CN113294583A - 一种压力平衡式旋塞阀及其驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一压力平衡式旋塞阀及其驱动装置。所公开的阀门与驱动装置在阀门开启时，在驱动力的作用下，整阀可实现阀杆先进行竖直向下的直线运动，之后逆时针旋转90°实现全开状态；当阀门关闭时，在驱动力的作用下，整阀可实现阀杆先进行竖直向上的直线运动，之后顺时针旋转90°实现全关状态，开启过程消除了旋塞和阀体之间因介质力产生的大部分摩擦力矩、有效减小了启闭力矩，同时避免了启闭过程中因介质力使得阀体变形导致旋塞楔的更紧而无法打开的现状。

Description

一种压力平衡式旋塞阀及其驱动装置
技术领域
本发明涉及旋塞阀技术领域，具体是一种防楔死低扭矩启闭的压力平衡式旋塞阀及其驱动装置。
背景技术
压力平衡式旋塞阀能满足气体介质流速高、压力大、冲刷严重的严苛工况，因此被广泛应用于天然气管线系统开关阀。该阀是通过旋塞旋转90°来实现开关，在介质压力作用下，旋塞大端与小端压力平衡，但由于面积差，形成沿轴向向上的介质不平衡力，并由密封脂在旋塞和阀体密封面形成刚度良好的油膜，以此来提供密封比压，形成可靠的密封和润滑作用。
压力平衡式旋塞阀在介质力的作用下，阀体会产生由内而外的刚度变形，并且在介质不平衡力的作用下旋塞向上的位移量增大，尤其在火灾工况下沿轴向向上的位移量会严重增大，旋塞和阀体楔的更紧，导致阀门启闭过程中力矩增大，同时会使得旋塞和阀体之间的密封面严重磨损，不利于阀门的密封和使用寿命。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种压力平衡式旋塞阀驱动装置。
为此，本发明提供的驱动装置包括阀杆、推力连杆、支撑筒和驱动件；
所述阀杆轴向顶端设有轴向位置可调的挡件，底端处依次设有第一定位轴肩和旋塞连接结构，所述阀杆的中部局部段沿顶端至底端依次设有第二定位轴肩和第一多头梯形螺纹段；
所述推力连杆内沿轴向设阀杆安装孔，该孔内壁上沿顶端至底端依次设有台阶和第二多头梯形螺纹段；
所述推力连杆安装于支撑筒中、且推力连杆外壁与支撑筒之间设有限制推力连杆轴向活动和提供推力连杆绕所述阀杆轴向转动的轴承；所述推力连杆的轴向顶端伸出于支撑筒；
所述阀杆安装于所述推力连杆的孔中，且所述第二定位轴肩与所述台阶适配，同时所述第一多头梯形螺纹段和第二梯形螺纹段啮合；
所述阀杆顶端包括所述挡件伸出于推力连杆，所述阀杆底端包括所述第一定位轴肩和旋塞连接结构伸出于推力连杆同时伸出于支撑件；
所述推力连杆顶端伸出于支撑件的部位固定连接有驱动件。
进一步，所述阀杆轴向顶端的局部段设有螺纹，所述阀杆顶端的螺纹段安装有第一螺母和第二螺母，且所述第一螺母轴向上位于推力连杆与第二螺母之间；所述螺纹旋转方向与所述第一多头梯形螺纹段与第二多头梯形螺纹段的旋转方向相反。
进一步，所述推力连杆外壁的中间局部段设有凸出结构，推力连接安装于所述支撑件中，该凸出结构轴向两端均设有所述限制推力连杆轴向活动和提供推力连杆绕所述轴向转动的轴承。
进一步，所述靠近推力连杆轴向底端的轴承底部设有支撑环，且支撑环被支撑件和推力连杆固定。
进一步，所述多头梯形螺纹为至少三头梯形螺纹。
进一步，所述轴承选用推力圆柱滚子轴承。
进一步，所述驱动件选用变速驱动结构，所述变速驱动结构选用涡轮驱动结构或行星齿轮驱动结构。
进一步，所述阀杆的顶端安装有指示杆和指示指针。
同时本发明提供了一种压力平衡式旋塞阀。所提供的压力平衡式旋塞阀包括阀体和安装在阀体中的旋塞，还包括驱动装置，所述驱动装置为上述驱动装置，所述驱动装置的阀杆底端包括所述第一定位轴肩和旋塞连接结构伸入阀体中，所述旋塞连接结构与旋塞连接，所述阀体内设与第一定位轴肩适配的第三定位轴肩，且第一定位轴肩与第三定位轴肩之间存有轴向距离。
进一步，所述旋塞上安装有转接盘，所述阀杆与转接盘连接。
与现有的技术相比，本发明的技术方案其有益效果如下：
(1)当阀门开启时，在驱动力的作用下，整阀可实现阀杆先进行竖直向下的直线运动，使旋塞沿轴向下移一定的位移量，之后逆时针进行90°旋转运动，使得阀门全开；该过程消除了旋塞和阀体之间因介质力产生的大部分摩擦力矩、有效减小了开启力矩，同时避免了因介质力使得阀体变形导致旋塞楔的更紧而无法打开的现状。
(2)当阀门关闭时，由于全开状态下，阀杆限制了旋塞轴向向上的运动，在驱动力的作用下，整阀可实现阀杆先进行竖直向上的直线运动，之后顺时针进行90°旋转运动；该过程消除了因介质力作用使得阀体变形导致旋塞楔的更紧而无法关闭的现状。
(3)推力连杆和阀杆之间为多头梯形螺纹，避免了自锁；进一步的方案中，阀杆顶部及第一螺母和第二螺母螺纹的旋向与多头梯形螺纹相反，当驱动装置朝一个方向开启时，第一螺母与推力连杆接触并限位，并且由于两个螺纹旋向相反，具备自锁紧和防松的功能。
(4)阀门开启后，阀杆会对转接盘与旋塞产生一个持续向下的轴向力，限制旋塞轴向向上的位移，防止阀体因介质压力变形而导致旋塞被楔紧，使得关闭力矩增大。
附图说明
图1为本发明压力平衡式旋塞阀全关状态下的结构示例图；
图2为本发明压力平衡式旋塞阀全开状态下的结构示例图；
图3和图4分别为阀杆顶端开关不同状态的指针指示示意图；
图5为阀杆的结构示意图；
图6为阀门全关状态阀杆下端与阀体及转接盘之间的位置关系示意图；
图7为全开状态阀杆下端第二轴肩与阀体第三轴肩位置关系示意图；
图8为阀门全关状态下锁紧螺母和推力连杆位置关系示意图；
图9为阀门全开状态锁紧螺母和推力连杆位置关系示意图；
图10为全关状态阀杆和推力连杆之间的位置关系示意图；
图11全开状态阀杆和推力连杆之间的位置关系示意图。
具体实施方式
除非有特殊说明，本文中的术语或方法根据普通技术人员的常规认识理解或采用已有方法实现。
本文所述的轴向、顶端、底端等方向或方位性术语与附图中的相应方向或方位一致，中部是相对于顶端和底端的方位，可以大致理解为位于顶端和底端之间，没有数量级含义。需要说明的是，这些方向或方位是用来解释说明本发明的各部件或特征的空间相对位置关系，不对相关部件或特征的空间相对位置关系有唯一的限定作用，本领域技术人员在本发明的技术构思基础上所做的空间或/和方向/方位置换均在本发明的保护范围之内。
参见图1或2，一般的压力平衡式旋塞阀主体结构包括阀体1和旋塞2及驱动装置或常规阀杆，在驱动装置或常规阀杆的驱动下同时结合旋塞1与阀体1之间的相互作用及介质力实现阀门的打开与关闭。一些压力平衡旋塞阀旋塞2上通常开设平衡孔，平衡孔中安装由旋塞大端向小端流向的单向阀，用于平衡旋塞底部和中腔的压力及防止颗粒杂物的进入。还有些阀体底部设有旋塞位置调节结构，如图1所示常见的旋塞位置调节结构包括顶心21与旋塞2和调整垫20进行配合；所述垫块19与调整垫20和调节螺杆17进行配合，并由锁紧螺母18进行备紧，其作用是保证旋塞和阀体之间有良好的配合间隙。
本发明在现有压力平衡式旋塞阀的基础上主要对其驱动装置及相关结构进行进行重新设计，参考图1或2，新设计的驱动装置包括阀杆4、推力连杆5、支撑筒7和驱动件；
参考图4所示，阀杆4上沿轴向的顶端局部位设有轴向位置可调的挡件，一种具体的轴向位置可调的挡件为阀杆4轴向顶端设有螺纹41，该螺纹段安装第一螺母14和第二螺母15，底端沿轴向依次设有第一定位轴肩44和旋塞连接结构45，中部局部区域沿顶端至底端依次设有第二定位轴肩42和第一多头梯形螺纹段43；
推力连杆5内沿轴向开设阀杆安装孔，该孔内壁沿轴向依次设有与第二定位轴肩42适配的轴肩及与第一多头梯形螺纹段43啮合的多头梯形螺纹段；
其中：推力连杆5沿轴向安装于支撑筒7中，且两者之间设有限制推力连杆轴向活动和提供推力连杆绕所述阀杆轴向转动的轴承8，同时推力连杆5的顶端伸出于支撑筒7；
阀杆4沿轴向安装于推力连杆5的孔中，且第二定位轴肩42与轴肩适配(紧挨或有一定轴向距离)，两段多头梯形螺纹段啮合，即推力连杆5内壁的局部段与阀杆4中部的局部段通过多头梯形螺纹连接，在阀杆顶端的轴向可调挡件为螺纹和螺母的方案中，该多头梯形螺纹的旋转方向与阀杆顶端的螺纹的旋转方向相反，阀杆4安装于推力连杆5中时，其顶端包括挡件伸出于推力连杆，底端包括第一定位轴肩和旋塞连接结构伸出推力连杆和支撑筒；
在阀杆顶端的轴向可调挡件为螺纹和螺母的方案中，阀杆4伸出的顶端螺纹区域安装有第一螺母14和第二螺母15，其中第一螺母14底部与推力连杆5的轴向距离可调；
推力连杆5伸出支撑筒7的端部侧壁固定连接有驱动件，具体方案中可通过数量为一个或多个的键9连接。
使用时，将本发明的驱动装置安装于阀体上，具体的阀杆底端包括第一定位轴肩与旋塞连接结构伸入阀体1中，与旋塞2上的转接盘3连接(参考图1或2及图4所示)，为与阀体的第一轴向配合工作，阀体1内设有位于第一轴肩上方的第三定位轴肩，该第三定位轴肩与第一定位轴肩之间存在轴向距离(参考图7和图11所示)。
安装完成本发明的驱动装置后，根据阀门的工作要求调整通过调整挡件的轴向位置，使得挡件与推力连杆5之间有合适轴向距离，以控制旋塞下移量。
对于阀杆顶端的轴向可调挡件为螺纹和螺母的结构，开始使用时根据旋塞和阀体之间的摩擦力矩的大小调整第一螺母14和第二螺母15相对推力连杆5上端的位置，然后对第一螺母14和第二螺母15施加力矩，使得其相互备紧；并且，参考图1所示，在阀门开启前，可由第一螺母14和第二螺母15来调节第一螺母14与推力连杆5之间的距离(如图8所示)，以此来控制旋塞下移量，同时协同底部的调节螺杆17来控制顶心位置，保证旋塞最低下移量，防止泄漏。
除此之外，由于阀杆4与顶端的螺纹与多头梯形螺纹的旋转方向相反，阀门开启时会给第一螺母14一个反向的拧紧力矩，使得第一螺母14和第二螺母15的防松性能更加可靠。
有些方案中安装完本发明的驱动装置，并调整好锁止螺母14和锁紧薄螺母15的位置后，还需安装指示杆22和指针23。
以行业中常见操作(逆时针操作为开，顺时针操作为关)习惯为例(相应地多头梯形螺纹(如3头)为右旋，阀杆顶端螺纹为左旋)，安装有本发明驱动装置的压力平衡式旋塞阀工作原理为：
图1所示位置为阀门全关的状态，由于介质力的作用，使得旋塞2和阀体1之间具有很大的摩擦力矩；该状态下，旋塞2和阀体1楔紧限位，此时阀杆4的底端不与转接盘3接触(如图6所示)，旋塞2在介质力的作用下与阀体贴合，并挤压密封脂，形成良好的密封；阀杆4第二轴肩与推力连杆5内的台阶限位(如图10所示)，阀杆4下端轴肩与阀体1之间有轴向安全距离(如图6所示)，保证阀杆4和推力连杆5二者限位的可靠性。
以图1为初始状态进行阀门开启的过程中，外力作用驱动件活动，驱动件将力扭矩传递给推力连杆5，由于推力连杆5被轴承8限制其轴向自由度，仅具有周向自由度，因此推力连杆5随着驱动件一起做逆时针回转运动；
由于介质力的存在旋塞2和阀体1之间具备较大的摩擦力矩，并且初始状态时阀杆4下端与转接盘3之间有间隙；当推力连杆5通过与阀杆4之间的多头右旋梯形螺纹进行传动时，会使得阀杆4仅进行竖直向下的直线运动，当阀杆4下端与旋塞2或转接盘3接触时，会瞬间产生一个向下的冲击，将旋塞2往下冲，直至第一螺母14下端与推力连杆5上端接触并限位，驱动件会带着推力连杆5、阀杆4、转接盘3以及旋塞2进行转动，直至转动90°阀门全开，完成一次全开。
上述开启过程中，第一螺母14和第二螺母15相对阀杆相对静止，并且由于锁止螺母14和锁紧薄螺母15的旋向与梯形螺纹端43的旋向相反，锁止螺母14下端与推力连杆5上端限位后，锁止螺母14和锁紧薄螺母15具有自防松作用；
图2所示为阀门全开状态结构示意图，该状态下，图7所示，阀杆4下端轴肩与阀体1之间有轴向有较大安全距离；图11所示，阀杆4第二定位轴肩与推力连杆5之间存有轴向间隙。以图2为初始状态进行阀门关闭时，驱动件带着推力连杆5进行顺时针回转转动；
推力连杆5通过与阀杆4之间的多头梯形螺纹进行传动，在旋塞2和阀体1之间的摩擦力矩作用下，由于多头梯形螺纹之间的摩擦力矩小于旋塞2和阀体1之间的摩擦力矩，在驱动力的作用下，阀杆4将沿轴向向上进行直线运动，直至阀杆4的第二定位轴肩与推力连杆5接触并限位(如图9所示)，之后由推力连杆5带动阀杆4、旋塞2一起转动90°，直至阀门关闭；由于阀门关闭过程阀杆4先沿轴向进行直线运动，将阀杆4提起一定的行程，之后与推力连杆5进行90°回转运动，阀杆4的下端与连接盘3脱开一定的距离，之后旋塞2在介质力的作用下与阀体贴合，形成良好的密封；该关闭过程中，第一螺母14和第二螺母15相对阀杆相对静止；
具体方案中，驱动件选用减速驱动结构，如涡轮驱动或行星齿轮驱动结构，如图1所示方案中，采用的是涡轮驱动，该驱动件包括蜗轮10、蜗杆11、蜗轮箱12，涡轮10与推力连杆5固定连接，蜗杆11和涡轮安装于涡轮箱中，通过手轮驱动蜗杆11带动涡轮10转动，从而驱动推力连杆做回转运动。
一些优选方案中，阀杆4与推力连杆5之间通过三头以上梯形螺纹连接，一方面防止二者之间的梯形螺纹自锁，另一方面具备合理的位移调节量。
还有些方案中，所述推力连杆5外壁设凸起结构，具体位于设有台阶和多头梯形螺旋的区域的外壁，该凸起机构上下两端各安装轴承，以更好限制和驱动推力连杆回转。进一步的方案中，下方轴承底部设有支撑环6，该支撑环6由支撑架7和阀体1通过螺柱螺母紧固连接，将其固定无相对自由度，即推力连杆5下端的轴承8由支撑环6进行轴向限位。具体方案中，所述轴承8可选用推力圆柱滚子轴承。
需要说明的是，上述示例是本发明的一部分具体方案，本领域技术人员在本发明公开内容基础对上述相关特征进行组合或删减所得到的方案均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压力平衡式旋塞阀驱动装置，其特征在于，包括阀杆、推力连杆、支撑筒和驱动件；
所述阀杆轴向顶端设有轴向位置可调的挡件，底端处依次设有第一定位轴肩和旋塞连接结构，所述阀杆的中部局部段沿顶端至底端依次设有第二定位轴肩和第一多头梯形螺纹段；
所述推力连杆内沿轴向设阀杆安装孔，该孔内壁上沿顶端至底端依次设有台阶和第二多头梯形螺纹段；
所述推力连杆安装于支撑筒中、且推力连杆外壁与支撑筒之间设有限制推力连杆轴向活动和提供推力连杆绕所述阀杆轴向转动的轴承；所述推力连杆的轴向顶端伸出于支撑筒；
所述阀杆安装于所述推力连杆的孔中，且所述第二定位轴肩与所述台阶适配，同时所述第一多头梯形螺纹段和第二梯形螺纹段啮合；
所述阀杆顶端包括所述挡件伸出于推力连杆，所述阀杆底端包括所述第一定位轴肩和旋塞连接结构伸出于推力连杆同时伸出于支撑件；
所述推力连杆顶端伸出于支撑件的部位固定连接有驱动件。
2.如权利要求1所述的压力平衡式旋塞阀驱动装置，其特征在于，所述阀杆轴向顶端的局部段设有螺纹，所述阀杆顶端的螺纹段安装有第一螺母和第二螺母，且所述第一螺母轴向上位于推力连杆与第二螺母之间；
所述螺纹旋转方向与所述第一多头梯形螺纹段与第二多头梯形螺纹段的旋转方向相反。
3.如权利要求1所述的压力平衡式旋塞阀驱动装置，其特征在于，所述推力连杆外壁的中间局部段设有凸出结构，推力连接安装于所述支撑件中，该凸出结构轴向两端均设有所述限制推力连杆轴向活动和提供推力连杆绕所述轴向转动的轴承。
4.如权利要求3所述的压力平衡式旋塞阀驱动装置，其特征在于，所述靠近推力连杆轴向底端的轴承底部设有支撑环，且支撑环被支撑件和推力连杆固定。
5.如权利要求1所述的压力平衡式旋塞阀驱动装置，其特征在于，所述多头梯形螺纹为至少三头梯形螺纹。
6.如权利要求1所述的压力平衡式旋塞阀驱动装置，其特征在于，所述轴承选用推力圆柱滚子轴承。
7.如权利要求1所述的压力平衡式旋塞阀驱动装置，其特征在于，所述驱动件选用变速驱动结构，所述变速驱动结构选用涡轮驱动结构或行星齿轮驱动结构。
8.如权利要求1所述的压力平衡式旋塞阀驱动装置，其特征在于，所述阀杆的顶端安装有指示杆和指示指针。
9.一种压力平衡式旋塞阀，包括阀体和安装在阀体中的旋塞，其特征在于，还包括驱动装置，所述驱动装置为权利要求1-8任一权利要求所述的驱动装置，所述驱动装置的阀杆底端包括所述第一定位轴肩和旋塞连接结构伸入阀体中，所述旋塞连接结构与旋塞连接，所述阀体内设与第一定位轴肩适配的第三定位轴肩，且第一定位轴肩与第三定位轴肩之间存有轴向距离。
10.一种压力平衡式旋塞阀，包括阀体和安装在阀体中的旋塞，其特征在于，所述旋塞上安装有转接盘，所述阀杆与转接盘连接。
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