CN107191614A - 一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，包括阀座、阀球和阀杆，所述阀杆包括内阀杆、外阀杆、涡卷弹簧、涡卷弹簧仓和上阀杆；所述阀球包括阀球本体、阀瓣和齿轮传动总成；涡卷弹簧预紧后，对内外阀杆施加扭矩，使阀球收紧，开关过程中起“合”的作用。所述阀瓣在所述阀球本体转动到关闭位置时从阀球本体伸出与阀座抱合，此时涡卷弹簧被进一步压缩起“离”的作用。本发明的有益效果是：阀门结构合理，实现无摩擦开启和关闭，强制密封抱合力均匀可靠，开启位置阀球收缩并锁紧，免受紊流破坏，球阀开关动作迅速，阀杆密封简单可靠。

Description

一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀

技术领域

本发明属于球阀，尤其涉及一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀。

背景技术

在流体控制领域，如油气生产流程切换、管道关断、计量、调压、分子筛切换、压缩机进出口、炼油工艺中的氢气工况，合成氨装置的空分等操作频繁并对流体开关控制和关闭严密性要求苛刻的领域，要求阀门能够在直通的状态下尽可能小的产生压降，并且能够提供不受管线介质压力影响的强制扭矩密封。强制密封球阀被公认为理想的解决方案。

然而传统提升杆式强制密封球阀，采用提升阀杆轨道引导设计，尽管可以实现阀门在开关全程大部分时间与阀座无接触，无摩擦，但在阀球与阀座密封面最后抱合阶段仍存在相对滑动摩擦，没有真正做到无摩擦旋转；其阀球和阀座间的强制抱合通过阀杆的楔式面下压并配合阀球下枢轴的共同作用才能完成。其动作过程不够平稳，容易受到阀座与枢轴相对位置精度的影响；阀杆部分及其总成结构复杂，开关过程中需要叠加直行程和角行程运动；加工精度要求高；容易发生阀杆泄露；同时开关操作时间过长；

已授权的实用新型专利证书号第5853389号，所涉及的一种强制密封球阀，结构精巧，提供扭力弹簧实现阀门内部齿轮传动副和阀球旋转的离合控制，但受扭力弹簧弹力的限制，应用范围受限。

发明内容

本发明的目的是提出一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀的技术方案，提高球阀的操作性能和适应范围。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀,包括阀座、阀球和阀杆，所述阀球包括阀球本体和阀瓣，所述阀杆驱动所述阀球在开启位置和关闭位置之间往复转动；所述阀瓣在所述阀球本体转动到关闭位置时从阀球本体伸出与阀座抱合。

更进一步，所述阀球本体上设有与所述阀瓣通过螺纹连接的螺柱齿轮，所述螺柱齿轮旋转时通过螺纹顶起和收回所述阀瓣。

更进一步，所述阀杆驱动所述螺柱齿轮旋转。

更进一步，所述螺柱齿轮设有齿盘，所述阀杆通过密封驱动齿轮驱动所述螺柱齿轮旋转。

更进一步，所述螺柱齿轮与所述密封驱动齿轮之间设有中间传动齿轮。

更进一步，所述阀瓣与所述阀球本体之间采用直线运动配合。

更进一步，所述阀球本体从开启位置转动到关闭位置时停止转动，所述阀杆继续向关闭方向转动，驱动所述阀瓣与所述阀座抱合。

更进一步，所述阀杆继续驱动所述阀瓣与所述阀座抱合的行程不大于180°。

更进一步，所述阀球本体的转动行程为90°。

更进一步，阀球本体的下枢轴设有90°的扇形凸起，所述阀体下部枢轴腔设有180°的限位凹槽。

更进一步，所述阀杆通过一个弹性元件驱动所述阀球本体转动。

更进一步，所述弹性元件是涡卷弹簧。

更进一步，所述阀杆的底端设有扭簧轴，所述涡卷弹簧套在扭簧轴上，所述阀杆和阀球本体分别设有扭簧脚孔，所述扭簧的扭簧脚分别嵌入阀杆和阀球本体的扭簧脚孔中。

更进一步，所述弹性元件对所述阀球本体施加使阀球本体向关闭位置方向转动的预驱动力。

更进一步，所述阀瓣在所述强制密封球阀的开启过程中向所述阀球本体缩回并与阀球本体接触。。

本发明的有益效果是：阀门结构合理，客服了扭力弹簧的弹力限制，涡卷弹簧安装在阀体外部，不与介质接触，易于选材。实现无摩擦开启和关闭，强制密封抱合力均匀可靠，开启位置阀球收缩并锁紧，免受紊流破坏，球阀操作力矩小，开关动作迅速，阀杆密封简单可靠。

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

附图说明

图1是本发明爆炸图；

图2是本发明剖切图；

图3是本发明剖切图的局部爆炸视图；

图4是本发明剖切图的另一种爆炸视图；

图5是本发明阀芯结构图及涡卷弹簧装配固定的细节视图。

本发明图纸中零件号对照表如下：

项目号	描述	数量
			1	阀体	1
2	阀球本体	1
			201	阀球本体顶部棱孔
3	螺柱齿轮	1
			4	阀杆齿轮	1
401	阀杆齿轮顶部棱孔
			5	中间传动齿轮	1
6	阀瓣	1
			7	中间传动齿轮压盖	1
8	上枢轴支撑板	1
			9	下枢轴支撑板	1
10	螺柱齿轮压环	1
			11	外阀杆	1
111	外阀杆底部棱轴
			12	上盖	1
13	上盖螺钉	4
			14	阀体螺栓	24
15	阀体螺母	24
			16	带阀座的阀端	1
17	阀端	1
			18	阀球与枢轴支撑板间防尘密封	2
19	上枢轴与阀杆齿轮间轴承	1
			20	阀杆齿轮与上枢轴支撑板间轴承	1
21	下枢轴轴承	1
			22	螺柱齿轮压环螺钉	3
23	中间传动齿轮压盖螺钉	3
			24	枢轴支撑板定位销	8
25	上枢轴防尘密封环	1
			26	螺柱齿轮与阀球本体间轴承	1
27	螺柱齿轮与压盖间轴承	1
			28	阀体阀端密封垫片	2
29	内阀杆	1
			291	内阀杆底部棱轴
292	内阀杆顶部涡簧固定槽
			30	涡卷弹簧	1
31	上阀杆	1
			32	上阀杆螺钉	10
33	涡卷弹簧仓	1
			331	涡簧仓涡簧固定槽

具体实施方式

如图1至图5，一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，包括阀座、阀球和阀杆，所述阀杆包括内阀杆29、外阀杆11、涡卷弹簧30、涡卷弹簧仓33和上阀杆31，所述阀球包括阀球本体2、阀瓣6和齿轮传动总成；所述阀杆驱动所述阀球在开启位置和关闭位置之间往复转动；所述阀瓣在所述阀球本体转动到关闭位置时从阀球本体伸出与阀座抱合。

所述内阀杆与外阀杆同轴，既可以同步旋转又可以相对旋转；内阀杆底部棱轴291与阀球本体顶部棱孔201装配在一起形成驱动配合；外阀杆底部棱轴111与阀杆齿轮顶部棱孔401装配在一起形成驱动配合；当内阀杆和外阀杆同步旋转时，阀杆齿轮与阀球本体也同步旋转；涡卷弹簧30的内圈固定在内阀杆顶部涡簧固定槽292；涡卷弹簧的外圈固定在涡簧仓涡簧固定槽331；涡卷弹簧装配时向关阀方向施加预紧力。涡卷弹簧仓33与外阀杆通过螺钉固定形成驱动配合（也可以采用花键配合或其他驱动配合），同时与上阀杆31也通过螺钉固定形成驱动配合（同样可以采取其他驱动配合）；阀门开关通过旋转上阀杆完成。当操作上阀杆将阀门从全开向关阀方向旋转时，受涡卷弹簧预紧力作用，内外阀杆将首先同步随上阀杆旋转，当阀球本体转动90度到达关位时，阀球本体底部的90度限位将限制阀球本体继续旋转，此时继续旋转上阀杆，则外阀杆将继续随动而内阀杆将停止转动。因此，涡卷弹簧会被压缩。外阀杆的继续转动，将驱动阀杆齿轮相对阀球本体转动，通过相互啮合的齿轮传动，使螺柱齿轮3旋转，在螺旋配合约束下，阀瓣6将被顶起压紧阀座实现强制密封。开阀时，通过反向旋转上阀杆，受涡卷弹簧弹力的约束，阀球本体将停留在关位，上阀杆因此将驱动阀杆齿轮反向转动通过啮合的齿轮传动，此时螺柱齿轮反转，在螺旋配合的约束下，阀瓣将被收紧到阀球本体上，因此齿轮组相对阀球本体的转动将停止，继续旋转上阀杆，阀球本体将被带动一起向开位旋转90度直至阀门全开。整个过程中，阀瓣与阀座无摩擦，仅在关位对阀座正向压紧。阀门操作扭矩小，密封力可靠，使用寿命长。

实施例一：

如图1至图5，一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，包括阀座、阀球和阀杆，所述阀球包括阀球本体2、阀杆齿轮4、中间传动齿轮5、螺柱齿轮3和阀瓣6。

阀球安装在阀体1内，两个端盖16和17通过螺栓14和螺母15将阀球包覆在内。阀体设有上盖12，阀杆安装在上盖中。

阀球本体为C形（也可以是球形），阀球本体中空部分为介质通道，阀球通道的轴线垂直于阀球的转动轴线（即阀杆的转动轴线），阀球在开启位置时阀球通道与阀座同轴，使介质经球阀流通。在阀球本体的下端设有下枢轴，下枢轴与阀球的转动轴线同轴，下枢轴的端头设有90°的扇形凸起。在阀球本体的上端设有上枢轴，在上枢轴的顶端设有阀球本体顶部棱孔201。阀球本体侧面45度角和90角分别设有中间传动齿轮枢轴和螺柱齿轮枢轴。阀杆齿轮4安装在阀球本体上枢轴，中间传动齿轮5安装在45角的中间传动齿轮枢轴，螺柱齿轮4安装在90度角的螺柱齿轮枢轴，三个齿轮相互啮合形成齿轮传动副。

阀瓣6与阀球本体边缘呈互补交错式梳齿配合，一方面使阀瓣相对阀球本体的运动约束为直线，另一方面，可以防止颗粒物进入阀瓣与阀球本体之间。

阀瓣的内侧设有螺纹，与螺柱齿轮外侧螺纹匹配，形成螺纹配合。当阀杆齿轮相对阀球本体转动时，通过中间传动齿轮，螺柱齿轮将旋转，通过螺纹配合和阀瓣与阀球本体的直线运动约束，阀瓣将被顶起与阀座抱合或收回与阀球本体收紧。

阀球的上下分别设有上下枢轴支撑板8和9，下枢轴对应的下枢轴腔设有与阀球本体下枢轴的端头的90度扇形凸起对应的180度的限位凹槽。使阀球本体的转动行程限制在90°。

阀杆包括内阀杆29、外阀杆11、涡卷弹簧30、涡卷弹簧仓33和上阀杆31。

外阀杆设有底部棱轴111，阀杆齿轮顶部设有棱孔401，棱轴和棱孔形成驱动配合，使外阀杆带动阀杆齿轮同步旋转。

外阀杆下部直径大于上部直径，在安装阀盖后，外阀杆不会受压力作用而被压出，实现防喷出设计。

内阀杆底部设有棱轴291，阀球本体顶部设有棱孔201，棱轴和棱孔形成驱动配合，使内阀杆带动阀球本体同步旋转。

内阀杆顶部设有涡簧固定槽292，涡卷弹簧内圈与内阀杆顶部固定。

内阀杆下部靠近棱轴处直径大于上部，这样的设计可以有效避免阀杆受压喷出。

涡卷弹簧30安装在涡卷弹簧仓33内，外圈固定在涡簧仓涡簧固定槽331。涡卷弹簧安装时被预压缩，使内阀杆受一个关阀方向的扭矩，这个扭矩同时作用在外阀杆上，使阀杆齿轮传递一个使阀瓣向阀球本体收紧的扭矩。

涡卷弹簧仓33与外阀杆顶部通过螺钉固定形成驱动配合，同时与上阀杆底部通过螺钉固定形成驱动配合。

阀球在开启位置时，阀座与阀球本体之间设有转动间隙。上阀杆驱动阀球在开启位置和关闭位置之间无摩擦往复转动。关阀时，上阀杆与外阀杆同步转动，并通过涡卷弹簧驱动内阀杆，进一步驱动阀球本体同步转动。当阀球本体受90度限位约束停止转动时，上阀杆的继续转动将促使涡卷弹簧压缩，外阀杆将仍然随上阀杆同步转动，并驱动阀杆齿轮旋转，通过中间传动齿轮使螺柱齿轮旋转，受螺旋配合及直线运动约束，阀瓣被顶起并与阀座抱合，实现了强制密封关闭。

开阀时，通过反向旋转上阀杆，受涡卷弹簧弹力的约束，阀球本体将停留在关位，上阀杆因此将驱动阀杆齿轮反向转动，通过齿轮传动，使螺柱齿轮反转，在螺旋配合的约束下，阀瓣将被收紧到阀球本体上，因此齿轮组的转动将停止，继续旋转上阀杆，阀球本体将被带动一起向开位旋转90度直至阀门全开，受涡卷弹簧弹力的作用，阀瓣将被收紧在阀球本体上，避免受到介质紊流的影响而损坏。

实施例二：

一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，本实施例是实施例一所述的强制密封球阀的一种结构扩展。

本实施例的强制密封球阀在阀球本体上设有两个阀瓣，同时与上游阀座和下游阀座抱合。

实施实例三：一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀,本实施例是实施例一的强制密封球阀的一种结构替换。

本实施例中，阀体采用顶装结构。

实施实例四：一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀,本实施例是实施例一的强制密封球阀的一种结构替换。

本实施例中，阀体采用全焊接结构。

本发明从实现密封的基本结构入手，均圆满地解决了目前各种强制密封球阀存在不足。如：在密封行程最后阶段的相对滑动摩擦，阀座法向密封分力不足，结构和体积庞大，部分设计需要使用液压系统，及部分设计存在的阀门开位时阀球组件受紊流影响等问题。

本发明采用枢轴式阀球和固定式阀座设计。通过螺旋顶压机构将阀球总成的一部分（如果本发明应用于旋塞阀，也可以是旋塞总成的一部分），也就是阀瓣向阀座方向顶起并压紧来实现强制密封的技术。阀门的阀球本体的运动范围受下枢轴腔处精限位的限制，准确地停止于90度的开关位置；通过涡卷弹簧的作用，阀瓣在阀门除密封位置外的其他位置均与阀球本体收缩并锁紧在一起；从而实现球阀90度开关与阀座密封面无摩擦旋转。同时解决了一些当前设计存在的阀体组件受管道紊流损坏的弊端。阀球本体在对准关闭位置后，将受下枢轴腔精限位约束而停止转动，此时阀门操作的转动将通过集成在阀球本体上的一组齿轮机构传动来旋转螺柱齿轮，从而平稳地顶压阀瓣，使其与阀座同时抱合并压紧，实现强制的扭矩关阀。这种抱合过程是沿阀座密封面正垂直方向的同时抱合，因此密封面间不会发生任何相对的转/滑动摩擦，避免了传统强制密封球阀关闭行程最后阶段密封面间的相对滑动摩擦。由于采用螺旋式旋转顶起原理，阀瓣动作平稳可靠，容易实现阀瓣和阀座密封面的配合精度。阀杆部分仅需要考虑角行程密封，结构简单，密封可靠；同时阀门开关行程时间短。

本发明的创新之处主要有以下几个方面：

平顺的阀瓣螺旋顶压机构：

阀门关闭动作在阀球本体和阀瓣正对阀座时，螺柱齿轮才会在关阀力矩的作用下旋转，由于阀瓣受到梳齿配合的限制，不能随螺柱齿轮转动，在螺柱齿轮的引导下被均匀顶起，最终与阀座密封抱合而实现强制密封。

在这个过程中，螺旋顶压动作产生抱合压力正垂直于阀座密封面，因此不会叠加任何角行程运动，而发生滑动摩擦，密封抱合均匀可靠。

阀座和阀瓣在开阀时同时脱开而具有均匀的自清洁性：

开阀动作在涡卷弹簧和开阀力矩的共同作用下，从螺柱齿轮反向旋转开始，此时阀瓣同样受到梳齿结构直线运动约束的限制，不能随螺柱齿轮转动，在螺旋旋转的引导下脱离与阀座的抱合，最终在涡卷弹簧和开阀扭矩的共同作用下与阀球本体锁紧，这时阀球总成才会旋转直至阀门全开。

在这个过程中，阀瓣与阀座的脱开是同时发生的，不叠加任何角行程运动，此时如果阀座周围沉积的任何杂质，将会被介质均匀吹走，不留任何死角，从而起到自清洁的效果。

涡卷弹簧锁紧装置和阀球本体与阀杆齿轮间的随动控制： 结构简单可靠的涡卷弹簧被安装在涡卷弹簧仓内，其内圈与内阀杆固定，外圈与涡卷弹簧仓固定；外阀杆与涡卷弹簧仓及上阀杆固定在一起形成驱动配合。外阀杆底部与阀杆齿轮顶部形成驱动配合，内阀杆底部与阀球本体形成驱动配合。在涡卷弹簧的预紧力作用下，内外阀杆在阀球本体90度旋转范围内同步随动，阀瓣同时被收紧，因此与阀座间不接触实现无摩擦旋转。当阀球本体到达关位时，上阀杆的关阀动作将仅使外阀杆继续旋转，而内阀杆受阀球本体底部限位的约束停止转动，此时涡卷弹簧被压缩，外阀杆的转动将通过齿轮组使阀瓣顶起与阀座抱合实现强制密封。开阀时，涡卷弹簧使阀球本体保留在关位上，直至阀瓣收紧后才使阀球本体随阀杆一起转动，直至全开。

Claims (12)

1.一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，包括阀座、阀球和阀杆，其特征在于，所述阀杆包括内阀杆、外阀杆、涡卷弹簧、涡卷弹簧仓和上阀杆，所述阀球包括阀球本体、阀瓣和齿轮传动总成；所述阀杆驱动所述阀球在开启位置和关闭位置之间往复转动；所述阀瓣在所述阀球本体转动到关闭位置时从阀球本体伸出与阀座抱合。

2.根据权利要求1所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，所述内阀杆下端与阀球本体顶部形成驱动配合。

3.根据权利要求1所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，所述内阀杆上端与涡卷弹簧内圈固定。

4.根据权利要求1所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，所述涡卷弹簧安装在涡卷弹簧仓内，外圈与涡卷弹簧仓固定，涡卷弹簧安装时被预压缩，其弹力为内圈提供预设的旋转扭矩。

5.根据权利要求2、3、4所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，所述涡卷弹簧的弹力驱动阀球本体从开位向关位旋转。

6.根据权利要求1所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，所述阀球本体的转动行程为90°；所述齿轮传动总成包括阀杆齿轮、中间传动齿轮和螺柱齿轮；所述螺柱齿轮与所述阀瓣形成螺旋配合，螺柱齿轮旋转带动阀瓣顶出和收回；所述螺柱齿轮、中间传动齿轮和阀杆齿轮啮合构成传动副；所述外阀杆下端与阀杆齿轮顶端形成驱动配合，外阀杆转动时带动阀杆齿轮转动，通过齿轮传动驱动阀瓣顶出和收回。

7.根据权利要求1所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，所述涡卷弹簧仓底部与外阀杆顶部固定，形成驱动配合。

8.根据权利要求1所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，所述涡卷弹簧仓顶部与上阀杆底部固定，形成驱动配合。

9.根据权利要求6、7、8所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，所述上阀杆转动时将驱动涡卷弹簧仓转动，进而驱动外阀杆转动，进而驱动阀瓣顶出和收回。

10.根据权利要求1所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，所述内阀杆与外阀杆同轴。

11.根据权利要求1所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，内阀杆底部设有防喷出设计。

12.根据权利要求1所述的一种带涡卷弹簧离合装置的强制密封球阀，其特征在于，外阀杆底部设有防喷出设计。