CN105370911A - 一种硬密封快速球阀 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种风洞试验领域，公开了一种硬密封快速球阀，其结构包括阀体、左阀盖、右阀盖、球芯、左阀座、右阀座、阀杆、上支撑板、下支撑板、左负载弹簧、右负载弹簧、左压圈、右压圈、上滑动轴承、下滑动轴承、阀杆滑动轴承、上密封结构；球体、左阀座和右阀座喷涂有硬化层，球芯、阀杆、阀座基体采用沉淀硬化型不锈钢材质；阀门采用一体式上密封结构和防阀杆吹出安全结构。本发明采用支撑板、固定球结构，最大程度消除了装配误差；球芯、阀杆、左阀座、右阀座部件基体采用沉淀硬化不锈钢材质，同时球芯、左阀座和右阀座表面喷涂有硬化层，可以承受高压差和大流量带来的强烈冲击；阀杆和球芯采用正方形连接，阀杆端部承载更均匀。

Description

一种硬密封快速球阀
技术领域
本发明属于一种风洞试验领域，涉及一种球阀装置。
背景技术
暂冲式高超声速风洞运行时，由于运行时间短，气流压力高，风洞启闭频繁，需要在供气管路上设置开关阀快速启动和关闭风洞运行，阀门开启时刻作为风洞运行计时和风洞压力启动控制时刻的基准点。阀门不但要求较高的密封性能，较快的开闭速度(一般为2s以内)，并且开闭动作时间不能随阀门前后压差等因素有明显的变化，阀门运行工况苛刻，阀门运行的可靠性和长期运行开关的重复性成为突出问题。
高超声速风洞运行中，一般选用截止阀或球阀作为快速启闭风洞气流的阀门。截止阀结构简单，耐高压，但是由于阀门流道复杂，流阻大，并且随着阀门口径增大，阀杆移动行程增加，动作变慢，一般用于管路口径小于150mm的风洞供气工况。球阀由于耐高压，流阻小，启闭迅速，口径变化范围宽，在风洞运行中得到了广泛应用。但是普通软密封球阀使用一段时间后由于密封圈磨损、老化，阀杆、轴承和填料函间距变大；一般硬密封球阀在使用一段时间后球体和阀座硬化层磨损脱落，阀杆磨损后发生偏斜，阀门开关时间发生变化，甚至发生阀门卡死现象，严重缩短了阀门无故障使用周期，降低了阀门长期运行的可靠性，极大地影响了风洞安全运行效率。
发明内容
针对暂冲式高超声速风洞快速启闭工况下，截止阀流阻大、口径应用受限，普通球阀使用寿命短的问题，本发明提出了一种硬密封快速球阀，满足流量大、启闭压差大、动作迅速、启闭频繁的高超声速风洞运行工况需要。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种硬密封快速球阀，包括阀体、左阀盖、右阀盖、球芯、左阀座、右阀座、阀杆、上支撑板、下支撑板、左负载弹簧、右负载弹簧、左压圈、右压圈、上滑动轴承、下滑动轴承、阀杆滑动轴承、上密封结构。
进一步地，左阀盖、右阀盖与阀体固定连接；球芯位于阀体、左阀盖、右阀盖组成的腔体中间；上滑动轴承和下滑动轴承分别套在球芯的上凸轴和下凸轴上，上支撑板和下支撑板分别套在上滑动轴承和下滑动轴承上，对球芯进行支撑和定位；上支撑板和下支撑板分别与左阀盖、右阀盖相连接；左阀座位于左阀盖与球芯之间，由左负载弹簧驱动左压圈，使得左阀座和球芯紧密接触密封，而右阀座位于右阀盖与球芯之间，由右负载弹簧驱动右压圈，使得右阀座和球芯紧密接触密封；阀杆穿过阀体颈部的通孔与球芯顶端的槽口进行配合连接；上密封结构安装在阀杆穿过阀体颈部的通孔后所形成的环形腔内，用于密封快速球阀内部介质，并导向定位阀杆。
进一步地，上密封结构包括连接板、密封垫片、对开圆环、金属防挤压环、O型圈、阀杆止推垫片、阀杆密封环；阀杆与阀体的颈部通孔壁面形成环形腔；阀杆密封环内、外壁面上各设有两道密封槽，阀杆密封环的密封槽中安装O型圈后置于环形腔内，阀杆密封环下端压在阀杆止推垫片上，阀杆止推垫片压在阀杆的突肩上；对开圆环位于阀体颈部通孔壁面的凹槽内，其底面压在阀杆密封环上端，顶面被金属防挤压环压紧；连接板通过连接螺栓固定于阀体颈部通孔上端，连接板与金属防挤压环之间安装密封垫片。
进一步地，左压圈、右压圈呈圆环状，其端面圆周均布一圈圆孔，左压圈端面上的每个圆孔内各放置一个左负载弹簧，右压圈端面上的每个圆孔内各放置一个右负载弹簧。
进一步地，所述球芯、阀杆、左阀座、右阀座部件的基体采用沉淀硬化不锈钢材质。
进一步地，所述密封垫片材料为柔性石墨。
进一步地，所述金属防挤压环上对称设置有两个螺纹孔。
进一步地，所述球芯、左阀座和右阀座在表面喷涂有硬化层。
进一步地，所述阀杆表面进行盐浴复合处理。
进一步地，所述球芯顶端槽口形状为正方形。
本发明的有益效果是：
1.本发明的硬密封快速球阀为三片式锻钢球阀，采用支撑板、固定球结构，最大程度消除了装配误差，对快速球阀的密封提供了更好的保证。
2.传统球阀上密封结构采用支架通过连接螺柱、螺母来把主阀体和填料箱连接起来的形式，冲击、振动等因素会造成填料箱和阀体之间的连接产生变形、松动或偏移，甚至造成连接螺柱的断裂。球阀上密封结构将阀体颈部直接作为填料箱，同时直接与执行器相连，避免了传统球阀上密封结构存在的缺陷，保证了使用安全、延长了使用寿命。
3.球芯、阀杆、左阀座、右阀座部件的基体采用沉淀硬化不锈钢材质，同时球芯、左阀座和右阀座在表面喷涂有硬化层，使其可以承受高压差和大流量带来的强烈冲击，防止微小变形和磨损对快速球阀运动状态的影响。
4.球芯顶端槽口形状为正方形。阀杆和球芯采用正方形连接，使得阀杆端部四个面同时受力，承载更加均匀，可承受更大的剪切和挤压应力。
5.阀杆表面进行盐浴复合处理，形成复合渗透层，提高阀杆的表面硬度，提高耐磨性和耐疲劳性能，使得阀门在频繁开关时，阀杆形状和性能保持不变。
6.阀杆采用防吹出安全设计结构，在阀体颈部与阀杆之间安装的对开圆环，防止阀杆因阀内介质压力过高导致阀杆飞出，保证阀门动作时安全可靠。
附图说明
图1为本发明的一种硬密封快速球阀的总体结构剖视图。
图2为图1中I处上密封结构局部放大图。
图中：1-左负载弹簧，2-左阀座，3-上滑动轴承，4-阀杆，5-阀杆滑动轴承，6-上支撑板，7-右负载弹簧，8-左阀盖，9-左压圈，10-下支撑板，11-球芯，12-阀体，13-下滑动轴承，14-右阀座，15-右压圈，16-右阀盖，17-上密封结构，18-对开圆环，19-连接板，20-密封垫片，21-阀杆止推垫片，22-O型圈，23-阀杆密封环，24-金属防挤压环。
具体实施方式
下面以某暂冲式高超声速风洞中的硬密封快速球阀为例，结合附图进行更详细的描述：
图1为本发明的硬密封快速球阀的总体结构剖视图，图2为图1中I处上密封结构局部放大图。
如图1所示，本发明的实施例提供的一种硬密封快速球阀包括阀体12、左阀盖8、右阀盖16、球芯11、左阀座2、右阀座14、阀杆4、上支撑板6、下支撑板10、左负载弹簧1、右负载弹簧7、左压圈9、右压圈15、上滑动轴承3、下滑动轴承13、阀杆滑动轴承5、上密封结构17。左阀盖8、右阀盖16通过螺柱、螺母的配合与阀体12固定连接；球芯11位于阀体12、左阀盖8、右阀盖16组成的腔体中间；上滑动轴承3和下滑动轴承13分别套在球芯11的上凸轴和下凸轴上，上支撑板6和下支撑板10分别套在上滑动轴承3和下滑动轴承13上，对球芯11进行支撑和定位；上支撑板6和下支撑板10各由左右两颗销钉与左阀盖8、右阀盖16相连接；左阀座2位于左阀盖8与球芯11之间，由左负载弹簧1驱动左压圈9，使得左阀座2和球芯11紧密接触密封，而右阀座14位于右阀盖16与球芯11之间，由右负载弹簧7驱动右压圈15，使得右阀座14和球芯11紧密接触密封；阀杆4穿过阀体12颈部的通孔与球芯11顶端的槽口进行配合连接；上密封结构17安装在阀杆4穿过阀体12颈部的通孔后所形成的环形腔内，用于密封快速球阀内部介质，并导向定位阀杆4。
如图2所示，上密封结构17包括连接板19、密封垫片20、对开圆环18、金属防挤压环24、O型圈22、阀杆止推垫片21、阀杆密封环23；阀杆4与阀体12的颈部通孔壁面形成环形腔，阀杆密封环23的凹槽中安装O型圈22后置于环形腔内；阀杆密封环23内、外壁面上各设有两道密封槽，阀杆密封环23的密封槽中安装O型圈22后置于环形腔内，阀杆密封环23下端压在阀杆止推垫片21上，阀杆止推垫片21压在阀杆4的突肩上；对开圆环18位于阀体12颈部通孔壁面的凹槽内，其底面压在阀杆密封环23上端，顶面被金属防挤压环24压紧；连接板19通过连接螺栓固定于阀体12颈部通孔上端，连接板19与金属防挤压环24之间安装密封垫片20。密封垫片20材料为柔性石墨。金属防挤压环24上对称设置有两个螺纹孔，用于方便安装和拆卸金属防挤压环24。
左压圈9、右压圈15呈圆环状，其端面圆周均布一圈圆孔，左压圈9端面上的每个圆孔内各放置一个左负载弹簧1，右压圈15端面上的每个圆孔内各放置一个右负载弹簧7。
球芯11、阀杆4、左阀座2、右阀座14部件的基体采用沉淀硬化不锈钢材质17-4PH，同时球芯11、左阀座2和右阀座14表面喷涂有硬化层，硬化层厚度为0.25mm，使其可以承受高压差和大流量带来的强烈冲击，防止微小变形和磨损对快速球阀运动状态的影响。
阀杆4表面进行盐浴复合处理(QPQ)，形成复合渗透层，提高阀杆4的表面硬度，提高耐磨性和耐疲劳性能，使得阀门在频繁开关时，阀杆4形状和性能保持不变。
球芯11顶端槽口形状为正方形。阀杆4和球芯11采用正方形连接，使得阀杆4端部四个面同时受力，相对于矩形连接的两个面受力，承载更加均匀，可承受更大的剪切和挤压应力。
阀杆4采用防吹出安全设计结构，在阀体12颈部与阀杆4之间安装的对开圆环18，防止阀杆4因阀内介质压力过高导致阀杆4飞出，保证阀门动作时安全可靠。
本发明的硬密封快速球阀为三片式锻钢球阀，采用支撑板、固定球结构，最大程度消除了装配误差，对快速球阀的密封提供了更好的保证。
传统球阀上密封结构采用支架通过连接螺柱、螺母来把主阀体和填料箱连接起来的形式，冲击、振动等因素会造成填料箱和阀体之间的连接产生变形、松动或偏移，甚至造成连接螺柱的断裂。本发明提供的球阀上密封结构将阀体颈部直接作为填料箱，同时直接与执行器相连，避免了传统球阀上密封结构存在的缺陷，保证了使用安全、延长了使用寿命。
本发明实施例提供的硬密封快速球阀在某暂冲式高超声速风洞试验中的性能指标：工作介质为空气，阀门通径为250mm，工作压力为22.0MPa，启闭压差为22MPa，介质温度为常温，启闭时间小于2s，密封性能应符合API598-2009的规定，使用频次大于1000次/年。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种硬密封快速球阀，其特征在于：包括阀体(12)、左阀盖(8)、右阀盖(16)、球芯(11)、左阀座(2)、右阀座(14)、阀杆(4)、上支撑板(6)、下支撑板(10)、左负载弹簧(1)、右负载弹簧(7)、左压圈(9)、右压圈(15)、上滑动轴承(3)、下滑动轴承(13)、阀杆滑动轴承(5)、上密封结构(17)。
2.如权利要求1所述的一种硬密封快速球阀，其特征在于：左阀盖(8)、右阀盖(16)与阀体(12)固定连接；球芯(11)位于阀体(12)、左阀盖(8)、右阀盖(16)组成的腔体中间；上滑动轴承(3)和下滑动轴承(13)分别套在球芯(11)的上凸轴和下凸轴上，上支撑板(6)和下支撑板(10)分别套在上滑动轴承(3)和下滑动轴承(13)上，对球芯(11)进行支撑和定位；上支撑板(6)和下支撑板(10)分别与左阀盖(8)、右阀盖(16)相连接；左阀座(2)位于左阀盖(8)与球芯(11)之间，由左负载弹簧(1)驱动左压圈(9)，使得左阀座(2)和球芯(11)紧密接触密封，而右阀座(14)位于右阀盖(16)与球芯(11)之间，由右负载弹簧(7)驱动右压圈(15)，使得右阀座(14)和球芯(11)紧密接触密封；阀杆(4)穿过阀体(12)颈部的通孔与球芯(11)顶端的槽口进行配合连接；上密封结构(17)安装在阀杆(4)穿过阀体(12)颈部的通孔后所形成的环形腔内，用于密封快速球阀内部介质，并导向定位阀杆(4)。
3.如权利要求1或2所述的一种硬密封快速球阀，其特征在于：所述上密封结构(17)包括连接板(19)、密封垫片(20)、对开圆环(18)、金属防挤压环(24)、O型圈(22)、阀杆止推垫片(21)、阀杆密封环(23)；阀杆(4)与阀体(12)的颈部通孔壁面形成环形腔；阀杆密封环(23)内、外壁面上各设有两道密封槽，阀杆密封环(23)的密封槽中安装O型圈(22)后置于环形腔内，阀杆密封环(23)下端压在阀杆止推垫片(21)上，阀杆止推垫片(21)压在阀杆(4)的突肩上；对开圆环(18)位于阀体(12)颈部通孔壁面的凹槽内，其底面压在阀杆密封环(23)上端，顶面被金属防挤压环(24)压紧；连接板(19)通过连接螺栓固定于阀体(12)颈部通孔上端，连接板(19)与金属防挤压环(24)之间安装密封垫片(20)。
4.如权利要求1或2所述的一种硬密封快速球阀，其特征在于：所述左压圈(9)、右压圈(15)呈圆环状，其端面圆周均布一圈圆孔，左压圈(9)端面上的每个圆孔内各放置一个左负载弹簧(1)，右压圈(15)端面上的每个圆孔内各放置一个右负载弹簧(7)。
5.如权利要求1所述的一种硬密封快速球阀，其特征在于：所述球芯(11)、阀杆(4)、左阀座(2)、右阀座(14)部件的基体采用沉淀硬化不锈钢材质。
6.如权利要求3所述的一种硬密封快速球阀，其特征在于：所述密封垫片(20)材料为柔性石墨。
7.如权利要求3所述的一种硬密封快速球阀，其特征在于：所述金属防挤压环(24)上对称设置有两个螺纹孔。
8.如权利要求1、2或5所述的一种硬密封快速球阀，其特征在于：所述球芯(11)、左阀座(2)和右阀座(14)表面喷涂有硬化层。
9.如权利要求1、2或5所述的一种硬密封快速球阀，其特征在于：所述阀杆(4)表面进行盐浴复合处理。
10.如权利要求1、2或5所述的一种硬密封快速球阀，其特征在于：所述球芯(11)顶端槽口形状为正方形。
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