论文摘要：介绍了金属平面密封气动蝶阀的结构特点和工作原理，详细说明这种蝶阀的研制和应用情况，分析了蝶阀综合性能及其发展前景。
1 前言
近几年来，随着现代工业的发展，蝶阀的使用已从低压供水扩展到温度高于538℃，低到-184℃的介质，压力也从低到高，广泛用于空分、化工、冶金、污水处理等领域。而且口径越来越大，性能要求更高，使用寿命要求更长。当前，国内外生产的蝶阀大多数为橡胶密封和塑料密封，容易磨损和老化，达不到设备连续运行周期。以空分为例，当今以深冷分离原理为主的空分设备，其流程都采用分子筛预净化流程，工作压力为0.5～0.9MPa，介质温度的变化范围在10～200℃，其切换阀使用温差大，口径大，切换频繁，阀门橡胶密封圈容易磨损和老化，而且更换也比较困难。针对这些情况，我公司开发研制了连杆增力式金属平面密封气动蝶阀系列。这种新型蝶阀已获得国家实用型专利(专利号为：ZL 97 2 24037.3)。
2 金属平面密封气动蝶阀的特点
(1)采用杠杆式启闭结构，使密封副间相对滑动很小，减小相对磨损。
(2)执行机构采用连杆增力机构。这种机构在蝶阀处于关闭状态时，驱动装置能输出最大扭矩，且具有自锁性能，工作安全可靠。
(3)采用金属平面密封结构，具有很强的耐腐蚀性和耐磨性，适用于高温环境，使用寿命长。
(4)关键部件进行了优化设计，使总的阀门启闭次数可以达到1×106次以上。
(5)该阀的控制系统采用非接触式电磁舌簧开关，不受环境条件限制，而且信号灵敏，准确性高，可以实现远程遥控，气动控制和自动控制，与设备配套时也可以实现无人操作。
3 结构及工作原理
3.1 杠杆式启闭结构
杠杆式启闭结构如图1所示。当蝶阀关闭时，主轴与杠杆用锥销紧固，绕O点按逆时针旋转，杠杆用带孔销带动蝶板AB，由压缩弹簧推动蝶板固定在杠杆的支点N上，随主轴杠杆的转动而转动。当蝶板上端B与阀体密封面全部接触而达到密封。开启过程正好相反。在启闭过程中，密封副间相对滑动很小，减小相对磨损。在关闭状态为轴向压力密封，改变传统的外力挤压密封。
图1
3.2 连杆增力式执行机构
连杆增力式执行机构如图2所示，活塞在气源压力的作用下向右移动，活塞杆带动力臂于箱体内滑动，连杆牵动摇杆顺时针转动，输出扭矩。而连杆与摇杆长度(h)相同，均等于箱体槽心至输出中心的距离。箱体槽壁承受侧向推力F，分力P牵动摇杆转动，根据力的分析可知：
P=Q/cosα α=sin-1(1-sinβ)
M扭=Phcos(90-α-β)=Qhsin(α+β)/cos(α+β)
图2
由上式可知，β角减小，α角增大，M扭值随之增加。当β=0°、α=90°时(蝶阀处于关闭状态)，驱动装置输出最大扭矩，而在启闭过程中的扭矩较小。此特性在曲线上恰好包容了蝶阀操作扭矩曲线，满足蝶阀在关闭或开启状态时所需的密封力矩。
3.3 平面密封结构
过去的气动蝶阀密封副一般采用球面密封，密封压力是径向挤压作用力，其密封过盈量不能任意调整，密封性能取决于密封材料的过盈量，因此，设计中选择密封材料及其过盈量就显得十分重要。在工作中，特别是在分子筛预净化流程中，切换阀工作在10～200℃范围内，采用橡胶密封圈时，橡胶的线性膨胀系数很大，受温度变化影响大，过盈量很难准确确定。如果过盈量大，不但增大摩擦力，而且时常出现“啃边”和“翻舌”现象，使密封失效，过盈量小则出现泄漏。即使过盈量选择合理，而这种阀门切换频繁，经过一段时间运行后还会因磨损而失效。假如采用非橡胶密封材料，据目前资料所知，它们的弹性变形很小，径向密封过盈很难控制，制造相当复杂，成本很高。同时对橡胶密封材料来说，温度的不断变化，使橡胶密封圈因温度疲劳破坏而造成过早老化，对于大型空分设备配备的大口径气动蝶阀，更换密封圈就十分困难。
新型密封气动蝶阀则采用金属平面密封结构，阀瓣作为非易损件采用不锈钢堆焊硬质合金，阀座密封环采用铜基合金或不锈钢堆焊代钴合金，它们具有很强的耐腐蚀和耐磨性，使用温度范围大，在-40～300℃之间可以长期使用，因此，使用寿命比橡胶密封大得多。
由于阀板的运动机构采用杠杆形式，当阀板关闭后，阀板与阀座成为平面接触密封，其后杠杆相当于凸轮机构，如果主轴继续旋转，那么阀板向前继续平移达到力的平衡，有工作介质压力时，还能实现自密封，保证了密封可靠性。当整个密封面磨损后，还具有自动补偿密封磨损量的特性，从而延长了使用寿命。
由于该阀门采用合理的结构，其使用性能比国内其它阀门好，已经能够取代国外同类产品。
4 试验结果及应用情况
我公司于1997年4月首先研制成功PN1.0MPa DN300气动蝶阀，并进行了性能指标试验和模拟现场工况试验，结果如下：
4.1 性能指标试验
气源压力：0.4MPa；管道压力：0.95MPa；介质温度：常温；开启次数：1500次(要求1000次/a)；动作启闭时间：10s。
4.2 模拟现场工况试验
气源压力：0.4MPa；管道压力：0.7MPa；介质温度：150℃；开启次数：8000次(要求1000次/a)；动作启闭时间：10s；泄漏量：8000次试运行后，作气密性试验其泄漏量为零。
经过试验后，对各个部件进行检查，主密封面无磨损痕迹，执行机构的运动部件及阀内运动部件完好无损，且整体动作灵活，运行可靠。目前，这种阀门已经系列化，可以与大中小型空分设备配套使用。
此后，我们又开发出PN1.0MPa DN400蝶阀，于1997年12月在长治钢厂六千空分设备上使用，性能良好，深受用户好评。
为了适应小型高纯氮设备流程需要，我们又组织开发了PN1.6MPa DN150和DN200蝶阀，也被用户选用。
针对我公司为天津铁厂提供1.5万大型空分设备，1997年10月又组织开发了PN1.0MPa DN500和DN600蝶阀，于1998年6月20日在天铁1.5万空分设备上正式使用，至今运行良好，得到用户的依赖。最近，鲁南化工厂1.6万空分设备所配套DN500 DN600阀门也将开始运行。它的成功应用标志着高压力、大口径的金属硬密封蝶阀长期依赖进口的历史已经结束，同时也填补了国内大口径金属硬密封蝶阀的应用空白。
通过实际应用，各项设计指标均达到要求，满足空分设备工艺流程的要求，该产品已经供给用户使用。目前，我公司这种阀门主要是为空分设备配套，自1997年投产以来，已经生产DN200～DN600不同规格阀门100多台，供应国内市场，另外还出口到印尼20多台也在运行当中。
金属平面密封气动蝶阀不仅适用于空分行业，也适用于化工、冶金、污水处理、煤气、石油及其它天燃气管道输送行业。尤其是天燃气输送管道所用阀门为大口径蝶阀，采用这种气动阀门既能满足密封性能的要求，又能防火保证输送的安全性，而且中间维修少，价格低，是最理想的配套产品。由此可见，金属平面密封气动蝶阀今后必将取代国内外同类产品，成为市场主导产品，具有广阔的发展前景。
作者简介：李咸有，男，36岁，工程师，大学本科学历，毕业后一直从事空分设备配套阀门的新产品开发与设计工作，研制的金属密封气动蝶阀获得国家专利。