CN104964054A - 流体力平衡锥面直角阀门 - Google Patents

Abstract

本发明为流体作用阀芯力平衡锥面直角阀门，流体进口与出口为90度，阀内部采用硬接触无间隙间隔密封，可实现零内漏，适用任何气体、液体，流体作用阀芯的力均平衡，可消除阀体震动，阀芯的转动力矩与流体压力无关，转动力矩小且稳定，易实现电操作，流体中的微小颗粒不易进入阀内密封表面，且阀芯具有阀芯磨损自动补偿功能，使用寿命超长，具有一种阀在不考虑阀体强度时，可在任何流体压力下正常使用，本阀即适用于通用阀门，也适用于流体压力传动的阀，本阀稍加改动可成为适合流体输送中的三通阀门，也可适用流体压力传动中的三通阀。

Description

流体力平衡锥面直角阀门

技术领域

本发明用于流体管道输送和流体压力传动中，它属于流体管道输送和流体压力传动中的元件领域。

背景技术

目前在流体管道输送中所用的阀门主要有闸阀、蝶阀、球阀三种，从压力划分，有高压阀门和低压阀门之分，这三种阀门在工作中其阀芯、阀芯转杆均受流体压力作用，由于对这种力分析与认识不足，从而导至阀门从设计上缺少理论依据，工艺上我们还缺少精尖的设备及操作人员、加工工艺、检测手段，在阀芯、阀芯转杆、密封的材料上我们同国外企业还有欠缺，目前我国企业生产的阀门，除在低压阀门基本达到了国内用户与国外不发达地区用户能接受水平，但使用一段时间，内漏、外漏普遍存在，在高压阀门国内外用户均不愿选国产，具资料显示我国2013年进口阀门200多亿元，高压阀门质量不过关，主要反映在阀的内漏和外漏、阀体震动三个方面，这说明我国在阀门制造业赶超世界先进水平还要走一段路程。

目前在使用中的蝶阀、闸阀较普遍存在阀体震动问题，一般是流体压力越大震动越剧烈，震动使密封损伤，从而产生内漏、外漏，也可损伤阀体或转杆螺纹连接，震动的存在说明我们在阀的结构设计、加工精度、配合精度等方面，一定有不足之处，物体的震动一定有力的存在，下面以闸阀为例进行力的分析，阀在工作中，流体压力除作用泵体外，还作用于闸板与转杆上，闸阀在关闭状态，闸板出口端的压力一般为大气压，若闸板与转杆固定连接，闸板圆周面上因失去力平衡，流体压力将给闸板一个向上的力，方向指向转杆轴线的力，若闸板与转杆螺纹连接，流体压力作用连杆端面上，将带动闸板产生向上力，力的大小取决于流体压力与转杆密封的截面面积乘积，同时闸板进口端受到流体压力，力的大小取决于流体压力与闸板面积乘积，在实际生产中，阀闭合后，流体进口端的压力与上游泵的压力、流量以及上游各用户所用流量而时刻变化的，在这时刻变化并不断同时作用闸板与转杆上，并从闸板转杆传至密封、泵体、转杆螺纹连接处，这种变化的力是阀体产生震动的根源，若转杆螺纹连接加工精度、配合精度不足够高，变化力将破坏螺距间的间隙，从而增大间隙导致不断增大力的冲击，加速损坏螺纹连接、增大阀体震动、转杆密封加速损坏的后果，当闸板在开、关的过程中，闸板密封面将承受较大变化压力作用，很难做到不拉毛、拉伤密封表面，闸板完全打开闸板两端面力平衡，但变化的力始终作用阀转杆上，由于闸阀的结构决定这种力是必须存在的，且无法使它们平衡，为了降低力的损害，提高阀的使用寿命，国内外企业主要是从转杆螺纹连接与闸板密封面两处展开竞争。

蝶阀中的蝶板与转杆受力状态与闸阀类似，蝶阀另一个不足是碟板在阀打开时，碟板的存在减小流体通过断面，球阀的不足是：在阀关闭状态，进口端流体压力作用球阀芯上，将球阀芯推向出口端，使进口端球阀阀芯与阀座密封间隙增大，导致流体作用面加大，推力增大，且流体中的微小颗粒易进入间隙，转动时拉伤密封表面，产生内漏，当流体压力大，阀口径大，需很大力矩，有时很难打开。

发明内容

阀芯在流体中要受到来自流体各方向力的作用，要想设计出一种不受流体作用的阀芯是不可能的，本人的设计思想是：设计一种流体作用阀芯的力均平衡，目的是：消除阀的震动根源，提高阀的使用性能和寿命，具体内容：阀芯为一圆台体，圆台体的上部设与之一体转轴，其轴线与圆台体轴线重合，以圆台体的中位线为轴线设一水平孔，其孔直径与外管道一致，孔的上、下端至阀芯上、下端面有距离相等高度，在圆台体上，形成上、下两个圆台密封环，在阀芯小端面设有一个与阀芯同轴线且与水平孔同径完全贯通孔，作为流体通道，阀芯座落在阀体的锥台孔内，阀芯与阀体锥孔的配合应满足：无论阀芯转至何处，阀芯表面任何一点与锥孔表面对应点，其间隙为零。在阀体上设一孔，其孔轴线与阀芯水平孔在一平面且同径，当阀芯转至水平孔轴线与其孔轴线重合，二孔充分贯通，此孔为流体出口，阀芯大端面设一上端盖且与阀体用螺栓连接，并压缩弹簧，经轴承将力作用阀芯上，使阀芯圆台与阀体锥孔紧密配合，上端盖在与转轴和阀体配合处分别设有密封，且上端盖下部与阀芯大端面留有空间，在阀芯的小端面设有下端盖与阀体螺栓连接，并在与阀体配合处设密封，端盖中部设一与阀芯轴线同轴透孔，直径同阀芯孔，此孔为流体进口，下端盖的上端与阀芯小端面留有空间。

为了保障流体作用阀芯的力平衡，采取以下两个技术措施；1、轴向力：在阀芯水平孔上端，以阀芯轴线为轴设一孔，孔的上端设一水平透转轴两侧孔，将其于阀芯大端面上部空间连通，此时流体作用阀芯向下的有效面积为 ，式中D为阀芯大端面直径，为转轴直径，流体作用阀芯向上的有效面积为，式中为阀芯小端面的直径，还有（近似值），式中d为阀芯水平孔直径，为阀芯水平孔上端处阀芯的直径，为阀芯水平孔下端处阀芯直径，若想阀芯轴向力平衡，设计时必须满足=。2、径向力：因阀芯各孔均对称设置，故力均平衡，只有当阀关闭时，阀的出口端仍有流体压力作用在阀芯上，一个是径向力、一个是向上的力矩，且这两种力随出口泄压过程时刻变化，为了消除阀芯这一力的不平衡，将阀体出口的孔沿孔轴线在阀体另一侧设一不透且同径容腔，并在阀体上用孔将容腔与阀体出口连接，从而保障了阀芯每时每刻径向力平衡。

阀芯尺寸的确定：首先在一平面内作一水平孔，其直径与外接管同直径为d，在管道中部，在平面内做水平孔垂线，此线做为阀芯轴线，在水平孔的上、下两端向上、向下用等距离a，在一个平面内分别作平行水平孔端线的平行线，上线为阀芯大端面的边线，下线为阀芯小端面的边线，这时阀芯的高H=d+2a，在阀芯轴线与管道轴线交点为圆心，确定阀芯水平孔轴线处的直径，此直径必须满足当阀完全关闭时，出口的两侧边线到阀芯水平孔边线有一密封弧长，此直径为（绘图与计算均可，此略），在直径两端点分别在一个平面内作垂线，并以两端点为转点，在平面内上部两直线向外转同一角，即为阀芯锥角，此时阀芯上、下端面线与这两条斜线组成阀芯剖面图，且、式中D为阀芯大端面直径、为阀芯小端面的直径，b是垂线的转动在直径基础上半径增加或减小量，此时应该满足：的条件，式中为转轴密封处直径，是人为设定的，从式中可得出b值，从而确定D、、角，若角过大或过小，可重新设定，并达到合适为止，重新确定D、及角，为了使流体对阀芯轴向力的平衡，必须考虑由于阀芯水平孔两端处在锥面上，流体必产生一个向上的作用面积S，，将S面积增加到阀芯的大端面上，使阀芯的直径由D变为，S面积增到阀芯大端面的办法必须是向上平移大端面到一个高度h未满足（h的计算略），至此一个流体作用阀芯力平衡锥面阀芯尺寸设计完成，阀芯大端面直径为、下端面直径为、锥角、高H+h、转轴直径为，通径为d。

本发明的阀芯力平衡锥面直角阀门，由于设计结构决定有以下特性，1、由于阀内采用硬接触无间隙间隔密封，具有适合于任何流体，如气体、液体。2、由于阀芯力平衡，在不考虑阀体强度下，一种阀可在任何压力下正常工作，由于阀内部采用硬接触无间隙间隔密封，可实现零内漏。3、由于阀内部密封型式，阀芯力平衡起到流体中小微粒无法进入密封面表面，转动中不可能拉伤、拉毛密封表面，提高使用寿命。4、阀芯使用磨损，在弹簧力的作用下，阀芯下移补偿间隙，且每次转动可视为阀芯与阀座之间密封面的研磨，提高了密封效果与使用寿命。5、由于阀芯力平衡，阀的转动力矩与压力无关，它主要取决于转轴密封和弹簧作用下的阀芯与阀座摩擦力有关，且弹簧压力在较广的范围可调，故转动力矩较小且较定，容易实现电操作。6、本发明的力平衡锥面直角阀门，即可用于各种流体、各种流量、压力的通用阀门，也可用于各种流量、压力流体压力传动中的截止阀。7、由于阀芯力平衡，阀体将无震动，阀体与密封将不受震动损伤。8、本阀门转动90度实现完全开启与闭合，流体的进口与出口在一个平面内成90度，这就给管道要求同方向或同方向且同轴的安装带来不便。

如果将此流体力平衡锥面直角阀门的出口延其轴线将对面的阀体打通，且设一样的管连接，则此阀将成为三通阀，它既用于流体输送中的通用阀门，也可用于流体压力传动中的阀。

附图说明

因本发明的流体作用阀芯力平衡锥面直角阀门，即可用于流体压力传动中，也可用于流体管道输送中，但它们各种结构原理是一致的，本发明的附图以流体压力传动中的阀来说明其结构原理，若有与通用阀门不同之处将在括号中指出。

图1是流体力平衡锥面直角液压阀的装配图，图中阀的位置为阀完全打开的状态，图2为图1的A—A剖面图，图3为图1的B—B剖面图。1为阀芯与轴26为一体，座落阀体2的锥孔内，其上、下两端与阀体形成上、下两个密封的圆台环14与15，阀芯中部的水平孔6与出口23、容腔20为同径、同轴，3为上阀盖，4为下阀盖，上、下阀盖用螺栓19与阀体连接，上阀盖压缩弹簧10将力经轴承压盖12、轴承11传至阀芯，使阀芯与阀孔紧密配合，上阀盖与转轴配合处设有密封13（可采用其它形式）,上、下阀盖与阀体配合处均设有“O”型密封圈16与挡圈17，下端盖中部设有与出口同径的流体进口7，进口与出口端部均设与外管连接螺纹22（可采用法兰等形式），上端盖、下端面与阀芯大端面之间有容腔，在阀芯设孔8与孔9与之勾通，目的是使流体与压力进入作用大端面，下端盖的上端与阀芯小端面之间设有容腔，为使流体能到达容腔，目的一是使流体与压力进入作用小端面，另一个是给阀芯磨损下移留有空间。

当阀处于图1完全打开状态，流体经进口7－阀芯水平孔6－出口23流出，此时不论流体压力大小如何变化，阀芯始终力平衡，在弹簧力的作用下，阀芯与锥孔的硬接触无间隙间隔密封始终存在，不可能产生内漏，由于各密封的设置，也不能产生外漏，当转动手柄5成90度时（手柄可采用其它形式，如手轮等），此时阀芯密封区锥面24完全封闭锥面出口，且锥面出口的两侧距阀芯水平孔的边缘均有硬接触无间隙的密封弧长，不可能产生内漏，当阀完全关闭时，随着出口端不断泄压，容腔20中流体压力作用阀芯上，一个是向上力矩，另一个是径向力，如果不设容腔20，出口端流体压力也同样作用阀芯上，为了使阀芯时刻保持力平衡，在阀的出口端和容腔处在阀体上向上分别设孔18，并在上阀盖上用孔25将二孔贯通，小孔21是为连通18而设，它的设置也避免容腔过深，损害阀体强度。

图4，图4为本发明的流体力平衡锥面直角阀门在与管道连接中应用的举例示意图，此例是用在管道要求同方向且同轴情况，这时阀1是以三通阀的型式，阀流体进口直径与管道一致，阀两侧出口端直径与管道4同径且小于管道1的直径这种阀门与管道连接有以下两种益处，1、对于埋地管道，其阀门井深度可任意调节，2、由于阀门采用三同阀，其出口径小于进口径，阀的设计时可降低阀整体高度，从而减小阀体积，图中3为直角异径三通。

具体实施方式

发明的最终目的是：将发明成果生产出来，并把它投入到市场，并得到市场广泛认可，本发明生产加工制造生产的难度有两个，1、锥台与锥台孔加工制造的精度，2、加工制造出来的阀芯，阀孔应有互换性，为此对加工制造出的阀芯，阀孔必须进行确认，即对产出部件必须进行是否达标合格的检测，以上两点是要想生产这种阀绕不开的问题，所以必须组织人员进行研究探讨，找出保障产品精度可靠的办法，研制出检测设备或仪器及使用方法，为了扭转我国在高压阀门，高端阀门，电动阀门仍需大量进口的局面，应组织人员按本发明技术特性设计出进口的替代产品，因本发明流体对阀芯作用力均平衡，所以在不用考虑阀芯受力的情况，组织人员按阀体的强度，流量成系列的设计，使它们标准化、系列化，同时应对阀门的电操作加以设计，同时加入阀门的标准化、系列化中，为了尽快转化为生产力，本人愿为有意愿的人士、有实力的企业合作。

Claims (4)

1.具有流体力平衡锥面直角阀门。

2.具有流体力平衡三通阀门。

3.具有流体力平衡锥面直角液压截至阀。

4.具有流体力平衡液压三通阀。