CN104110413B - 一种阀副结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种阀副结构，在阀体的连接通道的内壁上设有一圈连接部，该连接部与球形阀芯的外表面贴合密封，形成一种阀副结构，该阀副结构的灵敏性、密封性、可靠性及耐用性能都相对现有技术有所提高，可满足常压、高压、超高压甚至超超高压液压系统成套设备的实际需求和技术要求。

Description

一种阀副结构

技术领域

本申请涉及一种阀副结构，尤其是涉及一种球形阀芯的阀副结构。

背景技术

控制阀类是液压系统主要原器件之一，控制阀主要分为电磁阀、手动阀、机械阀、电动阀等几大类，其中电磁阀以其结构简单、动作灵敏、成本较低、操作方便等优势在控制阀类中占据主要地位。本申请也主要以电磁控制阀来进行论述、比较及举例。

电磁阀是用电磁力进行控制的工业装置，是用来控制流体流向的自动化基础元件，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，大体分为三类：方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、换向阀、溢流阀、减压阀、顺序阀、节流阀、调速阀、液控单向阀和比例溢流阀等。

阀芯是电磁阀的组成零部件，阀体借助阀芯的移动来实现方向控制、压力控制或流量控制等基本功能。阀芯按照形状不同可分为球形(球阀)、圆锥形(旋塞)、圆饼形(蝶阀和闸阀)、圆盖型(截止阀和止回阀)、圆柱形(换向阀)等，而球形阀芯实际应用排在首位，在液压系统中扮演着重要角色。

如图1和2，采用球形阀芯的阀副结构中，阀体具有流体介质进出的通道，通道具有第一级通道21和直径小于第一级通道21的第二级通道22，第一级通道21与第二级通道22的连接处具有用于过渡的连接通道，连接通道有端面圆孔23a和锥形孔23b等方式。当阀体内通道处于关闭状态时，要求球形阀芯1与连接通道之间密封配合，现有是通过球形阀芯1与阀座的端面圆孔23a和锥形孔23b配合进行密封，即利用球形阀芯1的圆环面与阀座端面圆孔23a和锥形孔23b相应的直径断面圆之间形成的圆弧重合线来达到密封效果的，球形阀芯1和阀体组成阀副结构。

这种阀副结构虽简单、灵敏、使用方便，但由于球形阀芯1与阀座的端面圆或圆锥孔之间是一个线性密封，在电磁阀中密封效果是有限的，抗压差能力不佳，尤其是在高压、超高压甚至超超高压液压系统中使用时，泄漏非常严重。

发明内容

本申请提供一种阀副结构。

基于以上目的，本申请提供一种阀副结构,包括：

球形阀芯；

以及阀体，所述阀体具有流体介质进出的通道，所述通道具有第一级通道和直径小于第一级通道的第二级通道，所述第一级通道与第二级通道之间具有用于过渡的连接通道；

所述连接通道的内壁具有球面形的连接部，所述连接部能够与球形阀芯的外表面相互贴合形成密封接触。

作为所述阀副结构的进一步改进，所述连接部沿流体介质进出方向的截面线为弧形，所述弧形与球形阀芯相适配，所述弧形对应弦的最大凹陷深度取值范围为0.2-2mm。

作为所述阀副结构的进一步改进，所述连接通道为锥形，所述连接部设置于锥形连接通道的内壁上。

作为所述阀副结构的进一步改进，所述通道还包括第三级通道，所述第三级通道直径小于第二级通道，所述第三级通道衔接于第二级通道之后，所述球形阀芯为第一球形阀芯和第二球形阀芯，所述第一球形阀芯置于第一级通道与第二级通道之间的连接通道内，所述第二球形阀芯置于第三级通道和第二级通道之间的连接通道内。

作为所述阀副结构的进一步改进，所述球形阀芯采用特陶材料制成，所述阀体采用合金钢或特种不锈钢制成。

作为所述阀副结构的进一步改进，所述球形阀芯采用以下方式制成：

将特陶原料经干压成型工艺制得坯体；

对坯体进行烧结成型；

对烧结后的坯体进行粗磨和精磨加工。

作为所述阀副结构的进一步改进，制作球形阀芯的步骤还包括：对坯体进行等静压成型处理、压注成型处理或高压注射成型处理。

作为所述阀副结构的进一步改进，采用加热炉进行烧结，烧结温度取值范围为1350-2000℃。

作为所述阀副结构的进一步改进，所述连接部由以下方法制成：使球形阀芯挤压对应阀体内壁制成球面形的连接部，所述连接部与用于挤压的球形阀芯形状相适配。

作为所述阀副结构的进一步改进，采用压机提供压力，所述压力使球形阀芯和连接通道的内壁压紧并形成球面形的连接部。

本申请所提供的阀副结构中，在阀体的连接通道的内壁上设有一圈球面形的连接部，该连接部与球形阀芯的外表面贴合密封，形成一种阀副结构，该阀副结构的灵敏性、密封性、可靠性及耐用性能都相对现有技术有所提高，可满足常压、高压、超高压甚至超超高压液压系统成套设备的实际需求和技术要求。

附图说明

图1为球形阀芯与端面圆密封配合一种实施例的结构剖视图；

图2为球形阀芯与锥形孔密封配合一种实施例的结构剖视图；

图3为本申请阀副结构一种实施例的结构剖视图；

图4为图3所示阀副结构中阀体结构剖视图；

图5为图4中A部分所示连接部纵向剖切示意图；

图6为本申请中预紧力与密封宽度L的关系曲线图；

图7为本申请中预紧力与密封面积S的关系曲线图；

图8为本申请中预紧力与平均应力P的关系曲线图；

图9为本申请阀副结构另一种实施例的结构示意图；

图10为图8所示阀副机构中阀体的结构示意图；

图11为本申请阀副结构再一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚透彻的理解。

为更好的理解本申请，现对以下定义解释如下：

本申请将电磁换向阀液压系统中工作压力小于35Mpa定义为常压，35Mpa-63Mpa(含35Mpa，不含63Mpa)定义为次高压，63-100Mpa(含63Mpa，不含100Mpa)定义为高压，将100Mpa-400Mpa(含100Mpa,不含400Mpa)定义为超高压，将400Mpa(含400Mpa)以上称作超超高压。

实施例一

请参考图1，本实施例一所提供的阀副结构，其包括球形阀芯1和阀体2。

阀体2具有流体介质进出的通道，通道具有第一级通道21和直径小于第一级通道21的第二级通道22，第一级通道21与第二级通道22之间具有连接通道23c。本实施例所示连接通道23c为锥形孔，使第一级通道21过渡到第二级通道22之中。

请参考图3-5，连接通道23c为锥形，锥形内壁231上具有一圈球面形的连接部232，球形阀芯1容置于内壁231内，连接部232与球形阀芯1的外表面相互贴合形成密封。连接部纵向(即流体介质进出方向)截面上的弧线(即图5中232a所示的弧线)的曲率半径与球形阀芯1的半径相同。

连接部232宽度与球形阀芯的大小有关，如图5所示，连接部在纵向(即流体介质进出方向)上的截面为一段弧232a，该弧是以O点为圆心(当球形阀芯位于连接部内时，该圆心O与球形阀芯的圆心重合)的圆上的一段弧，该弧对应的圆心角α所对应弦232b最大凹陷深度取值范围为0.2-2mm。

所示连接部可由以下方法制成，方法包括：

连接部232可选择球形阀芯1挤压连接通道内壁而制成。

具体地，对球形阀芯1施以预紧力，使球形阀芯1抵压连接通道23c上的锥形内壁231，形成与球形阀芯1外表面相贴合的连接部232。

其中，球形阀芯1材料的硬度高于阀体2锥面结构231材料的硬度，例如球形阀芯1采用特陶材料(又称为特种陶瓷、精细陶瓷)制成，该特陶材料可采用现有高精度(圆度10G以上)，高硬度和高韧性特陶瓷球，或者，在其他实施例中，球形阀芯1也可以采用硬质合金等球形阀芯材料，阀体2则相应采用硬度较低的材料制成。在球形阀芯1选用特陶材料时，阀体2采用合金钢或特种不锈钢制成。

球形阀芯1也可通过以下方法制成：

首先，将特陶原料，如氧化铝、氧化锆、氮化硅或碳化硅等粉料经干压成型工艺(或又称为模压成型，一种金属粉末和陶瓷粉末的成型方法，将干粉坯料填充入金属模腔中，施以压力使其成为致密坯体)或挤压成型工艺(将混好的特陶原料放入挤压机中的挤压成型)制得坯体。

然后，将坯体进行静压处理，使坯体密度强度增强，性能增强。

静压处理具体可采用等静压成型，其特点在于坯件四周受力均匀，只要容器容积和压力容许，可较大批量生产。等静压成型包括，以干压成型或挤压成型制得特陶生坯，生坯加装柔性套模后一道放入等静压高压容器中，容器中充满水、油等压力传递介质，1-5分钟内加压到100-200Mpa，保压2-6分钟，1-3分钟泄压完成后出件去套模。

当然，还可采用压注成型、高压注射成型等方式代替等静压成型。

然后，对坯体进行烧结(1350-2000℃)，本实施例采用空气箱式炉进行烧结，将坯体放置于空气箱式炉内，空气箱式炉内烧结温度设置为1350-2000℃(包括1350℃和2000℃)，例如采用氧化硅作为原料，烧结温度可以选用1500℃；选用氮化硅作为原理，烧结温度可以选用1750℃。烧结时间设置为36-50小时(包括36小时和50小时)，例如46小时。其中，空气箱式炉也可采用其他加热炉代替，如管式、立式、环形加热炉，电磁感应加热炉等。

然后，对坯体进行粗磨，粗磨即将烧结完成冷却后的粗坯件在滚筒磨机、粗磨抛磨机内进行粗磨加工，也就是该工序磨削盘磨料较粗，主要目的是除去坯料坯缝毛刺和基本磨削到要求尺寸。

然后，对粗磨后的坯体进行抛磨机精磨。

最后，采用精密机械加工的常用工具进行检测，检测合格为成品。

而在制作连接部的过程中，具体说来，制作原理如下：

将压机作用于球形阀芯，压机大吨位超高单位压力转化为夹紧球面和锥面的预紧力，在预紧力的作用下，球表面和锥形孔内壁相互贴合、相互压缩，逐渐形成接触面。

从宏观上来看，两个面在初始接触后，即可形成一弧形的密封连接部232。但从微观上来看，金属表面都有许多不同形状的凸峰和凹谷组成，初始接触只发生在表观面积的极小部分，要实现表面接触的紧密接触，需要一个逐渐压紧和磨合的过程。根据表面接触的粘合理论，在简单载荷作用下，真正接触点上的接触应力足以产生塑性变形，形成小平面接触，直到接触面增大到承受全部载荷为止。

本申请采用的高精度、高硬度的特陶材料球形阀芯1的球面材料(特陶)屈服强度很大，难以屈服，锥面材料(合金、特种不锈钢)屈服强度较低，易于发生塑性变形。

对于接触密封而言，要保证密封的可靠性，应使球面和锥面之间的微观空隙完全消失。要达到这一效果，就要让较软材料(合金、特种不锈钢)表面整体充分发生塑性变形，这样既能让软材料表面的凸凹之处被充分压平，又能通过软材料微观塑性流动填满球面表面的微观空隙。因此，根据高压、超高压、超超高压不同压力等级，不同的球阀球面密封阀副，不同大小的通径，不同的阀体材料，合理设计专机施压的压力和施压工艺曲线，使锥形孔内壁整体充分发生塑性变形和强化。

经计算，球面与锥面压合形成的接触面是一条轴对称的斜环面(该连接部232纵向截面实际为弧形，这里为了方便计算，计算时将其展平，视为简单斜面)，连接部232区域位于锥面中间偏上部分。随着预紧力的逐渐增大，密封段宽度逐渐变宽，密封应力逐渐增大。在环向同一圆环上各点受接触应力大小相同，但在球面切向方向，各点应力有一定的变化。在密封段中点附近压力最大，在临近区域应力大小也只是略有波动，变化平缓。直到接触区域的边缘部分，接触应力骤然下降到很小。因此，密封性能依靠密封区域的除去两端外的中间区域来保证。

根据对计算结果的统计可以分别生成预紧力F和密封宽度L、密封面积S、平均应力P的对应曲线(如图6-8所示)，从图6-8可以看出，在施压的过程中，密封宽度和密封面积从零开始逐渐增大。在变化过程中，接触面积的增长速率在逐渐减缓，变化曲线逐渐趋于平缓。密封段宽度越宽，密封性能相对较好，相对较大的预紧力将有利于密封。

在很多密封结构设计方法中都将接触应力作为密封性能的评价标准，接触面压力越大，密封连接越紧密，密封性能越好。从图6-8可以看出，在预紧力施压过程中，在密封面积增大的同时，接触应力也在逐渐增大，当预紧力增加，应力P达到锥面材料屈服极限时，开始发生塑性变形。应力的增长和面积增大联合作用，能使密封性能在施压加工中快速增强。同时随预紧力增大的应力增长速度逐渐减缓，能使接触面处于相对安全的应力范围内，避免因应力过大导致本申请阀副开闭灵敏性降低。

对于球面材料来说，在施压过程和使用过程球面密封结构各部分都在承受力的作用，而球面上端面转角位置发生应力集中，本申请球面密封阀芯的设计研制及加工施压曲线的P最大值，不可能选择接近到球面材料的屈服极限，而是远小于球面材料强度极限，施压过程和使用过程整个变形都是在弹性变形范围内。而锥面部分除在接触位置附近发生塑性变形、应力较大外，其余位置应力很小，小于屈服极限强度。

综上所述，采用不同材料、大硬度差的阀芯和阀体(阀座)基材组成球面密封结构阀副，不单单在理论上有坚实依据，在实际应用也得到可靠验证。

本申请可根据不同功能用途、不同通径、不同压力等级，选择不同的球面材料和锥面材料，不同的加工施压曲线，将本申请技术应用于系列产品中。

除本实施例所示直接利用球形阀芯挤压锥形孔壁形成连接部外，还可通过其他工艺，如机械加工，在锥形孔壁上加工成连接部。

需要指出的是，本实施例所述的阀副结构及其制作方法不仅可适用于电磁换向阀，同样也可适用于手动阀、机械阀、电动阀等其他控制阀。

实施例二

请参考图9和10，本实施例二与实施例一的区别之处在于，实施例一中连接通道为锥形23c，而本实施例二所示连接通道为圆形23d，即连接部在端面圆孔结构中的一种示例。

本实施例二中，将端面圆孔23d的转折处的内壁制成一圈球面形的连接部232，使之与球形阀芯1密封配合。

需要注意的是，实施例一所示连接部及球形阀芯的制作方法同样也适用于本实施例二所示结构。

实施例三

请参考图11，本实施例三与实施例一的区别之处在于，本实施例三是将实施例一所述阀副结构组合使用。

其中，通道还包括第三级通道24，第三级通道24直径小于第二级通道22，第三级通道24衔接于第二级通道22之后，球形阀芯为第一球形阀芯11和第二球形阀芯12，第一球形阀芯11置于第一级通道21与第二级通道22之间的连接通道内，第二球形阀芯12置于第三级通道24和第二级通道22之间的连接通道，实现多级密封。

其中，第一球形阀芯11大小可大于第二球形阀芯12的大小。两球形阀芯大小也就是通径(孔径)大小之比例，决定着一次密封和二次密封的压差。大小不一样，密封的平稳性和灵活性都将更好。

在液压系统中，尤其是在400Mpa以上液压系统中，可如本实施例所述组合使用，真正意义生产出超超高压多种电磁控制阀等控制阀类，为高压、超高压甚至超超高压液压系统领域控制阀类的应用开辟了新的方法，必将推动高压、超高压甚至超超高压液压系统和液动机的大力发展。

其中组合使用并不限于本实施例三所示的两个球形阀芯，也可以是三个、四个或者更多。而且实施例一所示阀副结构和实施例二所示阀副结构也可以合并进行组合使用。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (8)

1.一种阀副结构,包括：

球形阀芯；

以及阀体，所述阀体具有流体介质进出的通道，所述通道具有第一级通道和直径小于第一级通道的第二级通道，所述第一级通道与第二级通道之间具有用于过渡的连接通道；

其特征在于，

所述连接通道的内壁具有球面形的连接部，所述连接部能够与球形阀芯的外表面相互贴合形成密封接触；

所述球形阀芯采用特陶材料制成，所述阀体采用合金钢或特种不锈钢制成；

所述球形阀芯采用以下方式制成：

将特陶原料经干压成型工艺制得坯体；

对坯体进行烧结成型；

对烧结后的坯体进行粗磨和精磨加工。

2.如权利要求1所述的阀副结构，其特征在于，所述连接部沿流体介质进出方向的截面线为弧形，所述弧形与球形阀芯相适配，所述弧形对应弦的最大凹陷深度取值范围为0.2-2mm。

3.如权利要求2所述的阀副结构，其特征在于，所述连接通道为锥形，所述连接部设置于锥形连接通道的内壁上。

4.如权利要求1所述的阀副结构，其特征在于，所述通道还包括第三级通道，所述第三级通道直径小于第二级通道，所述第三级通道衔接于第二级通道之后，所述球形阀芯为第一球形阀芯和第二球形阀芯，所述第一球形阀芯置于第一级通道与第二级通道之间的连接通道内，所述第二球形阀芯置于第三级通道和第二级通道之间的连接通道内。

5.如权利要求1所述的阀副结构，其特征在于，制作球形阀芯的步骤还包括：对坯体进行等静压成型处理、压注成型处理或高压注射成型处理。

6.如权利要求1所述的阀副结构，其特征在于，采用加热炉进行烧结，烧结温度取值范围为1350-2000℃。

7.如权利要求1所述的阀副结构，其特征在于，所述连接部由以下方法制成：使球形阀芯挤压对应阀体内壁制成球面形的连接部，所述连接部与用于挤压的球形阀芯形状相适配。

8.如权利要求7所述的阀副结构，其特征在于，采用压机提供压力，所述压力使球形阀芯和连接通道的内壁压紧并形成球面形的连接部。