閥門閥桿導向密封墊磨損補償結(jié)構(gòu)設(shè)計與應用

高連勇，閆青，徐帥，梁健

（1.棗莊職業(yè)學院 機電工程系，山東 棗莊 277800；2.上海凱泉泵業(yè)有限公司，上海 230011；3.中檢集團公信安全科技有限公司，山東 棗莊 277100）

0 引言

閥門是各種流體裝置中不可缺少的控制設(shè)備, 在國民經(jīng)濟各個部門中有著廣泛的應用。閥門一般有3處密封：閥蓋與閥體之間屬于靜密封，安裝后靜止無磨損[1]；閥頭與間隔水口之間靠壓緊密封，相對磨損較?。婚y桿升降屬于動密封，移動頻繁，磨損較大，是閥門因磨損導致密封失效介質(zhì)泄漏的主要原因[2-3]。閥體為三通結(jié)構(gòu)，分別為進水口、出水口及安裝口。閥蓋內(nèi)有升降內(nèi)螺紋、內(nèi)孔密封室，升降內(nèi)螺紋與內(nèi)孔密封室間形成階梯結(jié)構(gòu)[4]。閥桿有升降外螺紋與密封導桿結(jié)構(gòu)。導桿密封室由閥桿安裝口的內(nèi)孔密封室、階梯結(jié)構(gòu)、密封導桿及壓蓋組成，如圖1所示。

圖1 閥門結(jié)構(gòu)圖

閥桿密封形式很多，鑄造閥門在密封室內(nèi)采用填料函密封或密封圈密封，鋼制閥門在密封室內(nèi)采用填料函密封、密封圈密封或波紋管密封[5]。由于閥門的開啟與關(guān)閉過程中閥桿上下運動，閥桿與填料函或密封墊之間的摩擦阻力增大，密封墊容易磨損使介質(zhì)泄漏；波紋管密封需要與其它零件焊接成一體，工藝復雜，為防止塑性變形，必須保證工作行程，所以閥門結(jié)構(gòu)尺寸大，波紋管是最易損壞的零件，并且修復工藝復雜[6-7]。因此，研究設(shè)計簡便可靠的閥門密封技術(shù)十分必要。

1 上密封設(shè)計要求

針對閥桿處密封屬于上密封，閥桿工作狀態(tài)極其易于磨損失效的特點，改進的上密封技術(shù)，在密封零件設(shè)計上要求結(jié)構(gòu)簡單，適宜量產(chǎn)，安裝調(diào)試工藝簡便，維修更換容易，并盡量延長密封零件的使用壽命[8]。

2 上密封設(shè)計方案

為滿足設(shè)計要求，閥門密封件材料選用耐磨耐高溫的聚四氟乙烯，以提高密封件的耐磨性，減少磨損，達到延長密封零件使用壽命的要求[9-11]。密封墊設(shè)計為V形斷面結(jié)構(gòu)的圓形墊片如圖2所示，其滿足結(jié)構(gòu)簡單的要求，且模具制造工藝簡單，能夠降低模具制作成本，適宜大批量生產(chǎn)。

圖2 V形斷面圓形墊片圖

采用V形斷面圓形密封墊有以下優(yōu)點：

1）V形斷面圓形密封墊片在擰下壓蓋的預緊壓力下，使V形斷面預壓發(fā)生彈性變形，密封墊片內(nèi)外孔徑尺寸變化，達到密封墊內(nèi)孔與閥桿、密封墊外徑與密封室內(nèi)壁之間的密封作用。

2）當密封墊內(nèi)孔磨損尺寸增大時，V形結(jié)構(gòu)斷面的彈變，會縮小密封墊內(nèi)孔尺寸，自動補償密封墊片內(nèi)孔與閥桿之間的磨損量。

3）通過耐磨材料選用與結(jié)構(gòu)彈變兩個因素相結(jié)合，能夠保證閥門密封的安全可靠運行，延長密封墊的使用壽命[12-13]。

4）將多片密封墊疊層直接裝入密封室內(nèi)即可完成安裝，非常方便。

5）安裝調(diào)試工藝簡便，更換密封墊方便，滿足快捷維修更換的要求。

3 密封技術(shù)安裝方式

3.1 V形密封墊的3種安裝方式

1）順裝。即V形密封墊的開口向下,相互疊層方式安裝，如圖3所示。

圖3 密封墊順裝

2）逆裝。即V形密封墊的開口向上,相互疊層方式安裝，如圖4所示。

圖4 密封墊逆裝

3）對裝。即兩個V形密封墊開口相對后再疊層安裝，如圖5所示。

圖5 密封墊對裝

3.2 3種安裝方式的特點與選用

1）順裝。V形斷面開口朝下，調(diào)整壓力時壓蓋壓在V形的尖端，壓蓋接觸摩擦面小，調(diào)整壓力時運動阻力小。在流體介質(zhì)增壓上頂時，剛性平墊片與V形開口端面接觸摩擦面大，不利于密封墊變形延展，對密封與磨損補償不利。

2）逆裝。V形斷面開口朝上，調(diào)整壓力時壓蓋壓在V形的開口上，壓蓋接觸摩擦面大，調(diào)整壓力時運動阻力大。在流體介質(zhì)增壓上頂時，剛性平墊片與V形尖端接觸摩擦面小，利于密封墊變形延展，對密封與磨損補償有利。

3）對裝。壓蓋與剛性平墊片分別壓在V形尖端，接觸摩擦面小，利于密封墊變形延展，集中了順裝與逆裝的優(yōu)點，規(guī)避了順裝與逆裝的缺點。但是由于對裝的結(jié)構(gòu)使密封墊展開尺寸增大，在具有相同密封室空間的情況下，有填裝密封墊數(shù)量少，調(diào)整壓力時壓蓋調(diào)整行程長的缺點。

綜上所述，只要調(diào)整好密封室壓力，3種安裝方式都能滿足密封要求。在密封室空間滿足的條件下，對裝方式受力均勻，摩擦力小，對調(diào)整預壓力及在流體介質(zhì)壓力下對密封與磨損補償有利，對裝為首選組裝方式；逆裝只是調(diào)整壓力時阻力稍大，在流體介質(zhì)壓力下對密封與磨損補償有利，逆裝方式為次選；順裝因在流體介質(zhì)壓力下對密封與磨損補償不利，一般不選擇順裝方式。

3.3 上密封工作原理

1）在安裝調(diào)試時，壓蓋旋入，壓緊V形密封墊時，V形密封墊的V形斷面發(fā)生彈性變形，V形密封墊內(nèi)外徑尺寸變化，密封墊外徑與密封室內(nèi)壁之間、密封墊內(nèi)孔與閥桿之間發(fā)生擠壓，完成密封效果調(diào)試。

2）在閥門打開時，閥桿上升，升降螺紋肩部臺階帶動V形密封墊下安裝的剛性平墊片上移對V形密封墊進一步壓縮，密封墊片V形結(jié)構(gòu)彈性變形更大，閥門開啟越大，密封墊的密封性越好。

3）當工作壓力增加時，流體介質(zhì)會推動密封墊下安裝的剛性平墊片上移對V形密封墊進行壓縮，V形密封墊會彈性變形，流體介質(zhì)壓力越大，密封墊的密封性越好。

4）由于閥桿開啟移動過程形成的內(nèi)孔磨損，V形密封墊預壓的變形會彈性回復，對磨損量進行自動補償，從而保證閥門的密封性，延長密封墊的使用壽命。

4 上密封試驗

4.1 上密封試驗適用標準

1）GB/T 12233-2008《通用閥門 鐵制截止閥與升降式止回閥》；2）GB/T 13927-2008《工業(yè)閥門 壓力試驗》。

4.2 上密封試驗適用的標準條款

1）GB/T 12233-2008第4.12/5.1條款；

2）GB/T 13927-2008第4.6/4.7.2/4.8/4.9/5.2/6.2條款；

3）以上條款適應上密封的試驗要求。

4.3 試驗臺

本設(shè)計上密封試驗采用如圖6 所示的簡易試驗臺進行試驗。

圖6 水壓試驗簡圖

4.4 試驗方案

首先將管徑小于50 mm的閥門一端連接在試驗臺的連接管上，閥門另一端用絲堵封閉，試驗介質(zhì)為自來水，試驗對平密封墊與V形密封墊的密封效果進行對比，采用以下兩個方案：

1）試驗上密封的密封性。通水后分別對兩種上密封橡膠密封墊進行預壓緊，逐漸對試驗介質(zhì)加壓至工作壓力，在保證閥桿處不泄漏的情況下進行增壓，按GB/T 13927第4.9/5.2條款增壓至試驗壓力（工作壓力1.1倍，保壓15 min）。如果出現(xiàn)泄漏說明密封性不符合GB/T 13927第6.2條款密封要求，不泄漏符合上述條款密封要求。通過對比試驗，兩種密封墊都沒有出現(xiàn)試驗介質(zhì)泄漏的情況，說明密封墊均符合GB/T 13927第6.2條款密封要求。

2）試驗上密封的補償性。通水后分別對兩種上密封橡膠密封墊進行預壓緊，逐漸對試驗介質(zhì)加壓至工作壓力，調(diào)整至閥桿處滲水狀態(tài)，然后進行逐漸增壓。通過對比試驗，平密封墊組裝的上密封滲水逐漸加劇，直至形成有壓力的沖擊水流；而V形密封墊組裝的上密封滲水現(xiàn)象逐漸減少，直至最后消失。

4.5 試驗分析與結(jié)論

通過兩個試驗方案的試驗效果對比，說明以下問題：在密封性試驗中，壓緊的橡膠密封墊內(nèi)外徑分別與壓蓋內(nèi)孔、閥桿外徑緊密結(jié)合，起到可靠的密封作用，試驗結(jié)果符合GB/T 13927第6.2條款密封要求。而在補償性試驗中，開始有少量滲水，說明橡膠密封墊內(nèi)外徑分別與壓蓋內(nèi)孔、閥桿外徑之間，由于表面粗糙度的問題造成間隙導致密封不嚴，形成少量滲水，隨著水壓升高，就會出現(xiàn)兩種情況：平密封墊因為試驗壓力升高，會使間隙擴大，滲水狀態(tài)發(fā)展為有壓力的沖擊水流；而V形密封墊滲水現(xiàn)象逐漸減少，直至最后消失。這是因為V形密封墊內(nèi)孔與閥桿之間、密封墊外圓與閥體內(nèi)孔之間，隨著水壓升高，閥頭承受壓力，推動閥桿上移，閥桿軸肩壓縮密封墊結(jié)構(gòu)彈變，使密封墊內(nèi)孔徑向縮小、外徑徑向變大，使密封墊的內(nèi)孔與閥桿之間、外徑與閥體內(nèi)孔之間的壓力增加，有效地消除因表面粗糙度形成的間隙，泄漏消失。通過以上試驗與分析，兩種密封墊都能保證密封作用，并符合GB/T 13927第6.2條款密封要求。但是V形密封墊在使用過程中，隨著工作壓力的增加，由于結(jié)構(gòu)彈性變形作用會使密封效果更好。以此推理，如果密封墊內(nèi)孔磨損造成上密封泄漏也會因為V形橡膠密封墊結(jié)構(gòu)彈性回復進行補償，實現(xiàn)可靠密封。

因此通過以上試驗得出結(jié)論：采用V形橡膠密封墊組裝的上密封結(jié)構(gòu)，閥門密封調(diào)試只需要預調(diào)壓力不出現(xiàn)泄漏即可；隨著工作壓力的增加密封效果更好；利用結(jié)構(gòu)彈變回復可以補償磨損；有利于延長密封墊使用壽命。

5 結(jié)論

本設(shè)計首先分析了閥門密封零件的工作狀態(tài)，提出上密封泄漏是閥門失效的主要原因。針對其存在的問題，依據(jù)GB/T 13927第6.2條款上密封試驗“不允許有可見的泄漏”的要求，提出對上密封的改進設(shè)計，提出采用V形橡膠密封墊的設(shè)計技術(shù)方案。利用V形斷面結(jié)構(gòu)在工作壓力增加發(fā)生彈性變形，V形斷面結(jié)構(gòu)開口擴張，改變密封墊內(nèi)外徑尺寸的原理，實現(xiàn)可靠的上密封。通過試驗分析，流體介質(zhì)壓力越大密封效果越好，彈性回復能夠自動補償密封墊磨損，延長密封墊使用壽命。且密封零件結(jié)構(gòu)與工藝簡單，便于實施量產(chǎn)，安裝調(diào)試方便快捷。