CN110107711A - 一种可线性控制流量的调节球阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可线性控制流量的调节球阀,属于流量控制技术领域，阀体内的阀座中设有通过阀杆驱动旋转的阀球，所述阀球两侧设有覆盖矩形球口的导流平面，所述阀座设有与矩形球口对应的矩形第一流道，在所述导流平面随阀球旋转的至少一个行程内，所述第一流道的球侧道口被导流平面分割为两个部分，以便其中一个部分流通介质；所述阀座的球形密封面面积大于所述阀球球面面积，以便完整地包裹阀球从而防止介质沿阀球球面流通；所述阀杆穿过所述阀座的顶孔与阀球连接。本发明适用于精确线性控制高温介质流量，特别是接近完全开启和接近完全闭合状态时的流量调节，并能够长期保持调节精度。

Description

一种可线性控制流量的调节球阀

技术领域

本发明属于流量控制技术领域，特别涉及一种用于精确控制热水流量的球阀。

背景技术

球阀是以球体作为启闭件，由阀杆带动阀芯，使阀芯绕阀杆的轴线做旋转运动的阀门。该球体也称阀芯，球体中设有通孔作为流道，通孔在球体表面的开口为球口，球体两侧紧密贴合有密封圈，密封圈也设有通孔和与球口对应的密封口，球体与阀座之间球面配合形成密封球面，当球口与密封口相交时球阀两侧导通，介质可以通过流道从球阀的一端进入另一端，当球口与密封口不相交时，球阀两侧不导通，两侧的介质被切断。

阀门由于内部长期输送介质，在管道系统中属于易耗品，在阀门损坏后，需要通过更换阀门的方式实现对管道系统的长期维护，因此对常规阀门的设计，特别是球阀的设计，不考虑其长期运行时的控制精度问题。而对于精密阀门，由于用于工业、科研场合，满足其更换条件后及时更换阀门即可，不会影响到管道系统的整体性能。

现有技术中，球阀在开、关的过程中处于小开度状态时，存在球体的球口和阀座的阀座口易冲损以及无法精确调节的流量的问题。为解决上述问题，中国专利CN201177058Y公开了一种方孔球阀，包括设置在阀体内的球体、阀座和碟簧，在球体上设方孔流道，并在阀座中部也设有方孔流道，两个方孔流道口部的相交时可形成矩形流道口，从而减小介质冲损，并实现线性调节。该技术方案通过在作为阀芯的球体上开设方孔流道，并将阀座中部也设置方孔流道，两个方孔流道配合，当通过阀杆旋转阀芯时，球体方孔流道和阀座方孔流道形成长方形流道口，从而实现线性调节流量，适用于固体粉料输送、浆料输送等容易磨损的介质输送，扩大球阀适用范围。但该技术方案未公开适用于阀门开启初期，微启阶段流量控制的具体方案，难以适用于流量控制范围大但是对于开启初期仍具有较高要的工况。该技术方案至少存在以下技术问题：1、精度、稳定性、线性度差，难以实现比较高的定量调节指标，不适用于要求比较高的工况；2、寿命较短，不适用于对阀门使用寿命要求比较高的工况，长时间工作后其控制精度会发生较大改变。

发明内容

本发明目的在于提供一种可线性控制流量的调节球阀，适用于精确线性控制高温介质流量，特别是接近完全开启和接近完全闭合状态时的流量调节，并能够长期保持调节精度。

本发明提供的技术方案是：

本发明的一个方面带来的有益效果是：阀座的球形密封面作为密封副将作为动作副的阀球完整包裹，球形密封面始终和球阀球面之间存在球面密封，球阀位于任意开启角度时，介质均只能经过矩形球口流通，而不会流出球形密封面；矩形球口设置的导流平面，一方面在球阀位于一个开启角度时，可以将阀座球侧道口直线分割成两部分，便于线性控制的设计计算，另一方面通过面接触对流通介质导流，延长了调节阀控制精度的有效时间，还有一方面当导流平面和阀座球形密封面之间产生空腔时，介质在该空腔内产生小湍流，提高了流量控制的稳定性。导流平面边缘始终与阀座球形密封面相交，还可以增加阀球开启角度的有效范围，当配合全包裹的阀座时，同等阀球通径和开启角度条件下，可以具有更小的阀球半径。

本发明的一个方面带来的有益效果是：阀球具有通径大于所述矩形球口通径的第二流道，该第二流道由于通径大于入口的矩形球口，在介质流入时可形成小型湍流，能够减小开启、闭合或者调整瞬间对管道系统的压力影响，实现平滑的流量控制，进一步实现阀球全部有效旋转行程中的流量精确控制。同时，配合导流平面与阀座球形密封面之间的空腔形成一个流量稳定系统，从而整体提高精度标定效率和准确性，适用于作为电控阀门的执行机构，进一步配合标定系统优化自动标定过程。

本发明的一个方面带来的有益效果是：阀座由两部分拼合，拼合处设有间隙，同时阀座球形密封面的半径小于球阀球面半径，在通过边管压装阀球时，对碟簧施加有一定预紧力，随着阀球长期工作阀球和阀座间接合面会产生磨损，预设的间隙和更小的阀座球形密封面提供了一个预设的磨损量，即使长期工作，随着间隙的变小，阀座球形密封面的半径变大，仍能保证阀球和阀座之间的密封性能，从而保证其调节精度和闭合状态下的全密封，即一般球阀不具有的阀门关紧功能。

本发明的一个方面带来的有益效果是：内装式阀杆难以从外部实施润滑，间隙经过所述顶孔，当向间隙加注润滑剂时能够同时实现对阀杆部分的润滑剂加注。

附图说明

图1是现有技术中方孔阀球结构示意图；

图2是本发明实施例一90º开启时的剖面结构示意图；

图3是图2中阀座剖面结构示意图；

图4是图3的俯视示意图；

图5是图3的左视示意图；

图6是图2中阀球左视示意图；

图7是图2实施例中阀球一个工作状态俯视示意图；

图8是图7工作状态的左视示意图；

图9是图2实施例中阀杆安装结构示意图；

图10是图2实施例中碟簧的半剖示意图；

图11是图2实施例的阀门开启特性曲线；

图12是本发明实施例二90º开启时的剖面结构示意图；

其中，100、阀座，101、第一流道，102、球侧道口，103、球形密封面，104、顶孔，106、间隙，110、第一密封面，111、密封槽，120、第二密封面，121、密封槽，200、阀球，201、第二流道，202、球口，203、导流平面，204、球面，205、阀杆槽， 300、阀杆，301、阀杆限位部，302、阀杆套，401、中管，402、边管，403、空腔，500、碟簧，501、第一垫片，502、锥面簧片，503、第二垫片。

具体实施方式

首先应当说明的是，现有技术中，因为当球阀处于半开启状态时，由于介质造成的其他冲击作用在局部阀座上，会导致阀座与阀球配合结构的变形，大大缩短球阀的使用寿命；即使使用硬密封的球阀，因为其固有结构，其调节曲线属于慢开形曲线，存在小开度斜率小，大开度斜率大的问题，难于精确标定和控制；同时，一般由于球阀本身的构造性问题，难以实现长期使用中的完全关闭，特别是金属硬密封球阀只适用于颗粒料不适用于高温液体，而环形密封球阀处于半开启状态时具有阀球外流道，实际介质会充满整个阀腔。基于上述三方面考虑，当涉及对管道系统中高温液体介质的高精度调节时不会选用球阀的流量调节结构，而使用具有补偿结构的自力式流量控制阀、流量平衡阀等现有结构作为改进基础。如图1所示，现有技术中的方孔阀球是设置其流道截面的投影为方形，即流道在YZ面的投影为方形，其实际开孔后的球口为球面四边形，即球口边沿在XY面或者XZ面的投影均为弧线，这种结构由于采用了方形流道，可以实现一个斜率比较小的调节曲线，从而使得近完全开启位置时实现普通球阀不能实现的调节精度，但一方面其整体的调节曲线不能实现全范围的斜率稳定的最优调节，即线性度差，另一方面，仍不能克服球阀本身结构造成的无法适用于高温液体的精确流量调节问题。

下面通过实施例进一步具体说明本发明提供的技术方案，本发明技术方案带来的新的技术效果也可以从实施例中显易得出。

实施例一

如图2所示，本实施例是一种可线性控制流量的调节球阀，用于在管道系统中控制调节高温液体的流量，包括设置在全焊接阀体内的阀球200、包裹阀球200的阀座100、穿过阀座100连接阀球200的阀杆300。

本实施例中，全焊接阀体包括形成阀腔的中管401，和侵入中管401后与阀座100的第一流道101对接的边管402。边管402和阀座100之间设有碟簧500。装配时，两侧边管402加压将碟簧500预紧后，再将中管401两端收口后与边管402外壁焊接密封。边管402端部内壁和阀座100的第一密封面210之间形成柱面密封副，以防止介质通过边管402和阀座100的连接处泄露到空腔403内。优选的，第一密封面210上设有密封槽211，以便装配时套装O型圈加强密封。本发明的其他实施例中，边管420和阀座100之间可以是其他密封结构，同时第一密封面210也相应的具有不同的结合形状，如球面、锥面、异形面密封等。

本实施例中，如图3、4、5所示，阀座100从两侧开有截面为矩形的第二流道201，从顶部开有用于穿入阀杆300的顶孔104，阀座100内部包括一个完整包裹阀球200的球形密封面103，球形密封面103只通过顶孔104和第一流道101与外部相通。球形密封面103和第一流道101相交形成球侧道口102。阀座100由中部的间隙206完整的分为左阀座和右阀座，左阀座和右阀座分别由一个包裹阀球200的半球形密封面，间隙206中为填充的弹性密封层，一方面在球形密封面103包裹的腔体长期工作磨损后会变大，碟簧500存储的弹性释放后，克服弹性密封层弹性使得间隙206变窄，间隙500的设置提高了阀座100和阀球200之间的密封性，实现了完全关断和长期精确流量调节；另一方面，在阀球200旋转过程中，导流平面203同时和球侧道口102与间隙206相交时，会有介质从间隙206泄露出球形密封面103外，从而影响流量调节和流量标定精度，弹性密封层的设置防止了上述问题地发生。进一步的，本实施例中，阀座100内部球形密封面103的半径小于阀球200外部球面204的半径，如球面204直径为28mm时，球形密封面103的加工直径为27.5mm，从而保证球面204与球形密封面103的结合紧密型，保证阀球200与阀座100之间通过球面204和球形密封面103形成密封副。本发明的其他一些实施例中，为优化密封性能或调节能力，球面204可以优化为椭球等不影响阀球200在阀座100内旋转的非正球面，在保证过盈配合同时保持球形密封面103始终与球面204有完整围绕阀球200的接合球面，也可实现相同的技术效果。在本发明的其他一些实施例中，通过阀座100本身结构和材料的改进，以满足一定弹性形变从而补偿球形密封面103的界面磨损，特别是沿边管402压紧方向的磨损，则可以不设置间隙206。

本实施例中，如图6所示，阀球200两侧的矩形球口202外部设有一个导流平面203，导流平面203完整的覆盖整个球口202，从而外沿与球面204相交形成完整的圆形边。如图7、8所示，当阀杆300带动阀球200旋转到一个开启角度时，导流平面203与同侧的球侧道口102相交将球侧道口102分割，形成一边为直线三边为球面曲线的四边形道口，介质从该侧四边形道口流入时由导流平面203导流至第二流道201。在阀球200处于任何开启角度时，球面204与球形密封面形成完整的球面密封面使得介质在两侧第一流道101之间除第二流道201外无其他流道，以防止介质经过任何阀球外流道。本实施例中，由于导流平面203完整覆盖球口202，当导流平面203与球侧道口102相交时，即可形成贯通阀门入口和出口的流道，使得本实施例有效开启角度范围变大，如普通球阀有效开启角度为30º-90º，本实施例有效开启角度可以为5º-90º，从而提高了控制精度。在本发明的一些实施例中，导流平面203可以设置镀层或纹路以提高耐磨度或者提高导流效率。本实施例中阀球200球面外径明显大于边管402内径，从而实现各部件之间的密封配合。

如图9所示，本实施例中阀杆300采用内装式结构，中管401安装阀杆处焊接有阀杆套302，阀杆300一体的设有阀杆限位部301，安装时由中管401内部穿入阀杆套302，阀杆限位部301位于中管401内，且尺寸大于阀杆套302内径。阀杆300端部穿过顶孔104与阀球200连接，使得阀杆300转动时带动阀球200绕阀杆轴线转动。本实施例阀杆轴线通过球心，并和第二流道轴线共面，本发明其他实施例中为实现更好的开启调节曲线，也可以设置阀杆轴线不通过第二流道轴线的偏心结构。

如图10所示，本实施例中碟簧500由依次设置的第一垫片501、锥面簧片502和第二垫片503组成，第一垫片501、锥面簧片502和第二垫片503均设有矩形通孔。其中，锥面簧片502沿锥面一侧为大口另一侧为小口并具有弹性；第二垫片502截面为L形，其垂直环面与锥面簧片502的小口侧贴合，其水平柱面套入第一流道101内，以减少介质对第一流道101的冲蚀作用。

本实施例中，阀座100为聚四氟乙烯和碳纤维等成分组成的混合材料浇筑成型，长期使用温度可以达到300℃。在本发明的其他实施例中，阀座的材料也可以由其他有机聚合物与碳纤维和/或石墨组成。

如图11所示的开启特性曲线，图中横坐标为开启角度，单位为°，纵坐标为恒压时流量百分比，单位为%，其中曲线A为一般球阀开启特性曲线，可见其存在开启速度慢、线性度差、可调范围小等问题；曲线B为矩形流道的球阀开启曲线，可见其仍未解决线性调节的问题，难以适用于精确调节领域；曲线C为本实施例试验得到的开启特性曲线，实现了从5º到90º的全范围流量调节。

实施例二

如图12所示，本实施例是一种可线性控制流量的调节球阀，与实施例一的区别在于，其具有更好的调节稳定性，更好的润滑特性、更好的使用寿命以及优化的工艺成本。

本实施例的阀球200内部的第二流道201通径大于球口202通径，具体的为球形腔体。在阀球200的开启角随阀杆300驱动变化时，当介质通过球口202流入第二流道201后，由于通径的改变，介质会在阀球200内形成小型湍流，从而阻止管道系统中介质压力的突然改变，可以具有更平滑的流量调节曲线，使得通过开启角度控制流量的控制曲线更加准确，适于标定和控制。

同时其阀座100中的间隙106的截面为交错的S形，并且间隙104经过顶孔104。根据实施例一中描述，在导流平面同时与间隙106和球侧道口相交时，将在球形密封面外形成除第二流道之外的新流道，但一方面间隙106的截面积在一个时间段内固定不变，另一方面其截面积远小于第二流道，通过标定后的开启曲线可满足精度要求。同时，考虑间隙106的失效模式，在长期使用后，间隙106的截面积将逐渐变小，从而补偿球口和导流平面由于磨损导致的通径扩大，从而延长一次标定后的控制精度。另外，即使长期使用导致间隙106完全闭合，由于其截面是互相啮合的，将重新形成完整的球形密封面，重新达到实施例一中的密封效果。在本发明的一些实施例中，间隙106也用于加固态注润滑剂，以减小球面204和球形密封面103之间的磨损，由于间隙106经过顶孔，可以形成连续的固态注润滑剂加注腔。

当间隙106存在时，由于第二密封面与中管形成密封副，介质仍不能进入中管与边管之间的空腔403。

Claims (10)

1.一种可线性控制流量的调节球阀，阀体内的阀座中设有通过阀杆驱动旋转的阀球，其特征在于：所述阀球两侧设有覆盖矩形球口的导流平面，所述阀座设有与矩形球口对应的矩形第一流道，在所述导流平面随阀球旋转的至少一个行程内，所述第一流道的球侧道口被导流平面分割为两个部分，以便其中一个部分流通介质；所述阀座的球形密封面面积大于所述阀球球面面积，以便完整地包裹阀球从而防止介质沿阀球球面流通；所述阀杆穿过所述阀座的顶孔与阀球连接。

2.根据权利要求1所述的一种可线性控制流量的调节球阀，其特征在于：所述阀球具有通径大于所述矩形球口通径的第二流道。

3.根据权利要求1所述的一种可线性控制流量的调节球阀，其特征在于：所述阀体包括中管和插入中管的边管；边管和所述阀座之间设有碟簧；所述阀座由两部分拼合，拼合处设有间隙；所述阀座与阀球之间为过盈配合。

4.根据权利要求3所述的一种可线性控制流量的调节球阀，其特征在于：所述间隙的截面为S形。

5.根据权利要求3所述的一种可线性控制流量的调节球阀，其特征在于：所述阀座包括与边管端部接合的第一密封面和与中管内壁接合的第二密封面，以防止介质进入中管与边管之间的空腔。

6.根据权利要求4所述的一种可线性控制流量的调节球阀，其特征在于：所述间隙经过所述顶孔。

7.根据权利要求5所述的一种可线性控制流量的调节球阀，其特征在于：所述阀杆为内装式阀杆。

8.根据权利要求3所述的一种可线性控制流量的调节球阀，其特征在于：所述碟簧设有矩形通孔。

9.根据权利要求3所述的一种可线性控制流量的调节球阀，其特征在于：所述碟簧包括依次设置的第一垫片、锥面簧片和第二垫片；所述第二垫片截面为L形并设在所述锥面簧片的小口侧。

10.根据权利要求1至9任一项所述的一种可线性控制流量的调节球阀，其特征在于：制作阀座的材料包含碳纤维或石墨中的一种或两种成分。