CN110230711B - 一种带蓄能阀座的三通换向阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换向阀技术领域，且公开了一种带蓄能阀座的三通换向阀，包括阀体、阀芯、蓄能阀座、弧形压片、螺钉、蓄能斜圈弹簧，所述阀芯位于阀体内，阀体内壁安装有蓄能阀座，蓄能阀座用弧形压片与螺钉固定在阀体上。通过三通换向阀阀芯挤压阀座形成密封，但长期工作阀芯与阀座均会出现严重磨损，本专利设计了一种带蓄能阀座的三通换向阀，蓄能阀座是弹性结构且选用弹性材料，降低了阀芯转动时所受的摩擦力与剪切力，且蓄能阀座内部的蓄能斜圈弹簧有很好的回弹性能，避免了密封时阀芯与蓄能阀座长期挤压导致的高水平应力，减小了阀杆转动过程产生的扭矩的大小以及对阀芯的磨损，延长了阀门使用寿命。

Description

一种带蓄能阀座的三通换向阀

技术领域

本发明涉及换向阀技术领域，具体为一种带蓄能阀座的三通换向阀。

背景技术

泥水盾构接管器三通换向阀由阀芯挤压阀座实现密封，防止泥水混合物流过阀芯与阀体间的间隙进入其他管道，目前国内企业尚未完全掌握泥水盾构接管器三通换向阀技术，基本采用进口产品和技术。

三通换向阀在工作过程中存在颗粒物进入密封圈破坏密封结构导致密封失效、阀门启闭摩擦的扭矩过大、阀芯磨损严重、阀芯卡死等问题，在专利CN105697819A中，阀座采用实心结构，这种结构与阀芯长期挤压会导致高应力状态，增大了阀芯的磨损程度，长时间工作会破坏阀座密封性能，缩短阀门寿命。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种带蓄能阀座的三通换向阀，具备保持阀座密封性、延长阀门寿命的优点，解决了长期工作破坏阀座密封性能、缩短阀门寿命的问题。

(二)技术方案

为实现上述保持阀座密封性、延长阀门寿命的目的，本发明提供如下技术方案：一种带蓄能阀座的三通换向阀，包括阀体、阀芯、蓄能阀座、弧形压片、螺钉、蓄能斜圈弹簧，所述阀芯位于阀体内，阀体内壁安装有蓄能阀座，蓄能阀座用弧形压片与螺钉固定在阀体上，在蓄能阀座上开槽放置蓄能斜圈弹簧，阀芯与蓄能阀座挤压形成密封结构。

优选的，所述蓄能斜圈弹簧作为蓄能阀座的弹性补偿元件，蓄能斜圈弹簧横截面为椭圆，受压方向为短轴方向，其相比一般螺旋弹簧不仅有螺旋方向的升角，还有一个轴线方向的倾斜角，这种结构类型可提供优良的回弹特性和变形能力。

优选的，所述国内蓄能斜圈弹簧的参数计算公式并不完善，本发明对其结构参数公式进行了推导，得到其刚度关系式：

式中：k是环形蓄能斜圈弹簧的刚度，N/mm；F弹簧承受的力，N；Δl是弹簧的变形量，mm；E是弹性模量，MPa；a是弹簧椭圆截面长轴，mm；b是弹簧椭圆截面短轴，mm；n是线圈数量；μ是材料泊松比。

优选的，所述蓄能阀座的内部开设有与螺钉对应的螺孔。

优选的，所述阀体的厚度最大不超过1厘米。

优选的，所述三通换向阀的三个接口分别为泥浆主管a接口、泥浆主管b接口、泥浆封堵管接口且接口横截面积一致。

优选的，所述阀芯的内部活动安装有阀芯流道。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种带蓄能阀座的三通换向阀，具备以下有益效果：

1、该带蓄能阀座的三通换向阀，通过三通换向阀阀芯挤压阀座形成密封，但长期工作阀芯与阀座均会出现严重磨损，本专利设计了一种带蓄能阀座的三通换向阀，蓄能阀座是弹性结构且选用弹性材料，降低了阀芯转动时所受的摩擦力与剪切力，且蓄能阀座内部的蓄能斜圈弹簧有很好的回弹性能，避免了密封时阀芯与蓄能阀座长期挤压导致的高水平应力，减小了阀杆转动过程产生的扭矩的大小以及对阀芯的磨损，延长了阀门使用寿命。

2、该带蓄能阀座的三通换向阀，通过蓄能斜圈弹簧能够承受一定的压缩变形、减小弹簧的变形量，并能最大程度补偿表面不平及结合公差带来的影响，使蓄能阀座能够在振动、冲击等恶劣工程条件下正常工作。

附图说明

图1为本发明三通换向阀直通流道结构示意图；

图2为本发明三通换向阀直通流道结构示意图；

图3为本发明蓄能阀座径向截面放大结构示意图；

图4为本发明蓄能阀座轴向截面结构示意图。

图中：1阀体、2阀芯、3蓄能阀座、4弧形压片、5螺钉、6蓄能斜圈弹簧、7阀芯流道、11a泥浆主管a接口、11b泥浆主管b接口、12泥浆封堵管接口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，一种带蓄能阀座的三通换向阀，包括阀体1、阀芯2、蓄能阀座3、弧形压片4、螺钉5、蓄能斜圈弹簧6，阀芯2的内部活动安装有阀芯流道7，阀芯2位于阀体1内，阀体1的厚度最大不超过1厘米，阀体1内壁安装有蓄能阀座3，蓄能阀座3的内部开设有与螺钉5对应的螺孔，蓄能阀座3其内部蓄能斜圈弹簧6刚度关系式：

式中：k是环形蓄能斜圈弹簧的刚度，N/mm；F弹簧承受的力，N；Δl是弹簧的变形量，mm；E是弹性模量，MPa；a是弹簧椭圆截面长轴，mm；b是弹簧椭圆截面短轴，mm；n是线圈数量；μ是材料泊松比，阀芯与阀座始终紧密接触，蓄能阀座3开槽来设置蓄能斜圈弹簧6，蓄能阀座3用弧形压片4与螺钉5固定在阀体1上，在蓄能阀座3上开槽放置蓄能斜圈弹簧6，阀芯2与蓄能阀座3挤压形成密封结构，三通换向阀的三个接口分别为泥浆主管a接口11a、泥浆主管b接口11b、泥浆封堵管接口12且接口横截面积一致。。

工作原理：一种带蓄能阀座的三通换向阀，泥水盾构机接管器台车上设有直通换向阀和封堵换向阀，直通换向阀和封堵换向阀均为本发明三通换向阀的结构。

直通换向阀和封堵换向阀均包括阀体1和位于阀体内的阀芯2，直通换向阀的接口分别与泥水盾构机泥浆主管a和泥浆主管b连通，封堵换向阀的接口分别与泥水盾构机的泥浆主管a和泥浆封堵管道连通。接口均设置在阀体1上，阀芯2内设有弧形流道7，阀芯2转动实现流道7选择性连通其中两个接口。本发明三通换向阀采用液压驱动，液压缸带动齿轮齿条驱动阀芯2旋转，阀芯2上设有流道7，阀体1上有三个接口，随着阀芯2旋转，可以切换流道7的连通路径。

三通换向阀工作时泥浆主管a和泥浆主管b连通，泥浆通过阀芯流道7与泥浆主管接口连接处时存在泄漏问题，所以阀体1内壁进出口通道边上设有蓄能阀座3，其沿管道接口20mm处的阀体1内壁环绕管道接口一圈，蓄能阀座3结构中有两道密封环带，密封环带的内外两侧都有若干弧形压片4，弧形压片4可使橡胶层紧密贴合在阀体1内壁上，弧形压片4通过沉头螺钉5将蓄能阀座3固定在阀体1内，沉头螺钉5完全嵌入弧形压片4可防止与阀芯2的接触，密封环带内部是空心结构，其中放置蓄能斜圈弹簧6，由蓄能斜圈弹簧6作为橡胶层的支撑结构。

阀芯2与蓄能阀座3形成密封配合，阀芯与密封环带相互挤压形成密封结构，防止流体泄漏，可以保证阀芯流道7内的流体不会通过阀体1与阀芯2间的间隙流出，确保阀芯流道7切换连通管路时的密封性、精确性。当阀芯2不动时，阀芯2带给阀座3恒定的压力，使三通换向阀处于密封状态，而当齿轮带动阀芯2转动时，阀芯2的转动使阀座3受力情况改变，其不但受压力作用，还受与压力垂直且与阀芯2转动方向一致的摩擦力，此时蓄能斜圈弹簧6的力学性能使阀芯2转动阻力减小，三通换向阀仍处于密封状态。

由于三通换向阀阀体1与阀芯2间距固定，其密封性能主要由蓄能阀座3弹性性能决定，为根据压力要求选择符合要求的弹簧及校核其密封效果，本发明还对蓄能阀座中的蓄能斜圈弹簧6参数关系式进行了推导：

第一步、蓄能斜圈弹簧6的受力状态及变形过程均较为复杂，当弹簧受力时，随着位移的变化，弹簧的结构也在发生变化，从而导致弹簧的整体受力情况发生变化，所以本专利通过简化模型来计算弹簧变形量和推导弹簧刚度公式。

蓄能斜圈弹簧6所受的力为径向力，其结构具有对称性，每个单圈的形状相同，同时蓄能斜圈弹簧6接触受力均匀，所以每个单圈的受力和变形情况一致，可以将蓄能斜圈弹簧6的径向受力情况简化成单圈蓄能斜圈弹簧的受力情况。

第二步、由于弹性体内所储存的变形能只与外力和位移的最终数值有关，而与加载方式无关，所以应用莫尔定理进行公式推导，若要求某一点的线位移，只需在该点上沿着线位移的方向作用一单位集中力，以此来计算弹簧变形量。

为简化计算，还需要进行一定的假设，设其椭圆截面长轴长为a，短轴长为b，线径为d，杆端承受铅垂方向的载荷F，I_x是对x轴的惯性矩，I_y是对y轴的惯性矩。

第三步、蓄能斜圈弹簧6刚度关系式：

式中：k是环形蓄能斜圈弹簧的刚度，N/mm；F弹簧承受的力，N；Δl是弹簧的变形量，mm；E是弹性模量，MPa；n是线圈数量；μ是材料泊松比。

蓄能斜圈弹簧6倾斜角计算公式：

式中：c是单圈弹簧两端间距，mm。

蓄能斜圈弹簧6节距计算公式：

式中：D是环形弹簧的直径，mm。

弹簧承受径向载荷后，长轴a增长，短轴b缩短，根据推导所得弹簧刚度关系式分析，其刚度k随着长短轴的变化呈非线性增大趋势，所以本发明蓄能阀座3选取蓄能斜圈弹簧6时需确定最小载荷时阀门处于密封状态及最大载荷时蓄能斜圈弹簧6仍在弹性极限内。

综上所述，该带蓄能阀座的三通换向阀，通过三通换向阀阀芯挤压阀座形成密封，但长期工作阀芯与阀座均会出现严重磨损，本专利设计了一种带蓄能阀座的三通换向阀，蓄能阀座3是弹性结构且选用弹性材料，降低了阀芯转动时所受的摩擦力与剪切力，且蓄能阀座3内部的蓄能斜圈弹簧6有很好的回弹性能，避免了密封时阀芯2与蓄能阀座3长期挤压导致的高水平应力，减小了阀杆转动过程产生的扭矩的大小以及对阀芯2的磨损，延长了阀门使用寿命。

该带蓄能阀座的三通换向阀，通过蓄能斜圈弹簧6能够承受一定的压缩变形、减小弹簧的变形量，并能最大程度补偿表面不平及结合公差带来的影响，使蓄能阀座3能够在振动、冲击等恶劣工程条件下正常工作。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种带蓄能阀座的三通换向阀，包括阀体（1）、阀芯（2）、蓄能阀座（3）、弧形压片（4）、螺钉（5）、蓄能斜圈弹簧（6），其特征在于：所述阀芯（2）位于阀体（1）内，所述阀芯（2）与蓄能阀座（3）始终紧密接触，蓄能阀座（3）开槽来设置蓄能斜圈弹簧（6），阀体（1）内壁安装有蓄能阀座（3），蓄能阀座（3）用弧形压片（4）与螺钉（5）固定在阀体（1）上，在蓄能阀座（3）上开槽放置蓄能斜圈弹簧（6），阀芯（2）与蓄能阀座（3）挤压形成密封结构；所述蓄能阀座（3），其内部蓄能斜圈弹簧（6）刚度关系式：

k=

=

式中：k是环形蓄能斜圈弹簧的刚度，N/mm；F弹簧承受的力，N；∆l是弹簧的变形量，mm；E是弹性模量，MPa；a是弹簧椭圆截面长轴，mm；b是弹簧椭圆截面短轴，mm；n是线圈数量；μ是材料泊松比。

2.根据权利要求1所述的一种带蓄能阀座的三通换向阀，其特征在于：所述蓄能阀座（3）的内部开设有与螺钉（5）对应的螺孔。

3.根据权利要求1所述的一种带蓄能阀座的三通换向阀，其特征在于：所述阀体（1）的厚度最大不超过1厘米。

4.根据权利要求1所述的一种带蓄能阀座的三通换向阀，其特征在于：所述三通换向阀的三个接口分别为泥浆主管a接口（11a）、泥浆主管b接口（11b）、泥浆封堵管接口（12）且接口横截面积一致。

5.根据权利要求1所述的一种带蓄能阀座的三通换向阀，其特征在于：所述阀体（1）的内部活动安装有带有阀芯流道（7）的阀芯（2）。

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