CN101566240B - 机械式自动变速电动闸阀 - Google Patents

Abstract

本发明为一种机械式自动变速电动闸阀，能根据载荷大小自动进行快慢两档速度切换，包括螺母套、螺杆、阀杆以及调节螺钉、弹簧、钢球座和钢球，螺母套内孔两端分别与螺杆和阀杆旋合形成两组旋向相反的螺旋副，调节螺钉压缩弹簧使其压紧钢球座，钢球座支承钢球并将其压入螺杆。闸阀启闭时，交流电机通过蜗杆与蜗轮套传动带动螺母套旋转，载荷使两组螺旋副中相应形成扭转力矩M₁、M₂，钢球产生阻碍螺杆转动的力矩M_Z。重载时M₁＞M_Z，仅一组螺旋副动作，闸阀通过单级螺旋传动慢速启闭；轻载时M₁≤M_Z，两组螺旋副同时动作，闸阀通过复式螺旋传动快速启闭。该闸阀结构简单紧凑，安装、运行方便灵活，工作效率高，可用于石油化工、电力、水处理等工业部门。

Description

机械式自动变速电动闸阀 

技术领域

本发明涉及一种电动闸阀，特别是一种利用机械传动与控制方式实现自动变速的电动闸阀，可用于石油化工、造纸、电力、水处理、给排水等工业部门对管道中的介质进行调节、接通和截断。 

背景技术

电动闸阀主要由电动执行机构、阀杆、闸板、阀盖、阀座组成。电动执行机构包含有交流电机以及减速装置，减速装置通常采用齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构等。阀杆穿过阀盖，一端旋入减速装置，另一端连接闸板。闸板封装在阀座内。阀盖连接于电动执行机构和阀座之间，盖在阀座上，起支撑作用，并可对闸板限位。阀座安装接入管道中。电动闸阀工作时，交流电机经过减速装置将运动和动力传给阀杆，阀杆带动闸板沿管道通路中心线的垂直方向往复移动，管道中的介质随闸板开度大小以相应的流量流经阀座，闸阀通过闸板的开启和关闭调节、接通和截断流经管道中的介质。传统的电动闸阀在开启和关闭过程中，大多只能实现单速动作或手动变速，不能根据载荷大小自动改变行程快慢，工作效率低。目前，国内外已出现有少量机电式以及液压式自动变速电动闸阀相关技术与产品，如德国DREHMO公司的EMG-DREHMO-Standard、EMG-DREHMO-Matic C、EMG-DREHMO-i-Matic等电控闸阀，可实现两档或多档自动变速。但是，机电式自动变速电动闸阀需要复杂的检测和控制系统，成本高，而且电气元件对工作环境要求较严格，而液压式自动变速电动闸阀需要建立相应的液压系统，结构庞杂笨拙，占用空间大，安装、使用不便，成本也较高，且液压元件对抗腐蚀、耐压和密封性能有很高的要求。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，解决传统电动闸阀不能实现自动变速，工作效率低，以及目前的机电式和液压式自动变速电动闸阀结构复杂，元器件性能要求高，安装调节不方便等技术问题，而提供一种机械式自动变速电动闸阀。 

本发明所涉及的机械式自动变速电动闸阀，采用机械传动与控制方式传递运动和动力，能够根据载荷大小进行两档自动变速，实现小载荷快行程以及大载荷慢行程的工作状况，本发明所涉及的机械式自动变速电动闸阀包括蜗杆2、蜗轮套3、螺母套4、螺杆5、阀杆6、调节螺钉7、紧固螺母8、弹簧9、钢球座10、钢球11，双列圆锥滚子轴承12、圆螺母13、圆螺母垫圈14、1号深沟球轴承15、2号深沟球轴承16、弹性挡圈17、端盖24、垫片25、上箱体28、下箱体29、阀盖30、闸板31，其特征在于：所述蜗轮套3轮毂为套筒形，具有一轴向内圆通孔，该轴向内圆通孔与蜗轮套3同心，其孔壁上加工有沿轴向的直通键槽，蜗轮套3轴段为三段阶梯式，与所述蜗杆2啮合的一端是其最大外径轴段，该轴段外圆面上加工有蜗轮轮齿，蜗轮套3中间轴段是一轴肩，与蜗轮套3轴肩相接且未与蜗杆2啮合的一端是蜗轮套3最小外径轴段，蜗轮套3最小外径轴段穿过下箱体29的主孔，并在其外圆面两端分别套有1号深沟球轴承15、2号深沟球轴承16；所述下箱体29主孔是直通的内圆孔，由分别位于两端的两个轴承座孔以及一个中间孔组成，三孔同心且中心线垂直于下箱体29与上箱体28的结合面，下箱体29主孔的中间孔直径大于蜗轮套3最小外径轴段外圆面直径，两个轴承座孔直径大于中间孔直径，三者形成两个止推台阶面，靠近下箱体29与上箱体28结合面的为1号轴承座孔和1号止推台阶面，靠近下箱体29与阀盖30结合面的为2号轴承座孔和2号止推台阶面，1号深沟球轴承15、2号深沟球轴承16对应安装在1号轴承座孔、2号轴承座孔中，1号止推台阶面抵住1号深沟球轴承15外圈远离蜗轮套3蜗轮轮齿的一侧，2号止推台阶面抵住2号深沟球轴承16外圈靠近蜗轮套3蜗轮轮齿的一侧，蜗轮套3的轴肩端面抵住1号深沟球轴承15内圈靠近蜗轮套3蜗轮轮齿的一侧，蜗轮套3最小直径轴段外圆 面上有一环槽，弹性挡圈17卡入此环槽中，并抵住2号深沟球轴承16内圈远离蜗轮套3蜗轮轮齿的一侧，由此，蜗轮套3安装在下箱体29中并实现轴向定位；蜗轮套3轴向内圆通孔中套有螺母套4，螺母套4为套筒形，具有一个与外圆面同心的内圆通孔，螺母套4外圆面上加工有与蜗轮套3轴向内圆通孔孔壁上的轴向直通键槽相配合的键，螺母套4内圆通孔两端均加工有传动螺纹，且两处螺纹旋向相反，螺母套4内圆通孔一端与螺杆5旋合，形成第一螺旋副，另一端与阀杆6旋合，形成第二螺旋副；螺杆5为五段式阶梯轴，螺杆5中旋入螺母套4内圆通孔的轴段处于螺杆5的末端，其外圆面上加工有传动螺纹，螺杆5中与旋入螺母套4的轴段相接的是其最大外径轴段，螺杆5最大外径轴段外圆面上加工有两处相同且沿此轴段周向均匀分布的轴向直通V型槽，螺杆5中远离与螺母套4旋合的轴段并与最大外径轴段相接的是一轴肩，螺杆5中远离与螺母套4旋合的轴段并与螺杆5轴肩相接的是一光滑轴段，螺杆5未旋入螺母套4的一端是一段外圆面上加工有连接螺纹的轴段，其外径比与其相接的光滑轴段略小几个毫米；螺杆5安装在上箱体28的主孔中，该主孔是直通的内圆孔，其中心线与下箱体29主孔中心线重合，上箱体28主孔由直径不同的两孔连接而成，两孔同心，连接处形成一个止推台阶面，靠近上箱体28与下箱体29结合面的孔直径较小，远离上箱体28与下箱体29结合面的孔直径较大，上箱体28主孔的小径孔与螺杆5最大外径轴段外圆面同径且形成间隙配合，上箱体28主孔的大径孔是一轴承座孔，双列圆锥滚子轴承12安装在此轴承座孔中并套在螺杆5光滑轴段的外圆面上，螺杆5中外圆面上加工有连接螺纹的轴段套有圆螺母垫圈14并旋合有圆螺母13，圆螺母13紧固住圆螺母垫圈14抵住双列圆锥滚子轴承12内圈远离螺母套4的一侧，螺杆5轴肩抵住双列圆锥滚子轴承12内圈靠近螺母套4的一侧，上箱体28主孔的止推台阶面抵住双列圆锥滚子轴承12外圈靠近螺母套4的一侧，端盖24隔着垫片25安装在上箱体28主孔的轴承座孔外端面，抵住双列圆锥滚子轴承12外圈远离螺母套4的一侧，由此，螺杆5安装在上箱体28中并实现轴向定位；阀杆6穿过阀盖30，其外圆面上加工有传动螺纹，与螺母套4内圆通孔传动螺纹旋合，阀杆6未旋入 螺母套4的一端与闸板31固结在一起；上箱体28主孔的小径孔孔壁上加工有两个形状及结构参数完全相同的内圆通孔，两个内圆通孔沿上箱体28主孔的小径孔周向均匀分布，二者中心线均垂交于上箱体28主孔中心线而平行于蜗杆2的轴线，且均处在螺杆5最大外径轴段轴向中间位置，上箱体28主孔小径孔孔壁上的内圆通孔内壁由一段光滑孔壁和一段螺纹孔壁组成，靠近上箱体28内侧的一端是一段光滑孔壁，靠近上箱体28外侧的一端是内壁加工有连接螺纹的一段螺纹孔壁；上箱体28主孔小径孔孔壁上的两个内圆通孔中均由内到外依次装有钢球11、钢球座10、弹簧9、调节螺钉7，钢球11一侧与螺杆5最大外径轴段接触，另一侧与钢球座10接触，钢球座10为轴径大小不一的两段阶梯轴结构，钢球座10大径轴段套入上箱体28主孔小径孔孔壁上的内圆通孔光滑孔壁段并与之形成间隙配合，钢球座10大径轴段端面中心位置加工有一球冠形凹槽，钢球11嵌入此球冠形凹槽中，钢球座10小径轴段外圆面上套有弹簧9，弹簧9一端与钢球座10的阶梯面接触，另一端与调节螺钉7接触，调节螺钉7的外圆面上加工有连接螺纹，旋合入上箱体28主孔小径孔孔壁上的内圆通孔的螺纹孔壁中，调节螺钉7与弹簧9接触的一端加工有一个与调节螺钉7外圆面同心的内圆盲孔，该内圆盲孔直径小于弹簧9内径，并与钢球座10小径轴段外圆面同径且形成间隙配合，弹簧9与调节螺钉7此端的环形端面接触，钢球座10小径轴段穿过弹簧9套入调节螺钉7的内圆盲孔中，调节螺钉7未旋入上箱体28中的连接螺纹上旋有紧固螺母8，紧固螺母8对调节螺钉7起紧固防松作用，调节螺钉7未与弹簧9接触的一端是一个四方头螺钉帽，拧动调节螺钉7的四方头螺钉帽，调节螺钉7旋入上箱体28的旋合长度被改变，弹簧9的压缩量相应地得到调节，钢球11以相应的压力压入螺杆5最大外径轴段。 

本发明所提供的机械式自动变速电动闸阀，能随载荷大小的变化进行自动调节与控制，进行两档自动变速，实现轻载快速启闭与重载慢速启闭的自动动作，具有高的工作效率，且结构简单紧凑，体积小，易加工制造，成本低，无需测力或测力矩传感器及复杂的控制系统，安装、运行方便灵活，易于调节。 

附图说明

图1为机械式自动变速电动闸阀主视图。 

图2为机械式自动变速电动闸阀俯视图。 

图3为机械式自动变速电动闸阀左视图。 

图4为机械式自动变速电动闸阀后视图。 

图5是机械式自动变速电动闸阀的A-A剖视结构图。 

图6是机械式自动变速电动闸阀的B-B剖视结构图。 

图7是机械式自动变速电动闸阀的C-C剖视结构图。 

图8为闸阀开启和关闭过程中的载荷曲线示意图。 

图1至图7中，各标号含义如下：1——交流电机、2——蜗杆、3——蜗轮套、4——螺母套、5——螺杆、6——阀杆、7——调节螺钉、8——紧固螺母、9——弹簧、10——钢球座、11——钢球、12——双列圆锥滚子轴承、13——圆螺母、14——圆螺母垫圈、15——1号深沟球轴承、16——2号深沟球轴承、17——弹性挡圈、18——3号深沟球轴承、19——4号深沟球轴承、20——轴承止推盖、21——电机连接螺钉、22——箱体连接螺栓、23——箱体连接螺母、24——端盖、25——垫片、26——端盖连接螺钉、27——定位销、28——上箱体、29——下箱体、30——阀盖、31——闸板、32——阀座。 

图8中S表示闸板31开度，单位mm；Q表示闸阀载荷，即开启力和关闭力，单位N；Q_m为闸阀最大载荷，单位N；H为闸板31最大开度值，即闸阀最大行程，单位mm。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的原理和工作过程进行进一步说明。实施例的机械式自动变速电动闸阀结构组成如附图中的图1～图7所示，其规格要求为最大载荷Q_m＝6000N，最大行程H＝60mm。 

实施例的机械式自动变速电动闸阀包括交流电机1、蜗杆2、蜗轮套3、螺母套4、螺杆5、阀杆6、调节螺钉7、紧固螺母8、弹簧9、钢球座10、钢球11、双列圆锥滚子轴承12、圆螺母13、圆螺母垫圈14、1号深沟球轴承15、2号深沟球轴承16、弹性挡圈17、3号深沟球轴承18、4号深沟球轴承19、轴承止推盖20、电机连接螺钉21、箱体连接螺栓22、箱体连接螺母23、端盖24、垫片25、端盖连接螺钉26、定位销27、上箱体28、下箱体29、阀盖30、闸板31和阀座32。 

图1为机械式自动变速电动闸阀主视图。上箱体28与下箱体29连接，下箱体29未与上箱体28连接的一端与阀盖30连接，阀盖30未与下箱体29连接的一端与阀座32连接，上述三处结合面的连接紧固均通过箱体连接螺栓22和箱体连接螺母23实现。图1所示电动闸阀可假定在竖直平面内工作。闸板31沿竖直方向上下移动完成开启和关闭的任务，并克服垂直方向的载荷，整个闸阀沿竖直方向立式布置。闸阀在图1中正处在完全关闭的初始状态。交流电机1驱动闸板31向上移动，闸阀开启；交流电机1驱动闸板31向下移动，闸阀关闭。 

图2显示了机械式自动变速电动闸阀俯视外形图。 

图3为机械式自动变速电动闸阀左视图。上箱体28与下箱体29之间采用定位销27进行定位。 

图4显示了机械式自动变速电动闸阀后视外形图。交流电机1通过电机连接螺钉21安装在上箱体28以及下箱体29上。上箱体28与下箱体29结合处形成两个分离式轴承座孔。 

图5是机械式自动变速电动闸阀的A-A剖视结构图。调节螺钉7旋入上箱体28中并压缩弹簧9使其压紧钢球座10，钢球座10支承钢球11并将其压入螺杆5。紧固螺母8旋在调节螺钉7未旋入上箱体28中的连接螺纹上，对调节螺钉7起紧固防松作用。 

图6是机械式自动变速电动闸阀的B-B剖视结构图。交流电机1通过电机连接螺钉21安装在上箱体28以及下箱体29上，交流电机1的输出轴套入蜗杆2中，蜗杆2与蜗轮套3啮合形成蜗轮蜗杆传动，蜗杆2通过3号深沟球轴承18、4号深沟球轴承19以及轴承止推盖20安装在上箱体28与下箱体29中并实现轴向定位，3号深沟球轴承18、4号深沟球轴承19分别安装在上箱体28与下箱体29结合处形成的两个分离式轴承座孔中。 

图7是机械式自动变速电动闸阀的C-C剖视结构图。蜗轮套3轴向内圆通孔孔壁上加工有沿轴向的直通键槽，螺母套4外圆面上加工有与蜗轮套3轴向内圆通孔孔壁上的轴向直通键槽相配合的键，蜗轮套3与螺母套4之间采用花键联结形式。 

本发明所提供的机械式自动变速电动闸阀工作原理及工作过程如下。闸阀开启与关闭过程中，所需开启力及关闭力的大小随闸板31的开度而变化，与其近似成反比，即闸板31开度愈大，流经阀座32的介质与其接触的面积愈少，闸板31所受阻力愈小，闸阀所需开启及关闭力愈小。闸阀开启和关闭力特性如图8所示。电动闸阀工作时，交流电机1驱动蜗杆2旋转，蜗杆2通过蜗轮蜗杆传动方式带动蜗轮套3转动，蜗轮套3通过键联结方式带动螺母套4转动。螺母套4、螺杆5、阀杆6通过螺旋传动方式使闸板31沿螺母套4轴线方向在阀座32中作往复直线移动。当闸阀克服一定的载荷Q开启和关闭时，载荷方向与闸板31的移动方向相反，阀杆6和螺母套4上会承受相应的轴向力，此轴向力在螺母套4与螺杆5以及螺母套4与阀杆6之间产生相对转动或者具有相对转动趋势时分别使第一螺旋副、第二螺旋副中对应形成扭转力矩M₁、M₂。M₁、M₂均阻碍螺母套4转动，分别驱动螺杆5和阀杆6转动。另一方面，钢球11以一定的压力压入螺杆5最大外径轴段。当螺杆5转动到某一位置时，螺杆5最大外径轴段外圆面上的两处轴向直通V型槽正好与上箱体28主孔小径孔孔壁上的两个内圆通孔相互对准，两个钢球11同时对应卡入螺杆5的两处V型槽中，共同产生阻碍螺杆5转动的合力矩M_Z。在闸阀开启的初始阶段，由于载荷Q较大，M₁＞M_Z，钢球11沿螺杆5的V型槽斜面退出至螺杆5外圆面，在螺杆5外圆面上滚动，螺母套4带动螺杆5一同绕自身轴线转动，螺母套4仅与阀杆6产生相对转动，此时第一螺旋副不动作，第二螺旋副动作，形成单级螺旋传动，阀杆6的移动速度就是阀杆6本身相对螺母套4的移动速度，闸阀以单级螺旋传动方式低速开启；随着闸板31开度加大，载荷Q逐渐减小，当M₁≤M_Z时， 钢球11卡在螺杆5的V型槽中不会滚出，螺杆5被钢球11卡住无法转动，螺杆5静止，螺母套4相对螺杆5绕自身轴线转动，同时，螺母套4也与阀杆6产生相对转动，第一螺旋副和第二螺旋副同时动作，形成复式螺旋传动，一方面，螺母套4通过第一螺旋副传动沿螺杆5轴向移动，另一方面，螺母套4通过第二螺旋副传动与阀杆6产生轴向相对移动，第一螺旋副和第二螺旋副的螺纹旋向相反，此时阀杆6的移动速度为螺母套4相对螺杆5移动的速度和阀杆6相对螺母套4移动速度的迭加，闸阀以复式螺旋传动方式快速开启。闸阀关闭过程与开启过程的载荷变化相反，即载荷由小至大而变化，其自动变速原理相同。 

第一、二螺旋副产生的扭转力矩M₁、M₂的大小可分别按下面式(1)和式(2)予以确定。 

式(1)中，M₁为第一螺旋副产生的扭转力矩，单位N·mm；d₁′为第一螺旋副的螺纹中径，单位mm；Q为闸阀载荷，单位N；λ₁为第一螺旋副的螺纹螺旋升角，单位为度，  ${\mathrm{\λ}}_1=\arctan \left(\frac{S_1}{\mathrm{\π}{d_1}^{\′}}\right),$ 其中S₁为第一螺旋副的螺纹导程，单位mm； 

为第一螺旋副的螺旋摩擦角，单位为度， 

其中f₁为第一螺旋副的螺旋摩擦系数。 

式(2)中，M₂为第二螺旋副产生的扭转力矩，单位N·mm；d₂′为第二螺旋副的螺纹中径，单位mm；Q的含义同式(1)；λ₂为第二螺旋副的螺纹螺旋升角，单位为度，  ${\mathrm{\λ}}_2=\arctan \left(\frac{S_2}{\mathrm{\π}{d_2}^{\′}}\right),$ 其中S₂为第二螺旋副的螺纹导程，单位mm； 

为第二螺旋副的螺旋摩擦角，单位为度， 

其中f₂为第二螺旋副的螺旋摩擦系数。 

螺杆5绕自身轴线转动或者具有转动趋势时，卡入螺杆5两处V型槽中的每一钢球11均产生一个阻碍螺杆5绕自身轴线转动的力矩，其大小可以通过调节螺钉7改变弹簧9的压缩量进行设定和调节。实际应用中，一般将两个弹簧9的压缩量调成一致，使每一个弹簧9的 压紧力F相同。下式(3)中的M_Z就是在弹簧9压紧力F调成一致的情况下所计算出的两个钢球11对螺杆5产生的阻碍力矩的迭加值。 

$M_Z=F{R}_{m}z/[(1+\frac{3{\mathrm{\μ}}_{1}d}{\mathrm{\πd}}\tan (\mathrm{\α}-\mathrm{\ρ}))-\frac{3{\mathrm{\μ}}_1}{\mathrm{\π}}(2+\frac{d}{l\tan \mathrm{\α}})]......\left(3\right)$

式(3)中，M_Z为钢球11对螺杆5产生的阻碍力矩，单位N·mm；F为弹簧9的压紧力，单位N；R_m为工作面平均半径，即钢球11与螺杆5的轴向直通V型槽斜面接触点到螺杆5轴线的平均距离，单位mm；z为钢球11的数量，此处z＝2；μ₁为滑键式钢球摩擦因数，即钢球11与钢球座10球冠形凹槽槽面之间的摩擦因数，一般取μ₁＝0.15～0.17；d为钢球座10大径轴段直径，单位mm；l为钢球座10大径轴段长度，单位mm；α为工作面倾斜角，即V型槽斜面与上箱体28主孔小径孔孔壁上的内圆通孔中心线之间的夹角，单位为度，钢珠对牙，通常取α＝30°～45°；ρ为工作面摩擦角，即与钢球11接触的螺杆5轴向直通V型槽斜面的摩擦角，单位为度，ρ＝arctanμ，其中μ为工作面摩擦因数，常取μ≈0.1。 

根据设定的第一螺旋副的螺纹导程为S₁，第二螺旋副的螺纹导程为S₂，可推知：M₁≤M_Z时，螺母套4每转一周，阀杆6产生位移S₁+S₂；M₁＞M_Z时，螺母套4每转一周，阀杆6只产生位移S₂。若螺母套4的转速为n₄，则阀杆6移动速度对应地分别为v_h＝(S₁+S₂)n₄和v_l＝S₂n₄ 。 

实施例的机械式自动变速电动闸阀具体结构尺寸及参数计算选取如下。 

交流电机1的额定功率P_e＝60W，额定转速n_e＝720rpm。 

蜗杆2和蜗轮套3的传动中心距a＝60mm；蜗杆2的头数Z₂＝2，模数m₂＝2mm，分度圆直径d₂＝22.4mm，直径系数q＝11.2，蜗杆顶径d_a2＝26.4mm，蜗杆根径d_f2＝17.6mm，导程角γ₂＝10°07′29″。 

蜗轮套3的齿数Z₃＝48，m₃＝2mm。 

螺母套4与螺杆5旋合处的螺纹长为20mm，与阀杆6旋合处的螺纹长为30mm，总长度 为80mm。 

螺母套4与蜗轮套3之间花键联结的花键外径为φ46mm，内径为φ40mm，键数为六个，沿螺母套4外圆表面周向均布，每一键宽为8mm。 

钢球11的数量z＝2，钢球11的公称直径d₁₁＝8mm。 

钢球座10大径轴段长度l＝6mm，大径轴段直径为d＝13mm，小径轴段长度为28mm，小径轴段直径为φ8mm。 

弹簧9直径d₉＝1.6mm，中径d₉′＝10mm，外径D₉＝12mm，弹簧9节距t＝3.9mm，自由长度H₀＝26.6mm，有效圈数n₉＝6，总圈数n₉′＝8。 

紧固螺母8的规格为GB/T 6170 M14，厚度取B₈＝12mm。 

调节螺钉7的螺纹规格为M14，螺纹长度为24mm，调节螺钉7的内圆盲孔尺寸为φ8×14mm，四方头螺钉帽尺寸为8×8×3mm。 

双列圆锥滚子轴承12的规格型号为31350型圆锥滚子轴承，尺寸参数d₁₂＝25mm，D₁₂＝62mm，T＝18.25mm，其基本额定载荷C_r＝40.5KN，C_o＝46.0KN。 

1号深沟球轴承15以及2号深沟球轴承16规格型号为6012型深沟球轴承，其基本额定载荷C_r＝16.5KN，C_o＝15.0KN。 

3号深沟球轴承18以及4号深沟球轴承19规格型号为61900型深沟球轴承，其基本额定载荷C_r＝3.30KN，C_o＝1.40KN。 

圆螺母13规格型号为螺母GB/T 6170 M24；圆螺母垫圈14规格型号为垫圈GB/T 848 24。 

弹性挡圈17尺寸参数为外径D₁₇＝66mm、内径d₁₇＝56mm、厚度B₁₇＝3mm。 

箱体连接螺栓22、箱体连接螺母23的规格型号为螺栓GB/T 5783 M5×16。 

定位销27的规格型号为销GB/T 119.2 3×8。 

选取工作面平均半径R_m＝25mm，钢球11与钢球座10球冠形凹槽槽面之间的摩擦因数 μ₁＝0.17，工作面倾斜角α＝45°，螺杆5最大外径轴段外圆面上的轴向直通V型槽与钢球11接触的斜面的摩擦角ρ＝5°。 

闸阀轻载快速和重载慢速启闭速度之间的关系与第一、二螺旋副的螺纹螺距有关。为适当加大快慢速的区别，选取第一、二螺旋副参数如下：第一螺旋副的螺纹大径D₁＝24mm，螺距P₁＝3mm，单头，则导程S₁＝3mm，螺纹中径d₁′＝22.052mm，螺纹小径d₁＝20.753mm，螺旋摩擦系数f₁＝0.1，螺旋摩擦角 

螺旋升角 

第二螺旋副的螺纹大径D₂＝24mm，螺距P₂＝2mm，单头，则导程S₂＝2mm，螺纹中径d₂′＝22.701mm，螺纹小径d₂＝21.835mm，螺旋摩擦系数f₂＝0.1，螺旋摩擦角 

螺旋升角 

闸阀轻载快速和重载慢速对应的闸板31启闭速度分别为v_h＝(S₁+S₂)n₆＝2.5mm/s以及v_l＝S₂n₆＝1mm/s。 

闸阀载荷最大时，第一螺旋副可产生的扭转力矩 

第二螺旋副产生的扭转力矩 

闸阀轻载快速与重载慢速启闭过程中所需驱动功率应尽量接近，且通过两档自动变速后闸阀开启或关闭的整个过程所耗时间应明显缩短。根据如图8所示的闸阀载荷特性，选取Q＝0.65Q_m时为变速点，即载荷Q≤0.65Q_m时，闸阀以v_h＝2.5mm/s快速启闭，载荷Q＞0.65Q_m时，闸阀以v_l＝1mm/s慢速启闭。钢球11对第一螺旋副中的螺杆5产生的阻碍力矩相应地设置为M_Z＝0.65M_1m＝6.19N·m。 

闸阀轻载快速行程为最大行程的三分之二，即 

重载慢速行程为最大行程的三分之一，即 

闸阀开启或关闭的行程总时间 $T=\frac{H/3}{v_l}+\frac{2H/3}{v_h}=36s.$

通过以上具体实施案例可以看出，本发明的机械式自动变速电动闸阀结构简单紧凑，占用空间小，工作效率更高。 

表1本发明的实施例闸阀与其它闸阀的性能参数比较 

Claims (1)

1.一种机械式自动变速电动闸阀，包括蜗杆(2)、蜗轮套(3)、螺母套(4)、螺杆(5)、阀杆(6)、调节螺钉(7)、紧固螺母(8)、弹簧(9)、钢球座(10)、钢球(11)，双列圆锥滚子轴承(12)、1号深沟球轴承(15)、2号深沟球轴承(16)、弹性挡圈(17)、端盖(24)、垫片(25)、上箱体(28)、下箱体(29)、阀盖(30)、闸板(31)，其特征在于：所述蜗轮套(3)轮毂为套筒形，具有一轴向内圆通孔，该轴向内圆通孔与蜗轮套(3)同心，其孔壁上加工有沿轴向的直通键槽，蜗轮套(3)轴段为三段阶梯式，与所述蜗杆(2)啮合的一端是其最大外径轴段，该轴段外圆面上加工有蜗轮轮齿，蜗轮套(3)中间轴段是一轴肩，与蜗轮套(3)轴肩相接且未与蜗杆(2)啮合的一端是蜗轮套(3)最小外径轴段，蜗轮套(3)最小外径轴段穿过下箱体(29)的主孔，并在其外圆面两端分别套有1号深沟球轴承(15)、2号深沟球轴承(16)；所述下箱体(29)主孔是直通的内圆孔，由分别位于两端的两个轴承座孔以及一个中间孔组成，三孔同心且中心线垂直于下箱体(29)与上箱体(28)的结合面，下箱体(29)主孔的中间孔直径大于蜗轮套(3)最小外径轴段外圆面直径，两个轴承座孔直径大于中间孔直径，三者形成两个止推台阶面，靠近下箱体(29)与上箱体(28)结合面的为1号轴承座孔和1号止推台阶面，靠近下箱体(29)与阀盖(30)结合面的为2号轴承座孔和2号止推台阶面，1号深沟球轴承(15)、2号深沟球轴承(16)对应安装在1号轴承座孔、2号轴承座孔中，1号止推台阶面抵住1号深沟球轴承(15)外圈远离蜗轮套(3)蜗轮轮齿的一侧，2号止推台阶面抵住2号深沟球轴承(16)外圈靠近蜗轮套(3)蜗轮轮齿的一侧，蜗轮套(3)的轴肩端面抵住1号深沟球轴承(15)内圈靠近蜗轮套(3)蜗轮轮齿的一侧，蜗轮套(3)最小直径轴段外圆面上有一环槽，弹性挡圈(17)卡入此环槽中，并抵住2号深沟球轴承(16)内圈远离蜗轮套(3)蜗轮轮齿的一侧，由此，蜗轮套(3)安装在下箱体(29)中并实现轴向定位；蜗轮套(3)轴向内圆通孔中套有螺母套(4)，螺母套(4)为套筒形，具有一个与外圆面同心的内圆通孔，螺母套(4)外圆面上加工有与蜗轮套(3)轴向内圆通孔孔壁上的轴向直通键槽相配合的键，螺母套(4)内圆通孔两端均加工有传动螺 纹，且两处螺纹旋向相反，螺母套(4)内圆通孔一端与螺杆(5)旋合，形成第一螺旋副，另一端与阀杆(6)旋合，形成第二螺旋副；螺杆(5)为五段式阶梯轴，螺杆(5)中旋入螺母套(4)内圆通孔的轴段处于螺杆(5)的末端，其外圆面上加工有传动螺纹，螺杆(5)中与旋入螺母套(4)的轴段相接的是其最大外径轴段，螺杆(5)最大外径轴段外圆面上加工有两处相同且沿此轴段周向均匀分布的轴向直通V型槽，螺杆(5)中远离与螺母套(4)旋合的轴段并与最大外径轴段相接的是一轴肩，螺杆(5)中远离与螺母套(4)旋合的轴段并与螺杆(5)轴肩相接的是一光滑轴段，螺杆(5)未旋入螺母套(4)的一端是一段外圆面上加工有连接螺纹的轴段，其外径比与其相接的光滑轴段略小；螺杆(5)安装在上箱体(28)的主孔中，该主孔是直通的内圆孔，其中心线与下箱体(29)主孔中心线重合，上箱体(28)主孔由直径不同的两孔连接而成，两孔同心，连接处形成一个止推台阶面，靠近上箱体(28)与下箱体(29)结合面的孔直径较小，远离上箱体(28)与下箱体(29)结合面的孔直径较大，上箱体(28)主孔的小径孔与螺杆(5)最大外径轴段外圆面同径且形成间隙配合，上箱体(28)主孔的大径孔是一轴承座孔，双列圆锥滚子轴承(12)安装在此轴承座孔中并套在螺杆(5)光滑轴段的外圆面上，螺杆(5)中外圆面上加工有连接螺纹的轴段套有圆螺母垫圈(14)并旋合有圆螺母(13)，圆螺母(13)紧固住圆螺母垫圈(14)抵住双列圆锥滚子轴承(12)内圈远离螺母套(4)的一侧，螺杆(5)轴肩抵住双列圆锥滚子轴承(12)内圈靠近螺母套(4)的一侧，上箱体(28)主孔的止推台阶面抵住双列圆锥滚子轴承(12)外圈靠近螺母套(4)的一侧，端盖(24)隔着垫片(25)安装在上箱体(28)主孔的轴承座孔外端面，抵住双列圆锥滚子轴承(12)外圈远离螺母套(4)的一侧，由此，螺杆(5)安装在上箱体(28)中并实现轴向定位；阀杆(6)穿过阀盖(30)，其外圆面上加工有传动螺纹，与螺母套(4)内圆通孔传动螺纹旋合，阀杆(6)未旋入螺母套(4)的一端与闸板(31)固结在一起；上箱体(28)主孔的小径孔孔壁上加工有两个形状及结构参数完全相同的内圆通孔，两个内圆通孔沿上箱体(28)主孔的小径孔周向均匀分布，二者中心线均垂交于上箱体(28) 主孔中心线而平行于蜗杆(2)的轴线，且均处在螺杆(5)最大外径轴段轴向中间位置，上箱体(28)主孔小径孔孔壁上的内圆通孔内壁由一段光滑孔壁和一段螺纹孔壁组成，靠近上箱体(28)内侧的一端是一段光滑孔壁，靠近上箱体(28)外侧的一端是内壁加工有连接螺纹的一段螺纹孔壁；上箱体(28)主孔小径孔孔壁上的两个内圆通孔中均由内到外依次装有钢球(11)、钢球座(10)、弹簧(9)、调节螺钉(7)，钢球(11)一侧与螺杆(5)最大外径轴段接触，另一侧与钢球座(10)接触，钢球座(10)为轴径大小不一的两段阶梯轴结构，钢球座(10)大径轴段套入上箱体(28)主孔小径孔孔壁上的内圆通孔光滑孔壁段并与之形成间隙配合，钢球座(10)大径轴段端面中心位置加工有一球冠形凹槽，钢球(11)嵌入此球冠形凹槽中，钢球座(10)小径轴段外圆面上套有弹簧(9)，弹簧(9)一端与钢球座(10)的阶梯面接触，另一端与调节螺钉(7)接触，调节螺钉(7)的外圆面上加工有连接螺纹，旋合入上箱体(28)主孔小径孔孔壁上的内圆通孔的螺纹孔壁中，调节螺钉(7)与弹簧(9)接触的一端加工有一个与调节螺钉(7)外圆面同心的内圆盲孔，该内圆盲孔直径小于弹簧(9)内径，并与钢球座(10)小径轴段外圆面同径且形成间隙配合，弹簧(9)与调节螺钉(7)此端的环形端面接触，钢球座(10)小径轴段穿过弹簧(9)套入调节螺钉(7)的内圆盲孔中，调节螺钉(7)未旋入上箱体(28)中的连接螺纹上旋有紧固螺母(8)，紧固螺母(8)对调节螺钉(7)起紧固防松作用，调节螺钉(7)未与弹簧(9)接触的一端是一个四方头螺钉帽，拧动调节螺钉(7)的四方头螺钉帽，调节螺钉(7)旋入上箱体(28)的旋合长度被改变，弹簧(9)的压缩量相应地得到调节，钢球(11)以相应的压力压入螺杆(5)最大外径轴段。 

Images