CN205877247U - 一种强制密封球阀 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及球阀技术领域，具体是一种强制密封球阀，包括阀体(1)、集成式阀球总成【包含阀球基体(5)、螺柱齿轮(7)、螺柱齿轮压环(6)、阀球密封面(8)、小齿轮(10)、小齿轮压盖(18)以及上枢轴齿轮(9)】、阀杆(16)、固定式阀座(3)，其特征在于所述集成式阀球总成，在阀球基体(5)上集成了扭矩传递齿轮组和螺旋顶压机构，阀球下枢轴与阀体下枢轴腔设计了90度开关精限位，阀球上枢轴与阀杆之间安装有扭力弹簧(17)，其预紧扭矩使阀球总成在除阀门关阀角度外的90度行程里，均收缩并锁紧在一起。阀球总成运行到关闭角度后，阀球基体(5)将受限位约束停止转动，阀杆的关阀力矩因此通过齿轮组传递到螺旋顶压机构，实现强制密封。开阀时，阀球总成首先收缩并在扭力弹簧作用下锁紧后向全开运行90度。该阀门结构紧凑，阀球90度开关旋转中，密封面不接触，无摩擦，强制密封抱合力均匀可靠，开位阀球总成收缩并锁紧，免受紊流破坏，开阀力矩小，开关动作迅速，阀杆密封简单可靠。

Description

一种强制密封球阀

技术领域

在流体控制领域，如油气生产流程切换、管道关断、计量、调压、分子筛切换、压缩机进出口、炼油工艺中的氢气工况，合成氨装置的空分等操作频繁并对流体开关控制和关闭严密性要求苛刻的领域，要求阀门能够在直通的状态下尽可能小的产生压降，并且能够提供不受管线介质压力影响的强制扭矩密封。强制密封球阀被公认为理想的解决方案。

背景技术

然而以美国ORBIT阀门为代表的传统提升杆式强制密封球阀，采用提升阀杆轨道引导设计，尽管可以实现阀门在开关全程大部分时间与阀座无接触，无摩擦，但在阀球与阀座密封面最后抱合阶段仍存在相对滑动摩擦，没有真正做到无摩擦旋转；其阀球和阀座间的强制抱合通过阀杆的楔式面下压并配合阀球下枢轴的共同作用才能完成。其动作过程不够平稳，容易受到阀座与枢轴相对位置精度的影响；阀杆部分及其总成结构复杂，开关过程中需要叠加直行程和角行程运动；加工精度要求高；容易发生阀杆泄露；同时开关操作时间过长；

通过国家知识产权局专利查询共找到如下6种强制密封球阀阀型：

1.申请公布号：CN104295764A，申请号：2014105008955：

该设计采用偏心设置同步转动的阀杆和球体来启闭阀门。

该设计本质上是偏心蝶阀的一种变形设计，在阀球与阀座密封面最后抱合阶段存在很大的角行程运动矢量从而产生相对滑动摩擦，没有真正做到无摩擦旋转；并且由于关闭的动作为角行程，阀球与阀座间的抱合法向分力不高，密封可靠性和实际使用寿命会受到影响。

2.申请公布号：CN103727260A，申请号：2014100163761：

该设计公开了一种球阀，尤其涉及一种强制密封球阀，它包括阀体、副阀体、球体、阀座、副阀体流体管道，所述副阀体流体管道外圆上具有螺柱螺母驱动式强制密封装置，其中蜗轮和主动螺柱之间具有平键相联，主动螺柱旋转运动时，可使与其相旋合的从动螺母的轴向滑动键槽沿副阀体流体管道上的导向键作轴向直线运动，可把体外所产生的压力通过压力传递系统使阀腔内的阀座和球体之间产生所需的密封比压，实现低扭矩开、关和强制密封，通过自动化控制系统来完成螺柱螺母驱动式强制密封装置和电动执行器在开、关和密封过程中相关联的动作程序。该设计采用了两套操作机构，一套操作阀球90度旋转，另一套操作机构操作被称之为付阀体的部分，驱动阀座配合阀球完成抱合。这种设计阀门潜在漏点多，结构复杂，阀门体积臃肿，不一定能够满足标准的阀门面对面尺寸。

3.申请公布号：CN103527809A，申请号：2013105342621：

该设计包括阀体、阀盖、阀杆、楔式椎体及阀瓣，其特征在于所述阀体顶部与阀盖相连，所述阀盖顶部中央通过支架竖直固定阀杆，所述阀杆底部通过阀盖中央的通孔销接固定阀体内腔中的楔式椎体，与楔式椎体实现联动，即沿固定轴轴向做提升旋转运动；所述阀体内腔底部中央竖直设有固定轴，所述固定轴与楔式锥体底部中央的凹槽相适配，所述阀体内腔底部两端通过T型槽固定阀瓣，所述阀瓣的顶部、阀体内腔两侧的内壁上分别设有阀瓣限位装置，所述两侧的阀瓣限位装置与楔式锥体的两侧壁密合连接。 该设计与美国GENERAL TWINSEAL强制密封旋塞阀原理相同(行业内也称DBB旋塞阀)，虽然阀门在关位能够实现强制密封，但由于采用滑动式阀瓣组件，阀门在开位时阀瓣将会受到紊流的影响。目前，这种设计仅适用于低压力液体工况的应用。

4.申请公布号：CN102979929A，申请号：2012105315085：

该设计包括球体、阀座和活动的安装在球体与阀座之间起密封作用的密封环座，还包括可以沿密封环座轴向强制推动密封环座的液压装置，所述液压装置安装在阀座与密封环座之间。

该设计采用一套液压系统向阀座和阀球间的密封环施压来实现强制密封，阀门的液压泄露和复杂的机构会影响阀门的密封可靠性和寿命。

5.申请公布号：CN105370909A申请号：2014104406033：

该设计的启闭件具有两个偏心的球面结构，这种偏心结构使得当阀杆带动启闭件作旋转运动时，两个偏心的球面均会产生沿着下游阀座和上游阀座轴线方向的运动，从而产生压紧或放松阀座的效果，进而实现特定阀位下启闭件和下游阀座和上游阀座的强制密封。该设计阀门在开位时将会受到紊流的影响，两个偏心的球面结构可能因紊流震动受损而影响阀门可靠性和寿命。

6.申请公布号：CN104132157A申请号：2013101575904

该设计涉及一种模块化设计角行程操作的强制密封阀，其主要部件包括阀体、启闭件、阀盖、阀杆、阀座、导流筒、阀座支撑板、导流筒支撑板、操作机构和排污阀等。启闭件布置在阀座和导流筒之间，其凸面和凹面为相互偏心球面结构，通过调节凸球面与凹球面球心的相对位置以及它们的半径，可以调节启闭件各处的厚度以调节阀门处于不同阀位时启闭件与阀座之间的密封比压，这使得阀门在某些阀位时可以实现强制密封。因此，该设计并不是完整意义上的强制密封球阀。

发明内容

为了克服目前各种强制密封球阀存在的在密封行程最后阶段的相对滑动摩擦，阀座法向密封分力不足，结构和体积庞大，部分设计需要使用液压系统，及部分设计存在的阀门开位时阀球组件受紊流影响等问题，本实用新型从实现密封的基本结构入手，均圆满地解决了这些不足。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型采用枢轴式阀球和固定式阀座设计，剖面视图如图1所示。是一种，通过螺旋顶压机构将阀球总成的一部分(如果本实用新型应用于旋塞阀，也可以是旋塞总成的一部分)，也就是阀球密封面(8)向阀座(3)方向顶起并压紧来实现强制密封的技术。阀门的阀球基体(5)的运动范围受阀体下枢轴处精限位的限制，准确地停止于90度的开关位置；通过扭力弹簧(17)的作用，阀球密封面(8)在阀门除关位外的其他位置均与阀球基体收缩并锁紧在一起；从而实现球阀90度开关与阀座密封面无摩擦旋转，同时解决了一些当前设计存在的阀体组件受管道紊流损坏的弊端。阀球基体(5)在对准关闭位后，将受阀体下枢轴精限位约束而停止转动，此时阀门操作的转动将通过集成在阀球基体(5)上的一组齿轮机构传动来旋转螺柱齿轮(7)，从而平稳地顶压阀球密封面(8)，使其与阀座密封面(3)同时抱合并压紧，实现强制的扭矩关阀。这种抱合过程是沿阀座密封面正垂直方向的同时抱合，因此密封面间不会发生任何相对的转/滑动摩擦，避免了包括美国ORBIT阀门在内的阀门关闭行程最后阶段 密封面间的相对滑动摩擦。由于采用螺旋式旋转顶起原理，阀球密封面(8)动作平稳可靠，容易实现阀球密封面(8)和阀座(3)密封面的配合精度。阀门结构紧凑能够符合标准的面到面大小，甚至可以更短。阀杆部分仅需要考虑角行程密封，结构简单，密封可靠；同时阀门开关行程时间短。

本实用新型的创新之处主要有以下几个方面：

1.平顺的阀球密封面螺旋顶压机构：

阀球基体(5)、螺柱齿轮(7)、阀球密封面(8)和阀座(3)的轴向顺序位置关系如图2所示。

阀门关闭动作在阀球基体(5)和阀球密封面(8)正对阀座(3)时，螺柱齿轮(7)才会在关阀力矩的作用下旋转，由于阀球密封面(8)受到限旋六方柱的限制(如图3所示)，不能随螺柱齿轮(7)转动，在旋转螺旋的引导下被均匀顶起，最终与阀座密封抱合而实现强制密封。

在这个过程中，螺旋顶压动作产生抱合压力正垂直于阀座密封面，因此不会叠加任何角行程运动，而发生滑动摩擦，密封抱合均匀可靠。

图4所示的是阀球密封面(8)与阀座(3)刚刚对准时的阀芯各零件的位置。此时可以通过放大的局部图看到阀球密封面(8)与阀座(3)之间没有抱合。图5则是螺柱齿轮(7)旋转后阀球密封面(8)被顶起并与阀座(3)抱合的状态，局部图可以清楚地反映出阀球密封面(8)与阀座(3)的抱合状态。

2.阀座(3)和阀球密封面(8)在开阀时同时脱开而具有均匀的自清洁性：(参考图4)开阀动作在扭力弹簧(17)和开阀力矩的共同作用下，从螺柱齿轮(7)反向旋转开始，此时阀球密封面(8)同样受到限旋六方柱的限制，不能随螺柱齿轮(7)转动，在螺旋旋转的引导下脱离与阀座的抱合，最终在弹簧和开阀扭矩的共同作用下与阀球基体锁紧，这时阀球总成才会旋转直至阀门全开。

在这个过程中，阀球密封面(8)与阀座(3)的脱开是同时发生的，不叠加任何角行程运动，此时如果阀座周围沉积任何杂质，将会被介质均匀吹走，不留任何死角，从而起到自清洁的效果。

3.传导强制密封抱合力的齿轮组机构(图6)：

操作阀门开关的扭矩通过阀杆(16)直接作用于上枢轴齿轮(9)，在阀球密封面(8)与阀座(3)对准之前，齿轮组保持在锁定状态，不发生旋转，当阀球密封面(8)与阀座(3)对准后，阀杆旋转扭矩将首先驱动上枢轴齿轮(9)旋转，通过小齿轮(10)将力矩传递给螺柱齿轮(7)使之直接旋转螺旋顶压机构实现强制密封。采用小齿轮(10)从中传递扭矩，可以大大减小阀球总成的体积，进而大大减小了整个阀门的体积，三级齿轮机构传动采用锥面渐开线齿轮设计，使齿轮的传动平顺可靠，齿与齿之间啮合无相对滑动，磨损最小。

4.扭力弹簧(17)锁紧装置和阀球基体(5)与上枢轴齿轮(9)间的随动控制(图7)：结构简单可靠的扭力弹簧被安装在阀杆(16)与阀球基体(5)之间，阀杆下部正多边形与上枢轴齿轮内正多边形啮合形成驱动配合(也可以采用花键配合)，在齿轮组机构将阀球密封面(8)与阀球基体(5)完全收紧的同时，让阀球基体(5)和阀杆(16)及上枢轴齿轮(9)间的扭力弹簧为它们施加恰当的锁紧扭矩，这样阀门在开关过程中阀球密封 面(8)与阀球基体(5)即被锁紧，从而与阀座不接触实现阀球总成无摩擦旋转。关闭阀门至阀球密封面(8)与阀座(3)对准后，阀球基体(5)的旋转将被限位阻止，阀杆(16)继续传递关阀力矩将克服扭矩弹簧(17)力矩使上枢轴齿轮(9)相对阀球基体(5)发生旋转，通过齿轮组机构将扭矩传递给阀球密封面(8)螺旋顶压机构实现强制密封。开阀时，扭矩弹簧(17)将施加扭力使阀球基体(5)保持在对准阀座(3)的关闭角度，而使得关阀旋转通过齿轮组机构传递力矩驱动阀球密封面(8)与阀球基体(5)先行收紧，扭矩弹簧(17)也将叠加扭矩将阀球密封面(8)与阀球基体(5)的收紧锁定。阀杆(16)继续向开阀方向旋转，阀球总成将一起旋转直到阀门全开。扭力弹簧(17)与阀杆(16)、阀球基体(5)和上枢轴齿轮(9)间构成结构简单的随动控制，并使阀球总成在除全关位外处于收缩并锁紧状态，一方面使阀座(3)与阀球总成无摩擦90度旋转，另一方面使阀门在全开位时，阀球密封面(8)避免发生受介质紊流而产生的震动破坏。

5.阀门下枢轴机械限位机构帮助实现阀球基体(5)与上枢轴齿轮(9)随动的分离：如图8所示，阀球基体(5)下枢轴不同于普通枢轴球阀，而是加工有90度扇形突起。与之配合的下枢轴仓有180度的下凹。阀门装配后，阀球基体(5)的运动范围将被严格限定在90度的开关旋转范围。在阀球基体(5)被限位在全关位时，阀杆(16)关阀的力矩会克服扭力弹簧(17)的力矩通过齿轮组旋转螺纹顶压机构实现强制密封如图7和图5所示。

综上所述，本实用新型的有益效果是，阀门结构紧凑，真正无摩擦开关，强制密封抱合力均匀可靠，开位阀球总成收缩并锁紧，免受紊流破坏，开阀力矩小，开关动作迅速，阀杆密封简单可靠。

附图说明

图1：阀门关位剖面图，本说明书各个图中零件号对应表如下：

零件号	零件名称	数量
			1	顶装式阀体	1
2	阀盖垫片	1
			3	阀座	1
4	阀体螺栓	6
			5	阀球基体	1
6	螺柱齿轮压环	1
			7	螺柱齿轮	1
8	阀球密封面	1
			9	上枢轴齿轮	1
10	小齿轮	1
			11	上盖	1
12	阀杆上盖	1
			13	阀杆键	1
14	阀杆上盖螺钉	4
			15	螺母	6
16	阀杆	1
			17	扭力弹簧	1
18	小齿轮压盖	1
			19	螺柱齿轮压环螺钉	4

图2：阀球基体、螺柱齿轮、阀球密封面和阀座的轴向顺序位置关系。

图3：阀球密封面同轴侧视图，显示螺旋部分和六方限旋柱。

图4：剖面图，显示阀球总成刚刚旋转到阀球密封面与阀座对齐的位置，此时阀座与阀球密封面还未接触；局部图给出了阀座与阀球密封面的放大细节。

图5：剖面图，显示螺柱齿轮旋转顶起阀球密封面使之与阀座抱合状态。局部图给出了阀座与阀球密封面抱合的放大细节。

图6：阀杆、阀球基体和齿轮组间的装配位置关系。

图7：阀杆、扭力弹簧、阀球基体、上枢轴齿轮间安装关系的示意。安装时扭力弹簧需要压缩并持续施加扭力以保证阀杆与阀球基体和上枢轴齿轮间除阀门全关位外的其他位置均能随动。

图8：阀体下枢轴仓与阀球基体下枢轴精限位透视图。

图9：阀座阀球装配示意。

图10：阀球总成装配示意。

图11：阀体上盖装配示意。

图12：阀杆上盖及阀杆键装配示意。

图13：阀门爆炸视图。

具体实施方式

本实用新型的强制密封阀实施可采用多种阀体结构形式如侧装式，顶装式或全焊接式。在这里以顶装式为例来说明。

顶装式阀体(1)和上盖(11)采用成熟的铸造工艺制造。后期经过机加工使零件满足装配尺寸。其余金属零件将采用锻件。后期经过机加工使零件满足装配要求(所以零件均不存在加工难度，有些零件可直接使用同样标准件，如：螺栓螺母，螺钉等)。

下面重点介绍装配过程:

1.阀座(3)的装配(图9)：

阀座(3)可采用过盈配合直接压入顶装阀体的预留位置，如图7所示。这样阀座和阀体间的密封也同时解决了。

2.阀球总成的装配(图10)：

首先安装小齿轮(10)，将小齿轮(10)安装到阀球基体(5)对应的轴并拧紧小齿轮压盖(18)。

接下来将螺杆齿轮压环(6)放入阀球密封面(8)的螺旋孔底部，然后将螺柱齿轮(7)旋入阀球密封面(8)螺旋孔。在旋紧前调整螺杆齿轮压环的螺丝孔位置，然后将装配体六方限旋柱与阀体基体对齐后推到底。从阀球基体流道内将4颗锁定螺钉(19)拧紧。

最后将上枢轴齿轮(9)安装到阀球基体(5)对应的轴上，并旋转上枢轴齿轮(9)使阀球密封面(8)与阀球基体(5)抱紧。

3.将阀球总成从阀体上部放入。

4.安装阀杆(16)：

如图7所示，首先将扭力弹簧(17)涂上黄油并插入阀杆(16)对应的位置，然后将阀杆(16)和扭力弹簧(17)一起移向上枢轴齿轮(9)。注意：此时需要先把扭力弹簧(17)的另一端半插入阀体基体(5)的预留孔中，然后旋转阀杆使扭力弹簧(17)压缩(此处安装需要配备扭矩扳手)，在阀杆上施加的扭矩达到设定值时，对齐上枢轴齿轮(9)正多边形驱动配合并将阀杆(16)下压入位。

5.安装阀体上盖及螺栓螺母。

如图11所示，先将螺栓(4)拧入阀体螺栓孔，放入阀盖密封垫片(2)，对齐上盖(11)螺孔并放到阀体(1)上，安装并按拧紧螺母(15)。

6.安装阀杆上盖和阀杆键。

如图12所示，将阀杆上盖(12)沿着阀杆(16)下推到位。上紧阀杆上盖螺钉(14)。然后安装阀杆键(13)。

7.安装完成。图13给出所有零件的爆炸。

Claims (5)

1.一种强制密封球阀，包括阀体（1）、阀球基体（5）、阀杆（16），其特征在于，所述阀体设有阀座（3），在所述阀球基体上设有阀球密封面（8），当所述阀球基体对准关闭位后，所述阀球密封面受螺旋顶压机构顶压与阀座抱合而实现强制密封。

2.根据权利要求1所述的一种强制密封球阀，其特征在于，所述螺旋顶压机构包括安装在所述阀球基体上的螺柱齿轮（7），所述螺柱齿轮与所述阀球密封面形成螺旋配合，所述螺柱齿轮螺旋驱动所述阀球密封面，使所述阀球密封面与所述阀座抱合。

3.根据权利要求2所述的一种强制密封球阀，其特征在于，在所述阀球基体上设有上枢轴齿轮（9）和小齿轮（10），所述上枢轴齿轮由所述阀杆驱动旋转，所述枢轴齿轮通过所述小齿轮带动所述螺柱齿轮旋转。

4.根据权利要求3所述的一种强制密封球阀，其特征在于，所述阀杆通过扭力弹簧（17）带动阀球基体转动，所述强制密封球阀设有将阀球基体的运动限定在90度开关旋转范围的下枢轴机械限位机构。

5.根据权利要求4所述的一种强制密封球阀，其特征在于，所述下枢轴机械限位机构包括设置在所述阀球基体下枢轴的90度扇形突起；所述下枢轴机械限位机构还包括设置在所述阀体下枢轴仓的180度的下凹，所述阀球基体下枢轴的90度扇形突起与所述阀体下枢轴仓的180度的下凹配合限定所述阀球基体的开关旋转范围。