一、概述

我国是世界上采用泵站最多的国家之一，蝶阀在泵站的使用以径向密封型式较为普及，平面密封型式的蝶阀比较少见，平面密封型式的断流阀门，多以止回阀形式的结构设计，如拍门产品，其顺流开启依据介质压力将阀瓣打开，介质逆流时阀瓣自行关闭，但该结构产品顺流时流阻大，关闭时密封性较差，有些大型拍门门座，受加工和安装条件的限制其金属密封面未进行机械加工，影响拍门的整体密封性能，常常发生拍门关闭后回水泄漏现象，再者拍门使用过程中回水冲击力大，开启流阻也大，工况使用既不节能也不安全，特别是水泵工况运行中的压力管道一旦发生爆裂拍门不能及时关闭，大量回水将会冲坏管槽，给泵站安全运行造成极大威胁；以传统悬挂式拍门结构为例，最大开启角约60°，流阻系数1.53，近期新研制的侧开式拍门，虽然性能较悬挂式结构有较大的改进，但与本文所述的四杆机构蝶阀相比，密封性能和流阻系数还是有一定的差别，现就四杆机构蝶阀的结构设计和应用介绍如下，由其替代拍门可以克服拍门自身存在的问题，也可以根据工况条件应用于高温低压热风含尘管网及其他场所。

二、结构设计及计算

（一）结构设计

四杆机构蝶阀是由阀体、蝶板、阀轴、调节杆、拐臂、摇杆、销轴和电动执行机构等零部件组成。如图1所示。执行机构带动阀轴部分回转时，拐臂连同阀轴一同旋转，由于连杆与蝶板刚性连接，所以拐臂旋转过程中，连杆同摇杆以及连杆的外延部分蝶板作平动加转动的复合运动，蝶板先平动后转动，由关闭至开启达到疏通或阻断介质运动的作用。

图1.四杆机构蝶阀结构示意图

（二）设计计算

依据蝶阀在管网中所受作用力情况，蝶阀启闭过程驱动力矩由以下力矩构成。

1.蝶阀驱动力矩M

M＝M_JS＋M_M＋M_d＋M_C＋M_T＋M_X

式中：M_JS为介质静水力矩；M_M为密封面摩擦力矩；M_d为介质动水力矩；M_C为阀轴二轴端轴承摩擦力矩；M_T为阀轴与密封填料摩擦力矩；M_X为连杆各铰轴间的摩擦力矩。

2.介质静水力矩M_JS

（千克•米）

式中：D为阀门通径（厘米）；γ为介质比重，对于水γ=1000千克/立方米；H为计算升压在内的最大静水头（H=10•P）（米）。

P=（PN+δP）（米）

式中：P为设计压力，PN为公称压力（千克/平方厘米），δP为压力升值（千克/平方厘米）；L为阀轴与管孔中心线之间的距离（米）。

该力矩仅在蝶阀关闭，阀轴处于水平位置时存在，若有旁通装置时，开启蝶板前先打开旁通阀使阀前充水，则静水力矩亦将相应减低。

3.密封面摩擦力矩M_M

M_M=Q_M•R（千克•厘米）， Q_M=Л•D•b_M•Q_MF•f（千克）

式中：M_M为密封面摩擦力矩（千克•厘米）；Q_M为密封面摩擦力（千克）；R为力臂（厘米）；b_M为密封接触面宽度（厘米）；Q_MF为密封比压；f为摩擦系数。

4.介质动水力矩M_d

（千克•厘米）

式中：g为重力加速度g=9.8米/平方米；m_φ为开度为Φ角时的动水力矩系数；Φ为阀门开度，（全开时Φ=0，全闭时Φ=90°）；ξΦ为开度为Φ角时的阻力系统；ξ0为全开（Φ=0）时的阻力系统；V为流速（米/秒）。

介质动水力矩存在于蝶阀启闭过程中，阻力系数与蝶阀全闭时介质动水力矩为零。

5.阀轴二轴端轴承摩擦力矩MC

（千克•厘米）

式中：Q_G为蝶板组件重量（千克）；μ为轴承摩擦系数；d_F为阀轴直径（厘米）。

6.阀轴与密封填料摩擦力矩M_T

（千克•厘米）

式中：Q_T为填料与阀轴的摩擦力（千克）

7.连杆各铰轴间的摩擦力矩MX该力矩在总力矩中所占比例很小，故此忽略不计。

对于密闭型蝶阀，最大力矩产生在开启时，其驱动力矩为∑M=M_JS+M_M+M_C+M_T+M_X（千克•厘米）

以公称通径DNl200蝶阀为例，进水池水位高度＜20米，蝶阀管道出水口无水，轴端密封支撑结构为多层次填料密封，滑动轴承支撑，按公称压力0.25兆帕设计，其计算数值如下：M_JS=36000（千克•厘米），M_M=87000（千克•厘米），M_C=29000（千克•厘米），M_T=10000（千克•厘米）；∑M=M_JS+M_M+M_C+M_T+M_X=36000+87000+29000+10000=162000（千克•厘米），对于平面密闭蝶阀而言，其驱动力矩∑M=M_JS+M_C+M_T+M_X=36000+29000+10000=75000（千克•厘米）。

以上计算数值可以看出，对于平面密闭型蝶阀，由于没有径向密闭蝶阀启闭时的密封面摩擦力矩，故此驱动力矩较小。径向密闭蝶阀密封面摩擦力矩约87000千克•厘米，其值约占驱动力矩的l/2左右。

（三）四杆机构运动特性设计

四杆机构蝶阀的类型及运动特性如图2所示：设a杆为拐臂；b杆为连杆；c杆为摇杆；d杆为固定机架。拐臂为主动杆，连杆b的外延部分蝶板作平面复杂运动，方位不转整周。其启闭位置如图2所示。蝶板启闭位置由四连杆机构的设计尺寸决定，拐臂极限摆角为：

三、特性及应用

一是随着自动化管理程度的提高，水利管线和高炉管网流量控制及配套的执行机构启闭控制及联网控制已非常普及，节能和安全运行正是本蝶阀所具有的特性，当管线水位达到某一高度或管网设定的压力、温度达到某一数值时，蝶阀开启或关闭，满足工况所需。二是采用四杆机构蝶阀可依据水利工况条件合理设计结构，使其适用于低扬程工况，蝶板密封面材料采用平面橡胶密封，密封圈可更换，密封副间无摩擦无冲击无卡阻，密封性能优良。三是蝶阀的阀轴及四杆机构运动副之间采用不锈钢耐腐材料制造，工况条件下不会产生卡阻，与拍门结构相比，蝶板厚度薄且重量轻，流阻小，开启角度大，不易产生涡流。其流量与蝶板开启角度大小成直线关系；蝶阀无径向密封摩擦阻力矩，因而驱动机构力矩较小。四是四杆机构蝶阀可应用于冶金、石化等行业高温低压热风含尘管网，密封副材料依据工况选取不同金属制作，也可在其密封表面堆焊钨钻类硬质合金材料，保证高温状态下密封面受损较小，主要能有效防止径向密封蝶阀存在热膨胀卡阻问题。五是电动执行机构选取以及与阀门的连接可依据实际工况条件选用不同的连接方式，对于水利工程泵站选用四杆机构蝶阀，直连式电动执行机构一般用于泵站内管线中，曲柄类电动执行机构用于泵站外管线中。应用于高温低压热风含尘管网中的电动驱动执行机构功率相对更小。

图2.四杆机构蝶阀运动特性图

四、结语

四杆机构蝶阀具有开关速度快，制造成本低，开启位置准确和占用空间小的特点在相关工况得到应用，而且该结构具备完整的平面密封和相对可靠的密封性能以及根据不同工况选用不同密封材料的特性，故可应用于水利工程管道压力较低的场合，其结构和特性替代传统悬挂式拍门是可行的；相对于悬挂式拍门而言，因介质流量Q对局部阻力系数ξ的影响主要在小流量阶段，且拍门开度小于30°时局部阻力系数ξ值变化较大，这也正是该结构蝶阀能够克服拍门流阻大的原因。另外该结构蝶阀应用于高温低压热风含尘管网对防止蝶阀主体密封副热卡阻现象的发生也是非常有效的。