具有反向密封球体自锁功能的强制密封球阀的制作方法

1.本发明涉及一种具有反向密封球体自锁功能的强制密封球阀，属于球阀技术领域。


背景技术：

2.球阀主要应用于石油、化工、钢铁、冶金和电力等各个领域，传统的球阀包括阀体，阀体上设有流入通道和流出通道，流入通道和流出通道之间设有阀腔，阀腔内设置有球体，球体与流出通道之间设有阀座，球体上端连接有用于转动球体的阀杆，所以传统的球阀是通过阀杆带动球体实现球阀的开启和关闭，球阀在开启和关闭的过程中球体与阀座密封面一直相接触，球体与阀座密封面磨损都很严重，长时间使用球体与阀座的密封面就达不到密封效果，由于球体与阀座之间存在摩擦力，所以球阀在开启和关闭的过程中都需要扭矩较大。
3.针对现有技术存在的不足，公告号为cn203309176u的专利文献提供一种了轨道式硬密封球阀，包括阀体，所述阀体上设有流入通道和流出通道，流入通道和流出通道之间设有阀腔，所述阀腔内设置有球体，所述球体与流出通道之间设有阀座，所述球体上端连接有用于转动球体的阀杆，所述阀杆上设置有导向滑道，所述导向滑道包括螺旋滑道及升降滑道，所述升降滑道设置在螺旋滑道的上端并与螺旋滑道连通，所述的阀体上设置有导向销，导向销一端延伸至导向滑道内，所述阀杆靠近球体端设置为斜面，所述斜面上端向阀座方向倾斜，所述斜面下端设有平扁面，所述球体上设置有销轴，并设置在斜面两侧，通过上述技术方案，球阀在开启和关闭时密封面无摩擦，使用寿命长，操作扭矩低。但在该方案中并未详细介绍其反向密封球体自锁功能如何实现。
4.强制密封球阀常用于天然气长输管线中的天然气计量工况，为保证计量工作的准确性，要求该阀门不仅应具有良好的正向密封性能，还应具有良好的反向密封性能。当前强制密封球阀的特点是：(1)来自于电动执行器驱动螺母与阀杆外螺纹转动配合产生的机械驱动力驱使阀杆做如下运动(从执行器上方向下看)，(a)关阀过程：直线下降
→
顺时针90℃转动伴随下降
→
直线下降，阀门关位见图1；(b)开阀过程：直线上升
→
逆时针针90℃转动伴随上升
→
直线上升；而阀杆驱动球体密封部位压向阀座密封面是在上述(a)的下降过程中产生的，并利用驱动螺母与阀杆外螺纹间的自锁性来保证球体密封部位对阀座密封面的持续压力。
5.(2)正向密封时(指阀门关闭时，球体与阀座密封面上游有介质压力而下游没有)，正向介质对球体的推力是促进球体与阀座间密封性能的；阀杆只需对球体施加适当的推力再加上正向介质对球体的推力，就能很容易地实现正向密封；这时电动执行器关阀扭矩(为表述方便，以下称为正向关阀扭矩)并不大。(3)反向密封时(指阀门关闭时，球体与阀座密封面下游有介质压力而上游没有)，反向介质对球体的推力是削弱球体与阀座间密封性能的(见图2)；这是因为反向介质对球体的推力具有把球体推离阀座的趋势；阀杆必须对球体施加比正向密封时大得多的推力才能克服反向推力并确保反向密封；这就要求反向密封时
电动执行器的关阀扭矩(为表述方便，以下称为反向关阀扭矩)要远远大于正向关阀扭矩。(4)反向密封时，由于驱动螺母与阀杆外螺纹自锁性的原因(见图3)，反向介质对球体的巨大推力会通过阀杆被传递到电动执行器驱动螺母及其连接部件上，这也是在实际应用中大量发现这类阀门的电动执行器驱动螺母及其连接部件频繁受损或失效的原因。(5)在实际应用中还大量发现：阀门的阀座密封面会发生严重的压溃现象而造成阀门泄漏，尤其软密封阀座更是如此(见图4)；究其原因是过大的反向关阀扭矩造成的：在前述(2)和(3)中，我们知道正向关阀扭矩远小于反向关阀扭矩，但是电动执行器在工作过程中不能被设置成两个不同的关阀扭矩来分别为正向密封和反向密封服务；为保证阀门正向和反向都能够实现密封，在阀门出厂时制造商不得不把电动执行器的关阀扭矩设置成反向关阀扭矩，加之阀门在计量工况下的开关频率较高，这就使得阀座密封面因过度挤压而导致压溃。所以，如何消除电动执行器驱动螺母及其连接部件的受损或失效、阀座(尤其是软密封阀座)密封面压溃的现象，就显得尤为重要。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：提供一种传动结构更为可靠的具有反向密封球体自锁功能的强制密封球阀，既保护了电动执行器驱动螺母及其连接部件不受伤害，又降低了阀门出厂时电动执行器设置的关阀扭矩，进而防止了阀座被压溃的情况。
7.为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：具有反向密封球体自锁功能的强制密封球阀，包括阀体，阀体上设有流入通道和流出通道，流入通道和流出通道之间设有阀腔，阀腔内设置有球体，球体与流出通道之间设有阀座组件，球体上端连接有用于转动球体的阀杆，阀杆上设置有导向滑道，导向滑道包括螺旋滑道及位于螺旋滑道两端的升降滑道，阀体上设置有第一导向销，第一导向销一端延伸至导向滑道内，阀杆靠近球体一端设置有斜面导向段，斜面导向段上端向靠近阀座组件方向倾斜，斜面导向段下端连接有平直导向段，球体上设置有第二导向销，第二导向销设置在阀杆两侧，且能够和斜面导向段上的阀杆斜面形成导向配合，第二导向销具有第一导向平面，第一导向平面和斜面导向段形成面接触式的导向配合，当球体的密封面移动至与阀座组件的密封面相接触以使得强制密封球阀处于关闭状态时，第二导向销上的第一导向平面和斜面导向段上的阀杆斜面为面接触，且此时两者的接触面具有预设的高摩擦系数，即是指增大两者相接触表面的粗糙度，对形成反向密封球体自锁功能以及消除反向介质对反向密封产生的不利影响具有明显的作用。
8.在关闭阀门的瞬间，电动执行器驱动斜面导向段上的阀杆斜面压在第二导向销对应的斜面(第一导向平面)上，使得球体密封部位压到阀座密封面以实现阀门的密封功能。反向密封时，反向密封介质对球体的水平推力f通过第二导向销传递到阀杆斜面上；这个水平推力f与接触面法线之间的夹角叫做接触角α，根据几何公理我们知道，反向密封时，上述接触角α与阀杆斜面的倾斜角θ是相等的(θ即为阀杆斜面与阀杆的轴线形成的锐角)；也就是说，该接触角α的大小是可以由人为设计控制的。为优化反向密封球体自锁功能以及最大程度地消除反向介质对反向密封产生的不利影响，优选的方案是，阀杆斜面与阀杆的轴线形成的锐角设定为θ，第二导向销上的第一导向平面和斜面导向段上的阀杆斜面之间的高摩擦系数区具有的摩擦系数设定为f、摩擦角设定为β，其中的β＝arctg(f)，θ《β。设计原理为：根据反正切三角函数的单调递增特性，我们可以知道，当增大了阀杆斜面和第二导向销
上的第一导向平面的表面粗糙度后，二者之间的摩擦系数f也随之增大，进而增大了二者之间的摩擦角β；根据摩擦学理论我们知道，当接触角α《摩擦角β时，无论反向密封推力f有多大，都是推不动球体的。因此，当阀杆斜面的倾斜角θ设计为小于摩擦角β时，第二导向销的反向自锁功能可以达到最优效果。
9.为使得球阀处于关闭状态时，第一导向平面和阀杆斜面的接触面具有足够大的摩擦力，优选的方案是，第二导向销上的第一导向平面具有导向销高摩擦系数区；斜面导向段上的阀杆斜面具有阀杆高摩擦系数区。
10.为使得传动结构更可靠，第二导向销具有第二导向平面，第二导向平面和平直导向段形成面接触式的导向配合。
11.为使得传动结构更可靠，其中一根第二导向销的第一导向平面位于第二导向平面上方，另一根第二导向销的第一导向平面位于第二导向平面下方。
12.为便于装配，阀体上设置有阀盖，第一导向销安装于阀盖上，为使得传动结构更可靠，导向滑道对称设置有两条，每条导向滑道分别对应设置有第一导向销。
13.为使得传动结构更可靠，球体下端设有凸柱，凸柱的中心线与阀杆的中心线在同一直线上，凸柱相对球体的另一端面设置为球面，球面与阀腔相接触。
14.本发明的有益效果是：(1)把反向密封的受力自锁部位，从阀门上部的阀杆外螺纹与驱动螺母啮合处设计到了阀门下部的阀杆斜面与第二定位销斜面的接触面处。在反向密封时，由于阀杆斜面与第二定位销斜面自锁功能的存在，使得阀杆外螺纹与驱动螺母啮合处不再承受巨大上顶力t，从而避免了执行器驱动螺母及其连接部件受损或失效。(2)由于反向密封球体自锁功能的存在，只要阀杆自身强度足够大反向介质推力就推不动球体，也就消除了反向介质把球体密封部位推离阀座密封面的趋势。这样，就可以使阀门出厂的关阀扭矩设置成正向关阀扭矩即可，进而消除了阀座(尤其是软密封阀座)密封面压溃的现象。(3)由于阀门不再需要巨大的反向关阀扭矩，因此可以大幅降低执行器的选型成本，提高了成套阀门产品的竞争力。
15.综上所述可知，本发明极大地降低了阀门的关阀扭矩，延长了阀门的使用寿命，减少了执行器的选型成本。
附图说明
16.图1为本发明的整体结构示意图。
17.图2为阀门反向密封示意图(阀门关闭时，密封面下游有介质压力而上游没有)。
18.图3为图1的a处局部放大结构示意图，对应于现有阀门反向密封自锁部位(驱动螺母与阀杆外螺纹)。
19.图4为本发明中阀座组件示意图。
20.图5为本发明中球体组件立体结构示意图。
21.图6为本发明中球体组件正视图。
22.图7为本发明阀门反向密封自锁副一示意图(阀杆斜面)。
23.图8是本发明阀门反向密封自锁副二示意图(第二导向销斜面)。
24.图9为本发明中的第二导向销的导向面布置结构示意图。
25.图10为图1的b处局部放大结构示意图，也是本发明设计原理示意图。
26.图中零部件标记：阀杆1、球体2、阀座组件3、阀体4、阀盖5、第一导向销6、阀杆外螺纹11、驱动螺母12、阀杆斜面13、阀杆高摩擦系数区14、导向滑道15、斜面导向段16、平直导向段17、第二导向销定位孔21、球体密封部位22、第二导向销23、第一导向平面231、第二导向平面232、导向销高摩擦系数区24、阀座31、阀座支撑圈32、阀座密封面33。
具体实施方式
27.下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
28.如图1至图10所示，本发明包括阀体4，阀体4上设有流入通道和流出通道，流入通道和流出通道之间设有阀腔，阀腔内设置有球体2，球体2与流出通道之间设有阀座组件3(阀座组件3一般包括阀座31和阀座支撑圈32)，球体2上端连接有用于转动球体2的阀杆1，阀杆1上设置有导向滑道15，导向滑道15包括螺旋滑道及位于螺旋滑道两端的升降滑道，阀体4上设置有第一导向销6，第一导向销6一端延伸至导向滑道15内，阀杆1靠近球体2一端设置有斜面导向段16，斜面导向段16上端向靠近阀座组件3方向倾斜，斜面导向段16下端连接有平直导向段17，球体2上设置有第二导向销23，第二导向销23设置在阀杆1两侧，且能够和斜面导向段16上的阀杆斜面13形成导向配合，第二导向销23具有第一导向平面231，第一导向平面231和斜面导向段16形成面接触式的导向配合，当球体2的密封面(即图中的球体密封部位22)移动至与阀座组件3的密封面(即图中的阀座密封面33)相接触以使得强制密封球阀处于关闭状态时，第二导向销23上的第一导向平面231和斜面导向段16上的阀杆斜面13为面接触，且此时两者的接触面具有预设的高摩擦系数(此处的高摩擦系数仅是指相对于第一导向平面231、阀杆斜面13上未设置成高摩擦系数区域的其它区域而言)。可以理解的是，第一导向平面231、阀杆斜面13只要有任意一个平面增大了粗糙度，两者之间的摩擦系数即可增大。优选做法是，第二导向销23上的第一导向平面231具有导向销高摩擦系数区24；斜面导向段16上的阀杆斜面13具有阀杆高摩擦系数区14。具体地，导向销高摩擦系数区24、阀杆高摩擦系数区14均可以采用喷砂、蚀刻、滚花、喷涂、堆焊、粉末冶金或hip等工艺方法实现。
29.其中的斜面导向段16、平直导向段17均是以阀杆1轴线作为参考，斜面导向段16具有相对于阀杆1轴线呈倾斜布置的阀杆斜面13，平直导向段17则是与阀杆1同轴，平直导向段17一般采用矩形断面。为了便于组装，阀体4上一般设计有阀盖5，第一导向销6一般安装于阀盖5上，为了使得导向可靠，导向滑道15一般对称设置两条。每条导向滑道15分别对应设计第一导向销6。
30.本发明的工作原理如下：驱动器驱动螺母围绕阀杆1顺时针转动时，阀杆1上的导向滑道15在第一导向销6的导向作用下，阀杆1实现下降
→
旋转
→
下降动作，阀杆1的下端在第二导向销23的限制下，实现全开
→
部分关闭
→
完全关闭；反之驱动器驱动螺母围绕阀杆1逆时针转动时，阀杆1上的导向滑道15在第一导向销6的导向作用下，阀杆1实现提升降
→
旋转
→
提升动作，阀杆1的下端在第二导向销23的限制下，实现全关
→
部分开启
→
全开。设置的斜面导向段16，可实现阀杆1带动球体2贴紧或者脱离阀座31，使得球阀在开启和关闭时密封面无摩擦，使用寿命长，操作扭矩低。
31.此外，在关闭阀门的瞬间，电动执行器驱动斜面导向段16上的阀杆斜面13压在第二导向销23对应的斜面(第一导向平面231)上，使得球体密封部位22压到阀座密封面33以
实现阀门的密封功能。反向密封时，反向密封介质对球体的水平推力f通过第二导向销23传递到阀杆斜面13上；这个水平推力f与接触面法线之间的夹角叫做接触角α，根据几何公理我们知道，反向密封时，上述接触角α与阀杆斜面13的倾斜角θ是相等的(θ即为阀杆斜面13与阀杆1的轴线形成的锐角)；也就是说，该接触角α的大小是可以由人为设计控制的。为优化反向密封球体自锁功能以及最大程度地消除反向介质对反向密封产生的不利影响，优选的方案是，第二导向销23上的第一导向平面231和斜面导向段16上的阀杆斜面13之间的高摩擦系数区具有的摩擦系数设定为f、摩擦角设定为β，其中的β＝arctg(f)，θ《β。设计原理为：根据反正切三角函数的单调递增特性，我们可以知道，当增大了阀杆斜面13和第二导向销23上的第一导向平面231的表面粗糙度后，二者之间的摩擦系数f也随之增大，进而增大了二者之间的摩擦角β；根据摩擦学理论我们知道，当接触角α《摩擦角β时，无论反向密封推力f有多大，都是推不动球体2的。因此，当阀杆斜面13的倾斜角θ设计为小于摩擦角β时，第二导向销23的反向自锁功能可以达到最优效果。这样，我们就把反向密封的受力自锁部位，从阀门上部的阀杆外螺纹11与驱动螺母12啮合处设计到了阀门下部的阀杆斜面13与第二导向销23斜面的接触面处。在反向密封时，由于阀杆高摩擦系数区14与导向销高摩擦系数区24间自锁功能的存在，使得阀杆外螺纹11与驱动螺母12啮合处不再承受巨大上顶力t，从而避免了执行器驱动螺母12及其连接部件受损或失效。由于反向密封球体自锁功能的存在，只要阀杆1自身强度足够，无论反向介质推力f有多大都是推不动球体2的，也就消除了反向介质推力f把球体密封部位22推离阀座密封面33的趋势；因此，本发明所述阀门的反向密封关阀扭矩与正向密封关阀扭矩相等，也就消除了阀座支撑圈32(尤其是软密封型的阀座31)的密封面33被压溃的现象。
32.为使得第二导向销23更好的导向作用，第二导向销23具有第二导向平面232，第二导向平面232和平直导向段17形成面接触式的导向配合。具体地，第一导向销23可由普通的圆柱销机加工得到。可以理解的是，球体2上用来安装第二导向销23的第二导向销定位孔21的径向截面形状规格应与第一导向销23的外形规格相适配。为便于加工和装配，优选地，其中一根第二导向销23的第一导向平面231位于第二导向平面232上方，另一根第二导向销23的第一导向平面231位于第二导向平面232下方。其中的第一导向平面231倾斜布置，用于控制球体2贴紧和脱离阀座31动作，同时实现反向密封球体自锁功能。第二导向平面232为竖向平面，用于控制球体2的开关动作。
33.优选地，球体2下端设有凸柱，凸柱的中心线与阀杆1的中心线在同一直线上，凸柱相对球体2的另一端面设置为球面，球面与阀腔相接触。球体2下端的凸柱采用球面接触，在转动时可减少磨擦力，同时还起到密封的作用，这样设置结构简单，设计合理，方便加工。