pneumatics,
2016,
(
1)
：
95
-
99.
层次密圭寸圈
、
增大压圈厚度可改善密圭寸压力分布均匀
[
8
]
俞钧.三偏心蝶阀的结构优化分析
[
D
]
.兰州
：
兰州理工
性
，
提高过渡区密封压力值
，
是实现全金属密封圈的一
条有效
途
径
。
参考文献
：
大学
,
2009.
YU
Jun.
The
Optimal
Analysis
on
Structure
of
Triple
Eccentric
ButterVy
Valve
[
D]
.
Lanzhou
:
Lanzhou
University
of
Technology
,
2009.
[
1
]
王建新，
张逸芳.电液动调节蝶阀的设计
[
J
]
.流体机械
，
2014
,
42
(
3
)
：
48
-52.
WANG
Jianxin
,
ZHANG
Yifang.
Design
of
Electric-
hydaaulcsConiaolBu
i
ealyValve
[
J
]
.
Flucd
Mashcneay
,
[
9
]
董研•三偏心蝶阀密封比压分析与研究[
J
].
阀门
,
2015
,
(
5
)
：
30
-31
,
37.
DONG
Yan.
Sealing
Pressure
Analysis
and
Study
of
Triple
Eccentric
ButterVy
Valve
[
J
]
.
Valve
,
2015
,
(
5
)
:
30
-
31
,
37.
2014
,
42
(
3
):
48
-52.
[
2
]
李斌•三偏心金属密封蝶阀的结构特
征
及安全性分析
[
J
]
.中国仪器仪表
,
2012
,(
7
)
：
68
-72,
hancsalFeaiuaesand
SafeiyofiheThaee
TacpleO
fseiMeia
l
cs
SealBu
i
eafly
Valve
[
J
]
.
Chcna
[
10
]
杨恒虎.新偏心蝶阀结构设计及参数优化
[
D
].重庆:重
庆理工大学
,
2016.
YANG
Henghu.
Structural
Design
and
Parameter
Optimiza
Insiaumeniaicon
,
2012
,(
?
)
：
68
-?2.
tion
of
a
New
Eccentric
ButterVy
Valve
[
D
]
.
Chongqing
:
Chongqing
University
of
Technology
,
2016.
[
3
]
曹静,原佳阳，
徐亮.某型伺服引气阀蝶阀压力损失分析
[
J
]
.液压与气动
,
2019
,(
11
)
：
27-31,
CAO
Jcng
,
YUAN
Jcayang
,
XU
Lcang.
PaesuaeLo
s
of
[
11
]
徐~
，
王渭•三偏心蝶阀密封接触问题的有限元分析
[
J
]
.
与
,
2006
,(
6
)
：
56
-60.
XU
Yan
,
WANG
Wei.
Sealing-contact
Analysis
on
Tri
eccentric
ButterVy
Valve
by
Finite
Element
Method
[
J
].
Lubrication
Engineering
,
2006
,(
6
)
：
56
-
60.
Bu
i
eaflyValvecn
aSeavoAcaIniakeValve
[
J
]
.Chcnese
Hydraulics
&
Pneumatics
,
2019
,
(
11
)
：
27
-31.
[
4
]
刘惺
，
何
庆中,赵献丹
，
等.大口径三偏心蝶阀关闭过程内
部流场动态仿真!
J
]
.流体机械
,
2019
,
47
(
10
)
：
42
-46.
LIA
,
HE
Qingzhong
,
ZHAO
Xiandan
,
et
al.
Dynamic
Scmulaicon
ofInieanalFlowFceld
cn
CloscngPaosessofLaage
[
12
]
何庆中
，王渝皓，
王佳
，
等•基于
Abaqus
的三偏心水电主
控蝶阀密封性研究
[
J].
水力发电
,
2016
,
42
(
5
):
90-94.
HE
Qcngyhong
,
WANG
Yuhao
,
WANG
Jca
,
ei
al.
Research
of
Hydropower
Master
Triple
Eccentric
ButterVy
ValeeSealcngBased
on
Abaqus
[
J
]
.WaieaPowea
,
2016
,
DcameieaTac-esseniacs
Bu
i
eafly
Valve
[
J
]
.
Flucd
Mas-
hinery
,
2019
,
47
(
10
)
：
42
-46.
[
5
]
杨岩
，
杨恒虎,杨长辉
，
等.一种新型偏心蝶阀的设计与分
引用本文
：
42
(
5
)
：
90
-94.
杨恒虎
，
郝娇山,王伟波
，
等.三偏心蝶阀密封压力影响因素分析
[
J
]
.液压与气动
,
2021
,
45
(
6
)
：
178
-182,
YANG
Henghu
,
HAO
Jiaoshan
,
WANG
,
et
al.
Analysis
of
Sealing
Pressure
Influence
Factors
for
Three-cccenwic
ButterVy
Valve
[
J
]
.
Chinese
Hydraulics
&
Pneumatics
,
2021
,
45
(
6
)
:
178
-
182.