蝶閥密封結(jié)構(gòu)的技術(shù)進(jìn)化理論和分析

1 引言

　　蝶閥以其成本低、體積小、質(zhì)量輕和壽命長等優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，各行業(yè)對設(shè)備的性能要求越來越嚴(yán)格，尤其是在一些煤氣管道或其他有害物質(zhì)的管道中，要求蝶閥必須達(dá)到零泄漏，所以蝶閥的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是重要的研究課題。本文應(yīng)用TRIZ技術(shù)進(jìn)化理論對蝶閥的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計的進(jìn)化過程進(jìn)行分析，并對其密封技術(shù)的發(fā)展和未來產(chǎn)品可能的密封結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，為企業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新和開發(fā)提供借鑒。

　　2 TRIZ技術(shù)進(jìn)化理論

　　TRIZ是俄文中發(fā)明問題解決理論的詞頭。該理論是前蘇聯(lián)G.S.Altshuler及其的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國250萬件的基礎(chǔ)上，綜合多個學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則形成的理論體系[1]。其主要目的是研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造及解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和方法。其主要內(nèi)容包括，40個發(fā)明創(chuàng)造原理、39個技術(shù)特性、矛盾矩陣、物質(zhì)-場分析和發(fā)明問題解決算法等。

　　技術(shù)進(jìn)化理論是TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving——發(fā)明問題解決理論)理論的基礎(chǔ)，也是其核心。技術(shù)進(jìn)化理論將產(chǎn)品進(jìn)化過程分為嬰兒期、成長期、成熟期和退出期等4個階段。處于嬰兒期及成長期的產(chǎn)品，企業(yè)應(yīng)加大投入，對其結(jié)構(gòu)、參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，使其盡快成熟，從而為企業(yè)帶來更多利潤。處于成熟期產(chǎn)品，企業(yè)應(yīng)對其替代技術(shù)進(jìn)行研究，以便推出新一代產(chǎn)品，以應(yīng)對未來的市場競爭。而對于退出期的產(chǎn)品，企業(yè)利潤急劇下降，應(yīng)該盡快淘汰。

　　技術(shù)進(jìn)化理論還研究技術(shù)進(jìn)化模式、進(jìn)化定律與進(jìn)化路線。應(yīng)用這些進(jìn)化模式或定律以及進(jìn)化路線可以預(yù)測產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢，把握新產(chǎn)品開發(fā)方向，為企業(yè)產(chǎn)品規(guī)劃提供具體的、科學(xué)的支持。

　　3 蝶閥密封結(jié)構(gòu)

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，蝶閥廣泛應(yīng)用于管道控制系統(tǒng)，特別是其他控制閥類難以適用的大口徑管道控制系統(tǒng)。通常，蝶閥的閥座為固定式，其材質(zhì)有高分子聚合物和金屬兩類，聚合物閥座主要適用于溫度較低的工況，金屬密封閥座蝶閥雖然能滿足較高的溫度和壓力工況，但金屬閥座的彈性較聚合物閥座低，密封性能較差[2。蝶閥各種性能的改善與其不斷改進(jìn)密切相關(guān)。如蝶閥的密封結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展先后經(jīng)歷了普通蝶閥、單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥的演變過程(圖1)。

3.1 普通蝶閥

　　幾個世紀(jì)以來，形如擋板的蝶閥一直用作流量控制裝置，蝶板的邊緣僅掃過管的內(nèi)徑，以改變流量，但不能緊密切斷流體的流動。隨著天然橡膠及人造橡膠襯層的應(yīng)用，橡膠襯層開始用作密封材料，常見的襯膠蝶閥即屬于此類。該種蝶閥的結(jié)構(gòu)特征為閥桿中心、蝶板中心、閥體中心在同一位置上，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。因蝶板中心線兩側(cè)是相等的，故力矩和通過蝶板的壓力負(fù)載是平衡的，使蝶閥關(guān)閉時達(dá)到雙向緊密封，不存在不平衡區(qū)，減少了單邊泄漏。但由于它是以旋轉(zhuǎn)軸為中心的對稱結(jié)構(gòu)。它的密封面是處于軸的兩側(cè)，這樣的結(jié)構(gòu)，密封面的壓緊力與介質(zhì)的壓力永遠(yuǎn)只有一半蝶板是相一致的，另一半則處于相反的方向。因此造成蝶閥密封性能不高。另外蝶板與閥座始終處于擠壓和刮擦狀態(tài)，阻力矩大，磨損快。為克服擠壓和刮擦，保證密封性能，閥座基本上采用橡膠或聚四氟乙烯等彈性材料，因此在使用上受到了溫度的限制。

　　3.2 單偏心蝶閥

　　為解決普通蝶閥的蝶板與閥座的擠壓問題產(chǎn)生了單偏心蝶閥。單偏心蝶閥的閥桿中心線與密封中心線錯開，形成不對稱結(jié)構(gòu)，以便不通過橡膠襯密封面，造成了蝶閥的密封面成為一個完整連續(xù)的圓弧曲面，這樣對于密封面的加工制造就非常方便，而且蝶板與閥座還可以進(jìn)行研磨，這對于蝶閥的密封性能就有了充分的保證。蝶板上下端不再為回轉(zhuǎn)軸心，分散減輕了蝶板上下端與閥座的過度擠壓，能較快離開密封面，減小了配合面間的摩擦力。但是由于單偏心結(jié)構(gòu)在閥門的整個開關(guān)過程中蝶板與閥座的刮擦現(xiàn)象并未消失，故采用不多。

　　3.3 雙偏心蝶閥

　　雙偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)特征是閥桿軸心偏離閥座的密封面中心，也偏離管路和閥門中心線[3]。雙偏心的效果使閥門開啟后，蝶板能迅速脫離閥座，大幅度地消除了蝶板與閥座的不必要的過度擠壓和刮擦等現(xiàn)象，減輕了開啟力矩，降低了磨損，提高了閥座壽命。刮擦的大幅度降低，同時還使得雙偏心蝶閥也可以采用金屬閥座，提高了蝶閥的適用溫度，但因為其密封原理屬于位置密封構(gòu)造，即蝶板與閥座的密封面為線接觸，通過蝶板擠壓閥座所造成的彈性變形產(chǎn)生密封效果，故對關(guān)閉位置要求很高(特別是金屬閥座)，承壓能力較低，蝶板或閥體密封面的摩擦現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

　　3.4 三偏心蝶閥

　　三偏心蝶閥是在雙偏心的閥桿軸心位置偏心的同時，再加上圓錐形密封面中心線相對于閥門中心線偏轉(zhuǎn)一個角度，形成第三個偏心。閥座密封形線周長是隨角度偏心的增加而增加，當(dāng)閥座被磨蝕和損傷時，只需向關(guān)閉方向改變關(guān)閉閥位就可以重新達(dá)到密封效果，即增加了角度偏心和閥座的彈性壓縮量。經(jīng)蝶板閥座間啟閉磨合，消除閥座的損傷，而采用浮動性的閥座則可以確保關(guān)閉閥位變化后蝶板與閥座間的密封形位[4]。第三個偏心可使閥座與蝶板在閥門的整個行程中脫離，蝶板與閥座的接觸只是在密封時的一瞬間，因此極大地減少了閥座與蝶板之間在開關(guān)過程中的摩擦，減少了磨損，延長了使用壽命。由于其密封是靠閥座與蝶板上密封圈之間的擠壓實現(xiàn)的，密封比壓可由閥桿扭矩來施加，如果閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，則可實現(xiàn)的密封效果。對第三個偏心的合理設(shè)計，可排除閥門卡死的可能性，因而提高了操作的可靠性。與一般的蝶閥相比，三偏心蝶閥通常采用金屬硬密封閥座，解決了耐高溫的問題。在蝶板周邊鑲裝著由不銹鋼薄板與石墨薄板相互交錯層疊而成的多層密封圈，這種密封具有金屬硬密封和彈性軟密封的雙重優(yōu)點，解決了泄漏問題。三偏心蝶閥作為一種高性能閥門，以其的結(jié)構(gòu)特點和性能優(yōu)勢成為調(diào)節(jié)閥市場中的。

　　4 蝶閥進(jìn)化模式與進(jìn)化路線

　　TRIZ研究人員發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了技術(shù)從結(jié)構(gòu)上的進(jìn)化模式與進(jìn)化路線[5]，進(jìn)化模式指明了產(chǎn)品改進(jìn)或創(chuàng)新的方向，進(jìn)化路線指出了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)化的狀態(tài)序列，其實質(zhì)是產(chǎn)品如何從一種核心技術(shù)移動到新的核心技術(shù)，新舊核心技術(shù)所完成的基本功能相同，但新技術(shù)的性能極限提高，或成本降低，即產(chǎn)品沿進(jìn)化路線進(jìn)化的過程是新舊核心技術(shù)更替的過程?；诋?dāng)前產(chǎn)品核心技術(shù)所處的狀態(tài)，按照進(jìn)化路線，通過設(shè)計，可使產(chǎn)品移動到新的狀態(tài)。TRIZ技術(shù)進(jìn)化理論是預(yù)測產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)化的理論，進(jìn)化模式與路線能引導(dǎo)設(shè)計者盡快發(fā)現(xiàn)新的核心技術(shù)。每種進(jìn)化模式都有多條進(jìn)化路線[6]，每條進(jìn)化路線是從結(jié)構(gòu)進(jìn)化的特點描述產(chǎn)品核心技術(shù)的狀態(tài)序列。以下運用幾種進(jìn)化模式中的典型進(jìn)化路線來分析蝶閥密封結(jié)構(gòu)。

　　4.1 空間分割的進(jìn)化路線

　　按照微觀化進(jìn)化模式，空間分割存在有一條進(jìn)化路線為單一實體→單一孔結(jié)構(gòu)→多孔結(jié)構(gòu)→添加活性劑的多孔結(jié)構(gòu)→毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)由宏觀物體向微觀物體的進(jìn)化。目前使用的蝶板材料大都采用鑄鐵和不銹鋼材料，并且是實心板，強度和剛度大，其質(zhì)量也大，所需要的轉(zhuǎn)動力矩大。因此系統(tǒng)可以采用多孔材料減小其質(zhì)量，應(yīng)向多孔結(jié)構(gòu)和毛細(xì)管結(jié)構(gòu)方向來進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。

　　4.2 系統(tǒng)維數(shù)進(jìn)化路線

將一維空間中運動或靜止的物體變成二維空間中運動或靜止的物體，二維空間中的物體變成三維空間中的物體，系統(tǒng)向維數(shù)增加的方向進(jìn)化。其中的一條進(jìn)化路線為零維→一維→二維→三維，按照這條進(jìn)化路線描述蝶閥密封結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)化過程(圖2)，系統(tǒng)已經(jīng)處于進(jìn)化的最后階段。

4.3 幾何體的進(jìn)化路線

圖3 蝶閥幾何體進(jìn)化路線

　　幾何體的進(jìn)化路線為簡單形體→異形體→復(fù)雜形體，幾何體的進(jìn)化是一個比較明顯的進(jìn)化趨勢，當(dāng)在設(shè)計過程中探索所有能得到的自由度時，就會得到創(chuàng)新設(shè)計。蝶閥沿幾何體的進(jìn)化路線如圖3所示。

圖4 蝶閥柔性化進(jìn)化路線

　　系統(tǒng)向動態(tài)性增加的方向進(jìn)化，其中的一條進(jìn)化路線為剛性體→一個鉸接→兩個(多個)鉸接→彈性體→分子結(jié)構(gòu)(液體、氣體)→場，文獻(xiàn)[7]已經(jīng)對該進(jìn)化路線有所研究，按此進(jìn)化路線描述閥桿與蝶板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的進(jìn)化過程，如圖4所示。可以看出，前三個進(jìn)化階段已完成，現(xiàn)在系統(tǒng)正處在分子結(jié)構(gòu)進(jìn)化階段。但此進(jìn)化階段開發(fā)出的蝶閥閥座中填充的流體介質(zhì)壓力不易調(diào)節(jié)控制，可靠性差，實用性差，核心技術(shù)還尚未成熟，目前很少使用。所以當(dāng)前應(yīng)該改進(jìn)分子結(jié)構(gòu)型式的蝶閥，同時開發(fā)新的核心技術(shù)，即場作用密封蝶閥。

　　4.5 可控性進(jìn)化路線

　　可控性進(jìn)化路線為直接控制→通過中介物控制→通過反饋控制→智能反饋控制。蝶閥沿可控性方向?qū)嵤┝诉M(jìn)化，已經(jīng)達(dá)到了反饋控制和智能控制的階段，但此階段的產(chǎn)品還不是很成熟，目前應(yīng)該繼續(xù)向此方向發(fā)展。

　　5 結(jié)語

　　通過運用TRIZ理論對蝶閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)化過程、進(jìn)化模式以及進(jìn)化路線的分析確定了目前蝶閥所處結(jié)構(gòu)狀態(tài)，據(jù)此預(yù)測未來蝶閥密封結(jié)構(gòu)將會繼續(xù)沿著柔性化和微觀化以及智能化方向進(jìn)化。因此，沿這幾個方向進(jìn)行蝶閥密封結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)，將會推動蝶閥密封技術(shù)的發(fā)展