蝶阀密封结构的技术进化理论和分析

1 引言

　　蝶阀以其成本低、体积小、质量轻和寿命长等优势得到了广泛的应用。随着我国工业的发展，各行业对设备的性能要求越来越严格，尤其是在一些煤气管道或其他有害物质的管道中，要求蝶阀必须达到零泄漏，所以蝶阀的密封结构设计一直是重要的研究课题。本文应用TRIZ技术进化理论对蝶阀的密封结构设计的进化过程进行分析，并对其密封技术的发展和未来产品可能的密封结构状态进行预测，为企业产品的创新和开发提供借鉴。

　　2 TRIZ技术进化理论

　　TRIZ是俄文中发明问题解决理论的词头。该理论是前苏联G.S.Altshuler及其领导的一批研究人员，自1946年开始，在分析研究世界各国250万件专利的基础上，综合多个学科领域的原理和法则形成的理论体系[1]。其主要目的是研究人类进行发明创造及解决技术难题过程中所遵循的科学原理和方法。其主要内容包括，40个发明创造原理、39个技术特性、矛盾矩阵、物质-场分析和发明问题解决算法等。

　　技术进化理论是TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving——发明问题解决理论)理论的基础，也是其核心。技术进化理论将产品进化过程分为婴儿期、成长期、成熟期和退出期等4个阶段。处于婴儿期及成长期的产品，企业应加大投入，对其结构、参数等进行优化，使其尽快成熟，从而为企业带来更多利润。处于成熟期产品，企业应对其替代技术进行研究，以便推出新一代产品，以应对未来的市场竞争。而对于退出期的产品，企业利润急剧下降，应该尽快淘汰。

　　技术进化理论还研究技术进化模式、进化定律与进化路线。应用这些进化模式或定律以及进化路线可以预测产品的未来发展趋势，把握新产品开发方向，为企业产品规划提供具体的、科学的支持。

　　3 蝶阀密封结构

　　随着现代工业技术的飞速发展，蝶阀广泛应用于管道控制系统，特别是其他控制阀类难以适用的大口径管道控制系统。通常，蝶阀的阀座为固定式，其材质有高分子聚合物和金属两类，聚合物阀座主要适用于温度较低的工况，金属密封阀座蝶阀虽然能满足较高的温度和压力工况，但金属阀座的弹性较聚合物阀座低，密封性能较差[2。蝶阀各种性能的改善与其不断改进密切相关。如蝶阀的密封结构技术发展先后经历了普通蝶阀、单偏心蝶阀、双偏心蝶阀和三偏心蝶阀的演变过程(图1)。

3.1 普通蝶阀

　　几个世纪以来，形如挡板的蝶阀一直用作流量控制装置，蝶板的边缘仅扫过管的内径，以改变流量，但不能紧密切断流体的流动。随着天然橡胶及人造橡胶衬层的应用，橡胶衬层开始用作密封材料，常见的衬胶蝶阀即属于此类。该种蝶阀的结构特征为阀杆中心、蝶板中心、阀体中心在同一位置上，结构简单，制造方便。因蝶板中心线两侧是相等的，故力矩和通过蝶板的压力负载是平衡的，使蝶阀关闭时达到双向紧密封，不存在不平衡区，减少了单边泄漏。但由于它是以旋转轴为中心的对称结构。它的密封面是处于轴的两侧，这样的结构，密封面的压紧力与介质的压力永远只有一半蝶板是相一致的，另一半则处于完全相反的方向。因此造成蝶阀密封性能不高。另外蝶板与阀座始终处于挤压和刮擦状态，阻力矩大，磨损快。为克服挤压和刮擦，保证密封性能，阀座基本上采用橡胶或聚四氟乙烯等弹性材料，因此在使用上受到了温度的限制。

　　3.2 单偏心蝶阀

　　为解决普通蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题产生了单偏心蝶阀。单偏心蝶阀的阀杆中心线与密封中心线错开，形成不对称结构，以便不通过橡胶衬密封面，造成了蝶阀的密封面成为一个完整连续的圆弧曲面，这样对于密封面的加工制造就非常方便，而且蝶板与阀座还可以进行研磨，这对于蝶阀的密封性能就有了充分的保证。蝶板上下端不再为回转轴心，分散减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压，能较快离开密封面，减小了配合面间的摩擦力。但是由于单偏心结构在阀门的整个开关过程中蝶板与阀座的刮擦现象并未消失，故采用不多。

　　3.3 双偏心蝶阀

　　双偏心蝶阀的结构特征是阀杆轴心偏离阀座的密封面中心，也偏离管路和阀门中心线[3]。双偏心的效果使阀门开启后，蝶板能迅速脱离阀座，大幅度地消除了蝶板与阀座的不必要的过度挤压和刮擦等现象，减轻了开启力矩，降低了磨损，提高了阀座寿命。刮擦的大幅度降低，同时还使得双偏心蝶阀也可以采用金属阀座，提高了蝶阀的适用温度，但因为其密封原理属于位置密封构造，即蝶板与阀座的密封面为线接触，通过蝶板挤压阀座所造成的弹性变形产生密封效果，故对关闭位置要求很高(特别是金属阀座)，承压能力较低，蝶板或阀体密封面的摩擦现象非常严重。

　　3.4 三偏心蝶阀

　　三偏心蝶阀是在双偏心的阀杆轴心位置偏心的同时，再加上圆锥形密封面中心线相对于阀门中心线偏转一个角度，形成第三个偏心。阀座密封形线周长是随角度偏心的增加而增加，当阀座被磨蚀和损伤时，只需向关闭方向改变关闭阀位就可以重新达到密封效果，即增加了角度偏心和阀座的弹性压缩量。经蝶板阀座间启闭磨合，消除阀座的损伤，而采用浮动性的阀座则可以确保关闭阀位变化后蝶板与阀座间的最佳密封形位[4]。第三个偏心可使阀座与蝶板在阀门的整个行程中完全脱离，蝶板与阀座的接触只是在密封时的一瞬间，因此极大地减少了阀座与蝶板之间在开关过程中的摩擦，减少了磨损，延长了使用寿命。由于其密封是靠阀座与蝶板上密封圈之间的挤压实现的，密封比压可由阀杆扭矩来施加，如果阀门结构设计合理，则可实现极高的密封效果。对第三个偏心的合理设计，可排除阀门卡死的可能性，因而提高了操作的可靠性。与一般的蝶阀相比，三偏心蝶阀通常采用金属硬密封阀座，解决了耐高温的问题。在蝶板周边镶装着由不锈钢薄板与石墨薄板相互交错层叠而成的多层密封圈，这种密封具有金属硬密封和弹性软密封的双重优点，解决了泄漏问题。三偏心蝶阀作为一种高性能阀门，以其独特的结构特点和性能优势成为调节阀市场中的首选。

　　4 蝶阀进化模式与进化路线

　　TRIZ研究人员发现并确认了技术从结构上的进化模式与进化路线[5]，进化模式指明了产品改进或创新的方向，进化路线指出了产品结构进化的状态序列，其实质是产品如何从一种核心技术移动到新的核心技术，新旧核心技术所完成的基本功能相同，但新技术的性能极限提高，或成本降低，即产品沿进化路线进化的过程是新旧核心技术更替的过程。基于当前产品核心技术所处的状态，按照进化路线，通过设计，可使产品移动到新的状态。TRIZ技术进化理论是预测产品结构进化的理论，进化模式与路线能引导设计者尽快发现新的核心技术。每种进化模式都有多条进化路线[6]，每条进化路线是从结构进化的特点描述产品核心技术的状态序列。以下运用几种进化模式中的典型进化路线来分析蝶阀密封结构。

　　4.1 空间分割的进化路线

　　按照微观化进化模式，空间分割存在有一条进化路线为单一实体→单一孔结构→多孔结构→添加活性剂的多孔结构→毛细管结构，即系统由宏观物体向微观物体的进化。目前使用的蝶板材料大都采用铸铁和不锈钢材料，并且是实心板，强度和刚度大，其质量也大，所需要的转动力矩大。因此系统可以采用多孔材料减小其质量，应向多孔结构和毛细管结构方向来进行开发设计。

　　4.2 系统维数进化路线

将一维空间中运动或静止的物体变成二维空间中运动或静止的物体，二维空间中的物体变成三维空间中的物体，系统向维数增加的方向进化。其中的一条进化路线为零维→一维→二维→三维，按照这条进化路线描述蝶阀密封结构设计进化过程(图2)，系统已经处于进化的最后阶段。

4.3 几何体的进化路线

图3 蝶阀几何体进化路线

　　几何体的进化路线为简单形体→异形体→复杂形体，几何体的进化是一个比较明显的进化趋势，当在设计过程中探索所有能得到的自由度时，就会得到创新设计。蝶阀沿几何体的进化路线如图3所示。

图4 蝶阀柔性化进化路线

　　系统向动态性增加的方向进化，其中的一条进化路线为刚性体→一个铰接→两个(多个)铰接→弹性体→分子结构(液体、气体)→场，文献[7]已经对该进化路线有所研究，按此进化路线描述阀杆与蝶板连接结构设计的进化过程，如图4所示。可以看出，前三个进化阶段已完成，现在系统正处在分子结构进化阶段。但此进化阶段开发出的蝶阀阀座中填充的流体介质压力不易调节控制，可靠性差，实用性差，核心技术还尚未成熟，目前很少使用。所以当前应该改进分子结构型式的蝶阀，同时开发新的核心技术，即场作用密封蝶阀。

　　4.5 可控性进化路线

　　可控性进化路线为直接控制→通过中介物控制→通过反馈控制→智能反馈控制。蝶阀沿可控性方向实施了进化，已经达到了反馈控制和智能控制的阶段，但此阶段的产品还不是很成熟，目前应该继续向此方向发展。

　　5 结语

　　通过运用TRIZ理论对蝶阀密封结构进化过程、进化模式以及进化路线的分析确定了目前蝶阀所处结构状态，据此预测未来蝶阀密封结构将会继续沿着柔性化和微观化以及智能化方向进化。因此，沿这几个方向进行蝶阀密封结构的研究与开发，将会推动蝶阀密封技术的发展