CN112096900B - 一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀 - Google Patents

一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无摩擦球阀领域，具体涉及一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀，包括直线电机，直线电机与输出轴相固连；输出轴穿过摆动油缸后与阀芯轴相固连；还包括阀芯轴，阀芯轴底部插入正方体形阀芯上顶面中心的方形孔内，正方体形阀芯下底面的中心处存在圆孔，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的与中空球形阀体形成固连密封。本发明将机电一体化、分散多动力、阀瓣可伸缩脱离阀体的思想应用到现代的无摩擦球阀设计中，从而达到动力元件精确控制，传动结构简单且效率高，分散动力源输出更加可靠，阀体开闭过程均与阀座无接触摩擦运动的目的。

Description

一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀
技术领域
本发明涉及无摩擦球阀领域，具体涉及一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀。
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，本发明提出一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀，将机电一体化、分散多动力、阀瓣可伸缩脱离阀体的思想应用到现代的无摩擦球阀设计中，从而达到动力元件精确控制，传动结构简单且效率高，分散动力源输出更加可靠，阀体开闭过程均与阀座无接触摩擦运动的目的。
本发明实现上述功能的技术方案是：一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀，其特殊之处在于：
包括环形永磁体组，环形永磁体组下端安装有初级绕组块，初级绕组块与输出轴相固连；输出轴穿过固定在传动机构安装架上的摆动油缸后通过销轴与阀芯轴相固连；摆动油缸内部设有第一油孔、第二油孔和固定板以及滑环，滑环通过键槽与输出轴相连；
传动机构安装架与中空球形阀体的上端相固连，中空球形阀体的内部配合安装有正方体形阀芯，正方体形阀芯四个侧面上分别开设一个凹槽，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；
还包括阀芯轴，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的内部分别安装有第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块；
第一滑块前端固连在一个开位阀瓣的背面，第二滑块前端固连在另一个开位阀瓣的背面，第三滑块前端固连在一个关位阀瓣的背面，第四滑块前端固连在另一个关位阀瓣的背面；第一滑块的另一端由第一曲柄与阀芯轴相连，第二滑块的另一端由第二曲柄与阀芯轴相连，第三滑块的另一端由第三曲柄与阀芯轴相连，第四滑块的另一端由第四曲柄与阀芯轴相连；
正方体形阀芯下底面的中心处存在圆孔，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，上述环形永磁体组下端1～2mm气隙处安装有初级绕组块。
进一步地，上述初级绕组块通过长螺栓与输出轴相固连。
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、本发明利用分散多动力和伺服电直驱思想，采用了特殊形式的直线电机和摆动油缸组合，共同驱动同一根输出轴输出动力，该输出轴即可同时输出直线位移和转动两种运动类型。由此省去了复杂的分时传动机构，达到了更高的工作效率，且动力分散输出使系统更加稳定可靠；
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为本发明整体外观轴测图；
图4为本发明中摆动油缸4及内部结构图；
图5为本发明中伸缩式阀芯部分整体结构轴侧图；
图6为本发明中部件正方体形阀芯7结构图；
图7为本发明中部件开位阀瓣8的结构图；
图8为本发明中关位阀瓣15的结构图；
图9为本发明中部件阀芯轴12的结构图。
图中：1、环形永磁体组；2、初级绕组块；3、输出轴；4、摆动油缸；41、第一油孔；42、第二油孔；43、固定板；5、传动机构安装架；6、中空球形阀体；7、正方体形阀芯；71、第一滑道；72、第二滑道；73、第三滑道、74、第四滑道；75、方形孔；76、圆孔；77、第一凹槽；78、第二凹槽；79、第三凹槽；710、第四凹槽；8、开位阀瓣；9、上端光轴下端螺纹式泄放螺栓；101、第一滑块；102、第二滑块；103、第三滑块；104、第四滑块；111、第一曲柄；112、第二曲柄；113、第三曲柄；114、第四曲柄；12、阀芯轴；13、滑环；14、长键槽；15、关位阀瓣；16、销轴；17、长螺栓。
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，一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀，包括环形永磁体组1，环形永磁体组1下端12mm气隙处安装有初级绕组块2，初级绕组块2通过长螺栓17与输出轴3相固连。输出轴3穿过固定在传动机构安装架5上的摆动油缸4后通过销轴16与阀芯轴12相固连。摆动油缸4内部存在第一油孔41，第二油孔42和固定板43以及滑环13，滑环13通过键槽14与输出轴3相连。中空球形阀体6的上端与传动机构安装架5相固连。中空球形阀体6的内部配合安装有正方体形阀芯7，正方体形阀芯7四个侧面上分别开设一个凹槽，第一凹槽77、第二凹槽78、第三凹槽79、第四凹槽710。其中第一凹槽77和第二凹槽78相对，安装两个开位阀瓣8。第三凹槽79、第四凹槽710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7上顶面中心的方形孔75内。正方体形阀芯7的上顶面上四条边分别开设有长方形的第一滑道71，第二滑道72，第三滑道73以及第四滑道74。第一滑道71，第二滑道72，第三滑道73以及第四滑道74内部分别安装有第一滑块101，第二滑块102，第三滑块103和第四滑块104。
第一滑块101前端固连在一个开位阀瓣8的背面，第二滑块102前端固连在另一个开位阀瓣8的背面，第三滑块103前端固连在一个关位阀瓣15的背面，第四滑块104前端固连在另一个关位阀瓣15的背面；第一滑块101的另一端由第一曲柄111与阀芯轴12相连，第二滑块102的另一端由第二曲柄112与阀芯轴12相连，第三滑块103的另一端由第三曲柄113与阀芯轴12相连，第四滑块104的另一端由第四曲柄114与阀芯轴12相连；正方体形阀芯7下底面的中心处存在圆孔76，圆孔76中插入上端光轴下端螺纹式泄放螺栓9的上半光轴段，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓9的下半螺纹段与中空球形阀体6通过螺纹形成固连密封。
参见图1，球阀处于开启状态时，直线电机的初级绕组块2处于位置最低点，摆动油缸4内固定板43处在输出轴3背面，该图不可见，滑环13此时处在图示位置。输出轴3和阀芯轴12处于竖直高度的最低点位置，阀芯轴12末端正方形轴段处在正方体形阀芯7顶面中心的方形孔75最底端，4个滑块被顶出处于滑道最外端，推动开位阀瓣8顶出，开位阀瓣8与管道贴合，液体通过，阀门打开。
参加图2，阀门关闭的状态相较于图1，传动机构整体以及阀芯整体结构均已经逆时针旋转了90°，滑环13旋转至与图1滑环位置垂直的位置，该剖视图中不可见。输出轴3和阀芯轴12都处于竖直高度最低点，由4个曲柄和4个滑块推出关位阀瓣15与管道贴合，阻断流体，阀门关闭。
图3所示为摆动油缸4的第一油孔41的位置。
图4所示为摆动油缸4的内部结构，固定板43与摆动油缸4内壁焊接形成固连，相对位置始终保持不变。摆动油缸4在内壁上下表面均存在具有较小厚度与深度的凹陷，滑环13的上下表面的圆边凸起部分可以插入摆动油缸4的上下内壁，形成配合。滑环13处于油缸内部的部分在油液的推动下可以使滑环13绕圆心旋转。第一油孔41和第二油孔42在互相配合下可以实现滑环13的顺时针/逆时针方向旋转。滑环13伸出油缸外的部分可视作一小段平键，与长键槽14形成配合，用于输出旋转运动至输出轴3。
图5与图6所示，正方体形阀芯7顶面的4个滑道所在位置，每个滑道左右两面存在凸起边，与滑块10侧面凹槽相配合，由此限制滑块10不能在竖直方向离开滑道。
图9所示阀芯轴12结构分为4段，最上端开出的销孔用于安装传动的销轴16，次级无作用，再次级的一段为正方形柱体，4个面安装4个曲柄，最底段正方形柱体段插入正方体形阀芯7顶面中心的方形孔75，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：初级绕组块2通入调制好的电流产生磁场，由于环形永磁体组1的磁性排列是N-S-N-S循环多块堆叠放置，且与初级绕组块2之间存在均匀气隙，即可产生电磁力，由此拉动初级绕组块2竖直向上运动，与其固连的输出轴3也被带动竖直向上运动。输出轴3下端销轴16带动阀芯轴12上升。阀芯轴12上升带动第一曲柄111，第二曲柄112，第三曲柄113，第四曲柄114的末端抬升，滑块由滑道的限制无法脱离滑道，自由度限制使其只能沿着滑道向阀芯轴方向平动，第一滑块101，第二滑块102，第三滑块103和第四滑块104被拉动沿各自滑道向中心方向移动，由此带动开位阀瓣8向内移动，与中空球形阀体6内腔脱离接触。上升至一定高度且阀芯轴12底端仍处在正方体形阀芯7顶面中心方孔75内，改变初级绕组块2内的电流，使其产生稳定磁场可以保持在竖直高度不变，此时，摆动油缸4开始工作。油缸外壁的第二油孔42开始加压进入油液，第一油孔41开始排出油液，由此滑环13长臂被油液推动沿着圆心开始逆时针旋转。其伸出壁外的部分起到键的作用，带动输出轴3旋转，再由销轴16带动阀芯轴12逆时针旋转90°、正方体形阀芯7跟随旋转，关位阀瓣15与管道相平行后停止，摆动油缸4进行保压，保持该位置不变。然后初级绕组块2通入调制电流，产生向下的电磁力，带动输出轴3及阀芯轴12竖直向下运动直到阀芯轴12最底端接触方形孔75底面停止。阀芯轴12下降过程中，带动第一曲柄111，第二曲柄112，第三曲柄113，第四曲柄114末端下移，推动第一滑块101，第二滑块102，第三滑块103和第四滑块104沿着滑道向外移动，推动关位阀瓣15运动直到球面与中空球形阀体6内腔完全贴合，此时关位阀瓣15堵住管道，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：阀门开启过程与上述阀门关闭过程基本相同，都是先使阀芯轴12升起使阀瓣与阀体脱离接触，然后第一油孔41进油，第二油孔42排出液压油，从而使滑环13顺时针旋转90°停止，然后再使阀芯轴12竖直向下运动，通过4个曲柄和4个滑块推动开位阀瓣8至贴合位置即可，流体可从开位阀瓣8流过，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9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9与中空球形阀体6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 (4)

1.一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀，其特征在于：
包括环形永磁体组(1)，环形永磁体组(1)下端安装有初级绕组块(2)，初级绕组块(2)与输出轴(3)相固连；输出轴(3)穿过固定在传动机构安装架(5)上的摆动油缸(4)后通过销轴(16)与阀芯轴(12)相固连；摆动油缸(4)内部设有第一油孔(41)、第二油孔(42)和固定板(43)以及滑环(13)，滑环(13)通过键槽(14)与输出轴(3)相连；
传动机构安装架(5)与中空球形阀体(6)的上端相固连，中空球形阀体(6)的内部配合安装有正方体形阀芯(7)，正方体形阀芯(7)四个侧面上分别开设一个凹槽，分别为：第一凹槽(77)、第二凹槽(78)、第三凹槽(79)、第四凹槽(710)；其中第一凹槽(77)和第二凹槽(78)相对，安装两个开位阀瓣(8)，第三凹槽(79)、第四凹槽(710)相对，安装两个关位阀瓣(15)；
还包括阀芯轴(12)，阀芯轴(12)底部插入正方体形阀芯(7)上顶面中心的方形孔(75)内，正方体形阀芯(7)的上顶面上四条边分别开设有长方形的第一滑道(71)、第二滑道(72)、第三滑道(73)以及第四滑道(74)；第一滑道(71)、第二滑道(72)、第三滑道(73)以及第四滑道(74)的内部分别安装有第一滑块(101)、第二滑块(102)、第三滑块(103)和第四滑块(104)；第一滑块(101)前端固连在一个开位阀瓣(8)的背面，第二滑块(102)前端固连在另一个开位阀瓣(8)的背面，第三滑块(103)前端固连在一个关位阀瓣(15)的背面，第四滑块(104)前端固连在另一个关位阀瓣(15)的背面；第一滑块(101)的另一端由第一曲柄(111)与阀芯轴(12)相连，第二滑块(102)的另一端由第二曲柄(112)与阀芯轴(12)相连，第三滑块(103)的另一端由第三曲柄(113)与阀芯轴(12)相连，第四滑块(104)的另一端由第四曲柄(114)与阀芯轴(12)相连；
正方体形阀芯(7)下底面的中心处存在圆孔(76)，圆孔(76)中插入上端光轴下端螺纹式泄放螺栓(9)的上半光轴段，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓(9)的下半螺纹段与中空球形阀体(6)形成固连密封。
2.根据权利要求1所述的一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀，其特征在于：
所述环形永磁体组(1)下端1～2mm气隙处安装有初级绕组块(2)。
3.根据权利要求1或2所述的一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀，其特征在于：
所述初级绕组块(2)通过长螺栓(17)与输出轴(3)相固连。
4.根据权利要求3所述的一种直线电机与摆动油缸协同驱动的伸缩式无摩擦球阀，其特征在于：
所述上端光轴下端螺纹式泄放螺栓(9)的下半螺纹段与中空球形阀体(6)通过螺纹形成固连密封。
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