CN112096899B - 锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无摩擦球阀领域，具体涉及一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀，包括固连在锥形伺服电机、阀芯轴；传动机构安装架的下端固连有中空球形阀体；中空球形阀体内部安装有正方体形阀芯；阀芯下底面的中心处设有圆孔，圆孔中插入上端光轴下端螺纹式泄放螺栓的上半光轴段，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓下半螺纹段与中空球形阀体形成固连密封。本发明将特种电机、电机直驱、阀瓣可伸缩脱离阀体的思想应用到传统的球阀设计中，从而达到动力元件精确控制，无需传动机构即可产生两种运动类型，阀芯和阀瓣旋转过程中与阀座脱离接触，从而达到无摩擦运动的目的。

Description

锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀
技术领域
本发明涉及无摩擦球阀领域，具体涉及一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀。
背景技术
我国作为石油运输、消耗大国，用于石油运输的管道总长度已经超过2万公里，并且呈逐年递增趋势。而球阀作为调节管道流量的重要部件被广泛应用于油、气运输管线路中。由于球阀具有流体阻力小，启闭速度快和操作简单等特点，因此广泛使用在在石油、化工、电站等行业。球阀的密封是通过球体和阀座之间预先设定的预紧力加上液体压力在阀座密封面上引起的作用力形成的。
传统球阀普遍存在着以下缺陷：①、在阀门的开启与关闭过程中，球体始终与阀座紧密贴合，旋转时摩擦力大，长期多次使用后，球体与阀座磨损现象严重。②、长期频繁操作后，阀芯产生磨损使阀门在导通或关闭状态下会产生泄露等不良状况，使用寿命较短。③、启闭操作十分费力，常常受到使用环境包括流动截止温度、压力的限制。大型的球阀其驱动装置设计也不够完善，减速器等部分体积较大，不利于安装等问题都影响了其使用性能，难以满足现代工业生产的需要。
目前市场上存在的无摩擦球阀可分为两大类。一类是偏置式无摩擦球阀，通过偏心拨杆拨动阀芯整体沿底部中轴线产生偏移，阀芯与阀座脱离接触，进而使得开闭阀门过程无摩擦；另一类是轨道式无摩擦球阀，此类无摩擦球阀阀芯部分多为楔形阀芯，且阀芯阀瓣分开制作，相互配合移动，可将上下竖直位移转化为阀瓣的水平位移进而达到无摩擦的效果。上述两大类无摩擦球阀也都存在传动机构设计复杂，且偏置式的无摩擦偶发密封效果存在较大缺陷，不可在关键管路中使用。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀，将特种电机、电机直驱、阀瓣可伸缩脱离阀体的思想应用到传统的球阀设计中，从而达到动力元件精确控制，无需传动机构即可产生两种运动类型，阀芯和阀瓣旋转过程中与阀座脱离接触，从而达到无摩擦运动的目的。
本发明实现上述功能的技术方案是：一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀，其特殊之处在于：
包括固连在锥形伺服电机输出轴上端的输出轴端盖，输出轴端盖下侧设有锥形伺服电机锥形转子，锥形伺服电机锥形转子的内侧与锥形伺服电机输出轴形成配合连接，锥形伺服电机锥形转子的外侧设有磁极，磁极的外侧配合安装有锥形伺服电机锥形定子，锥形伺服电机锥形定子的下端与传动机构安装架的上端固连；
锥形伺服电机输出轴从传动机构安装架的内部穿过后，通过销轴与阀芯轴固连在一起；传动机构安装架的下端固连有中空球形阀体；中空球形阀体内部安装有正方体形阀芯；
正方体形阀芯四个水平面上开设四个凹槽，分别为：第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽，其中第一凹槽和第二凹槽相对，安装两个开位阀瓣，第三凹槽、第四凹槽相对，安装两个关位阀瓣；阀芯轴底部插入正方体形阀芯上顶面中心的方形孔内；正方体形阀芯的上顶面上四条边分别开设有长方形的第一滑道、第二滑道、第三滑道以及第四滑道，第一滑道、第二滑道、第三滑道以及第四滑道内部分别安装有第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块；第一滑块和第二滑块前端固连在开位阀瓣的背面，第三滑块和第四滑块前端固连在关位阀瓣的背面；滑块另一端分别由第一曲柄、第二曲柄、第三曲柄、第四曲柄与阀芯轴相连；阀芯下底面的中心处设有圆孔，圆孔中插入上端光轴下端螺纹式泄放螺栓的上半光轴段，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓的下半螺纹段与中空球形阀体形成固连密封。
进一步地，上述锥形伺服电机锥形转子的内侧通过平键与锥形伺服电机输出轴形成配合连接。
进一步地，上述锥形伺服电机锥形转子的外侧均布有12个磁极。
进一步地，上述磁极的外侧间隙1～2mm处配合安装有锥形伺服电机锥形定子。
进一步地，上述上端光轴下端螺纹式泄放螺栓的下半螺纹段与中空球形阀体通过螺纹形成固连密封。
本发明的优点：
1、本发明采用设计特殊类型的锥形电机，因其本身定子与转子的呈锥形结构特点，产生的旋转磁场可以产生沿径向和沿轴向的力，即可以同时输出两种运动类型，旋转运动和直线运动。由此“伺服电直驱”的思路设计，可以省去复杂的传动机构，直接达到配合阀芯运动所需要的两种运动类型，效率与精度大大提高；
2、本发明阀体部分采用阀芯安装阀瓣、阀瓣可以伸缩的结构，能够达到阀瓣与阀体的脱离，进而使阀工作过程中不存在摩擦，克服了以往楔形阀芯在上移过程中仍存在摩擦的问题，使得阀体寿命大大延长；
3、本发明阀瓣依靠曲柄连杆机构实现阀瓣的水平位移，不需要另一套多余的动力机构来满足这一运动需求。节省了设计空间；
4、本发明阀芯的底部的凹槽配合特殊的泄放螺栓设计，可以起到阀芯旋转过程的支撑导向作用，在阀门状态切换完毕后，拧出泄放螺栓可以排除切换过程中残存的液体。
附图说明
图1为本发明实施例中球阀完全开启时剖面结构图；
图2为本发明实施例中球阀完全关闭时剖面结构图；
图3为动力源锥形伺服电机端面视图；
图4为本发明整体外观轴侧图；
图5为本发明中伸缩式阀芯整体结构图；
图6为本发明中部件阀芯8结构图；
图7为本发明中部件开位阀瓣6结构图；
图8为关位阀瓣15结构图；
图9为本发明中部件阀芯轴11的结构图。
图中：1、锥形伺服电机锥形转子；17、磁极；2、平键；3、锥形伺服电机锥形定子；4、传动机构安装架；5、中空球形阀体；6、开位阀瓣；7、上端光轴下端螺纹式泄放螺栓；8、正方体形阀芯；81、第一滑道；82、第二滑道；83、第三滑道、84、第四滑道；85、方形孔；86、圆孔；87、第一凹槽；88、第二凹槽；89、第三凹槽；810、第四凹槽；91、第一滑块；92、第二滑块；93、第三滑块；94、第四滑块；101、第一曲柄；102、第二曲柄；103、第三曲柄；104、第四曲柄；11、阀芯轴；12、锥形伺服电机输出轴；13、输出轴端盖；14、销轴；15、关位阀瓣。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
如图1～图9所示，一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球，包括固连在锥形伺服电机输出轴12上端的输出轴端盖13，输出轴端盖13下侧的锥形伺服电机锥形转子1的内侧通过平键2与锥形伺服电机输出轴12形成配合连接，锥形伺服电机锥形转子1的外侧均布有12个磁极17，磁极17的外侧间隙1～2mm处配合安装有锥形伺服电机锥形定子3，锥形伺服电机锥形定子3的下端固连在传动机构安装架4的上端。锥形伺服电机输出轴12从传动机构安装架4的内部穿过后，通过销轴14与阀芯轴11固连在一起。中空球形阀体5固连在传动机构安装架4的下端。中空球形阀体5内部安装有正方体形阀芯8。正方体形阀芯8四个水平面上开设四个凹槽，第一凹槽87、第二凹槽88、第三凹槽89、第四凹槽810。其中第一凹槽87和第二凹槽88相对，安装两个开位阀瓣6。第三凹槽89、第四凹槽810相对，安装两个关位阀瓣15。阀芯轴12底部插入正方体形阀芯8上顶面中心的方形孔85内。正方体形阀芯8的上顶面上四条边分别开设有长方形的第一滑道81，第二滑道82，第三滑道83以及第四滑道84。第一滑道81，第二滑道82，第三滑道83以及第四滑道84内部分别安装有第一滑块91，第二滑块92，第三滑块93和第四滑块94。第一滑块91和第二滑块92前端固连在开位阀瓣6的背面，第三滑块93和第四滑块94前端固连在关位阀瓣15的背面。滑块另一端分别由第一曲柄101，第二曲柄102，第三曲柄103，第四曲柄104与阀芯轴11相连。阀芯8下底面的中心处存在圆孔86，圆孔86中插入上端光轴下端螺纹式泄放螺栓7的上半光轴段，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓7的下半螺纹段与中空球形阀体5通过螺纹形成固连密封。
参见图1，球阀处于开启状态时，锥形伺服电机锥形转子1处于竖直高度最低点，此时磁极17与锥形伺服电机锥形定子3的间隙最小。传动机构处于图中位置，阀芯轴11处于竖直高度的最低点，最底端正方形段底面与正方体形阀芯8顶面中心孔方形孔85底部相接触。阀芯轴11通过第一曲柄101，第二曲柄102和第一滑块91；第二滑块92运动，滑块处于滑道最外端，推动两个开位阀瓣6顶出，流体通过，阀门完全打开。
图2是阀门的关闭状态，较于图1的阀门开启状态，传动机构整体以及正方体形阀芯8已经顺时针旋转了90°，阀芯轴11处于最低点，推动两个关位阀瓣15顶出最外端，此时关位阀瓣15的实心球面与中空球形阀体5内腔完全贴合，阻断流体，阀门完全关闭。
参见图3，锥形伺服电机锥形转子1圆锥面上沿中轴线圆周阵列排布若干个磁极17，磁形按照N-S-N-S……循环排列。
参见图5与图6，阀芯8顶面的4个滑道所在位置，滑道左右两面存在凸起边，与每个滑块侧面相配合，由此限制4个滑块不能在竖直方向离开滑道。
参见图9，阀芯轴11结构分为4段，最上端开出的销孔用于安装传动的销轴14，次级无作用，再次级的一段为正方形柱体，4个面用于安装4个曲柄，最底段正方形柱体段插入正方体形阀芯8顶面中心的方形孔85，用于传递旋转运动。
本发明的工作原理为：
1、本发明阀门由开启转换到关闭的过程：启动锥形电机，通入锥形伺服电机锥形定子3内三相电压，形成对磁极17产生沿径向合力为0且沿轴向竖直向上的磁场。由此，磁极17连同锥形伺服电机锥形转子1、输出轴端盖13和锥形伺服电机输出轴12一起竖直向上运动，锥形伺服电机输出轴12下端经过销轴14带动阀芯轴11上升，带动第一曲柄101，第二曲柄102，第三曲柄103和第四曲柄104上升，由于各自的滑道与滑块之间存在竖直方向限制，因此第一滑块91，第二滑块92，第三滑块93和第四滑块94被第一曲柄101，第二曲柄102，第三曲柄103和第四曲柄104拉动向着中心方向沿各自滑道平移，进一步拉动开位阀瓣6一起向中心方向收缩运动，由此4额阀瓣与中空球形阀体5内壁脱离接触，产生空隙。上升到一段距离后，改变三相电压输入，使锥形伺服电机锥形定子3在保持竖直向上合磁场不变情况下，产生沿圆周方向旋转的径向磁场，拉动磁极17跟随产生旋转运动，此时的工作原理与普通永磁同步电机工作原理相同。再由平键2传递旋转运动到锥形伺服电机输出轴12，仍然通过销轴14带动阀芯轴11旋转，阀芯轴11最底部正方形段上升后仍处于阀芯8顶面中心方孔85内，因此阀芯轴11的转动可传递至阀芯8，阀芯8被带动旋转90°后停止，关位阀瓣15与管道相平行。然后通入与开始竖直向上磁场相反方向合磁场的三相电。由此带动磁极17，锥形伺服电机锥形转子1，锥形伺服电机输出轴12和阀芯轴11整体竖直向下运动，至正方体形阀芯8上平面的方形孔85底部停止，阀芯轴11向下运动过程中，4个曲柄下移，推动4个滑块向外滑动，进一步推动关位阀瓣15向外伸出与内腔接触贴合。由此阻断流体，阀门完全关闭。
2、本发明阀门由关闭转换到开启的过程：
阀门的开启过程与阀门的关闭过程动力源、传动机构、阀芯部分所执行的动作完全相同，即阀芯轴11先上升使关位阀瓣15与阀体内腔脱离接触，再旋转90°使开位阀瓣6与管道平行，再使阀芯轴11下移，通过4个曲柄和4个滑块推动开位阀瓣6与阀体内腔贴合，由此流体可经开位阀瓣6中间圆形孔和阀芯8中心的圆柱孔通过，阀门完全打开。
3、本发明阀门状态切换完毕排放残余液体过程：上端光轴下端螺纹式泄放螺栓7的上端光轴部分在上述两个过程中均起到了对锥形阀芯运动的导向和限位作用。在状态切换完毕后，从外部旋转出上端光轴下端螺纹式泄放螺栓7与中空球形阀体5底部脱离，即可排出腔内残余液体。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀，其特征在于：
包括固连在锥形伺服电机输出轴(12)上端的输出轴端盖(13)，输出轴端盖(13)下侧设有锥形伺服电机锥形转子(1)，锥形伺服电机锥形转子(1)的内侧与锥形伺服电机输出轴(12)形成配合连接，锥形伺服电机锥形转子(1)的外侧设有磁极(17)，磁极(17)的外侧配合安装有锥形伺服电机锥形定子(3)，锥形伺服电机锥形定子(3)的下端与传动机构安装架(4)的上端固连；
锥形伺服电机输出轴(12)从传动机构安装架(4)的内部穿过后，通过销轴(14)与阀芯轴(11)固连在一起；传动机构安装架(4)的下端固连有中空球形阀体(5)；中空球形阀体(5)内部安装有正方体形阀芯(8)；
正方体形阀芯(8)四个水平面上开设四个凹槽，分别为：第一凹槽(87)、第二凹槽(88)、第三凹槽(89)、第四凹槽(810)，其中第一凹槽(87)和第二凹槽(88)相对，安装两个开位阀瓣(6)，第三凹槽(89)、第四凹槽(810)相对，安装两个关位阀瓣(15)；阀芯轴(11 )底部插入正方体形阀芯(8)上顶面中心的方形孔(85)内；正方体形阀芯(8)的上顶面上四条边分别开设有长方形的第一滑道(81)、第二滑道(82)、第三滑道(83)以及第四滑道(84)，第一滑道(81)、第二滑道(82)、第三滑道(83)以及第四滑道(84)内部分别安装有第一滑块(91)、第二滑块(92)、第三滑块(93)和第四滑块(94)；第一滑块(91)和第二滑块(92)前端固连在开位阀瓣(6)的背面，第三滑块(93)和第四滑块(94)前端固连在关位阀瓣(15)的背面；滑块另一端分别由第一曲柄(101)、第二曲柄(102)、第三曲柄(103)、第四曲柄(104)与阀芯轴(11)相连；阀芯(8)下底面的中心处设有圆孔(86)，圆孔(86)中插入上端光轴下端螺纹式泄放螺栓(7)的上半光轴段，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓(7)的下半螺纹段与中空球形阀体(5)形成固连密封。
2.根据权利要求1所述的一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀，其特征在于：
所述锥形伺服电机锥形转子(1)的内侧通过平键(2)与锥形伺服电机输出轴(12)形成配合连接。
3.根据权利要求2所述的一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀，其特征在于：
所述锥形伺服电机锥形转子(1)的外侧均布有12个磁极(17)。
4.根据权利要求3所述的一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀，其特征在于：
所述磁极(17)的外侧间隙1～2mm处配合安装有锥形伺服电机锥形定子(3)。
5.根据权利要求4所述的一种锥形电机伺服直驱式伸缩型无摩擦球阀，其特征在于：
所述上端光轴下端螺纹式泄放螺栓(7)的下半螺纹段与中空球形阀体(5)通过螺纹形成固连密封。
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