專利名稱：球閥與三角套密封及梯形環(huán)密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬機(jī)械工程領(lǐng)域，涉及閥門及優(yōu)先相關(guān)閥門的三角套密封、梯形環(huán)密封及球楔密封等結(jié)構(gòu)。球閥僅是用于說(shuō)明這些發(fā)明的一種具體閥門，其中的球楔密封是CN02128376.1專利申請(qǐng)中的球楔密封副作閥桿端密封的一種應(yīng)用。
背景技術(shù)：
閥門是流體輸送與控制的開(kāi)關(guān)。凡閥門都有一個(gè)開(kāi)關(guān)元，如球閥中的球、閘閥中閘板、截止閥中的閥瓣等。閥門開(kāi)關(guān)元設(shè)置在閥體的流體通道中，有一個(gè)允許流體穿過(guò)的開(kāi)通位置和一個(gè)阻止流體穿過(guò)的關(guān)閉位置，其從開(kāi)到關(guān)和從關(guān)到開(kāi)的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)閥桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的。可以說(shuō)，閥桿都是在體外通過(guò)手柄或氣動(dòng)頭或電動(dòng)頭操縱的。閥桿從閥體或閥蓋內(nèi)伸到體外，需要密封，開(kāi)關(guān)元相關(guān)的關(guān)閉結(jié)構(gòu)或通道的連接或固定也需要密封。
閥門關(guān)閉通道的連接，與管道、受壓容器等流體容納件的連接一樣，除需要完成密封連接外還必須完成緊固連接，而密封連接結(jié)構(gòu)隨連接方法而異。例如，實(shí)現(xiàn)焊接連接的緊固與密封的結(jié)構(gòu)是同一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)密封管螺紋連接的緊固與密封的結(jié)構(gòu)是同一個(gè)螺紋結(jié)構(gòu)(密封和緊固都靠螺牙)，而實(shí)現(xiàn)緊固螺紋連接的緊固與密封的結(jié)構(gòu)就不是同一個(gè)結(jié)構(gòu)，其緊固靠布置在流體通道外層的螺紋，其密封靠與螺紋軸線垂直布置的環(huán)形密封面。法蘭連接、閥門關(guān)閉結(jié)構(gòu)連接、非密封管螺紋連接等均屬這種緊固螺紋連接，均靠環(huán)繞流體通道的密封墊完成密封連接。這種環(huán)形密封墊可以是軟金屬的也可以是非金屬的，當(dāng)要求較高時(shí)，往往是把非金屬環(huán)形墊封壓在截面封閉的環(huán)形密封腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)密封，這種截面封閉的環(huán)形密封腔是被連件完成緊固連接時(shí)形成的。美國(guó)US6837482專利披露了一種有熱助密封效果的菱形截面環(huán)料腔，試圖利用環(huán)形密封墊與環(huán)形密封腔之間的不同材料的熱脹冷縮系數(shù)來(lái)補(bǔ)償溫度對(duì)密封的影響，但結(jié)構(gòu)不簡(jiǎn)練，有點(diǎn)脫離客觀規(guī)律的味道。
閥桿，以球閥閥桿為例，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在任何情況下都不得被內(nèi)部高壓介質(zhì)頂射出閥體外，為此，閥桿得有一個(gè)防止滑出閥體的止端，閥體的閥桿伸出口下端得有閥桿止口，上端得有閥桿密封填料函。此外，閥桿的止端外還得有一個(gè)與閥門開(kāi)關(guān)元對(duì)接的結(jié)構(gòu)，閥桿的另一端還得有與手柄或驅(qū)動(dòng)器對(duì)接的結(jié)構(gòu)及緊固外螺紋。裝配時(shí)，閥桿從閥桿止口穿出閥體后，通過(guò)依次套裝在閥桿上的螺母、彈性墊圈及填料壓環(huán)把密封填料壓入填料函底的同時(shí)，再把閥桿止端拉緊在閥桿止口上而完成閥桿與閥體的密封與緊固。傳統(tǒng)的閥桿止端和止口間有一個(gè)用作閥桿主密封的非金屬止推軟墊，止推軟墊與止口端面間一般都用平面配合，止推軟墊與閥桿止端間有用平面配合的，也有用錐面配合的，美國(guó)US6129336專利用球面配合；閥桿受力歪斜時(shí)，平面配合和錐面配合會(huì)虛縫而失去密封，球面配合不虛縫而可始終保持密封——因?yàn)榍蛎媾浜蠒r(shí)的閥桿歪斜是繞球心轉(zhuǎn)動(dòng)。用作閥桿第二密封的密封填料，傳統(tǒng)上，低檔產(chǎn)品用盤根或平墊，高檔產(chǎn)品用V形截面組墊，但均靠軸向壓力迫使其抱桿而完成密封；由于壓力沿軸向遞減，因而填料對(duì)桿的抱緊力沿軸向不均勻，由于閥桿、填料、填料函、填料壓緊環(huán)不可能完全同心安裝、對(duì)稱壓緊，因而填料對(duì)桿的抱緊力沿周向也不均勻，以至于當(dāng)閥桿整體完成密封時(shí)某些點(diǎn)已達(dá)極易磨損的過(guò)擠壓程度，也就是說(shuō)，已有技術(shù)的密封填料結(jié)構(gòu)的材料利用率低而不耐磨；由于密封用力是沿閥桿軸向的，顯然，對(duì)閥桿的止推端面的密封作用是直接的，對(duì)閥桿柱面通過(guò)填料的密封作用是間接的，特別是對(duì)于徑向密封分力為零的盤根與平墊填料，根本不可能與端面密封同時(shí)生效，往往都是當(dāng)止推端面密封生效時(shí)填料密封未生效，當(dāng)填料密封生效時(shí)端面密封累遭擠壞，雖然V形截面組墊的陰陽(yáng)V形配合可產(chǎn)生徑向密封分力，但上下陰陽(yáng)V形角度差縫中有排不盡的受溫度和壓力變化影響極大的壓縮空氣，因此，同已有技術(shù)的其它填料一樣，都是密封調(diào)節(jié)不靈敏以至于彈簧補(bǔ)償無(wú)效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提出一種簡(jiǎn)單而有效的溫度補(bǔ)償密封結(jié)構(gòu)，用作流體容納件的緊固螺紋連接的通用密封結(jié)構(gòu)。本專利要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提出一個(gè)有徑向壓緊分力的密封效率高、補(bǔ)償調(diào)節(jié)靈敏、耐磨持久的填料密封結(jié)構(gòu)，用于代替已有的活動(dòng)軸的填料密封結(jié)構(gòu)。本專利要解決的第三個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提出一個(gè)活軸止端硬密封結(jié)構(gòu)，用于代替已有的止端軟密封結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明解決第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題的方案是一種梯形環(huán)料容腔，用于容裝密封環(huán)，其特征是兩個(gè)被緊固螺紋連接的流體容納件所圍成的截面呈梯形狀的環(huán)繞流體布置的連續(xù)環(huán)料容腔，所述梯形的高沿其環(huán)繞半徑放置而短底在內(nèi)長(zhǎng)底在外。
圖1中的01和05分別是兩體式球閥的閥體和端蓋，有通孔的開(kāi)關(guān)元03(球)及其座02就是通過(guò)設(shè)置在閥體和端蓋上的緊固螺紋而連接、固定在流體通道中以使開(kāi)關(guān)球在座中轉(zhuǎn)動(dòng)90°就可實(shí)現(xiàn)全開(kāi)與全閉轉(zhuǎn)換。象這種用緊固螺紋連接的閥體和閥蓋，同其它用緊固螺紋連接的普通流體容納件一樣，在其連接端面上都需要設(shè)置04那樣的環(huán)形密封墊來(lái)完成密封連接。在要求較高的場(chǎng)合，特別是高壓應(yīng)用場(chǎng)合，這種環(huán)形密封墊是封裝在兩個(gè)被連件圍成的截面封閉的環(huán)形空腔04內(nèi)，以防填料受壓外流而影響密封的嚴(yán)密性。如圖1所示，這種密封環(huán)料容腔可以在連接螺紋的內(nèi)端面或外端面任選設(shè)置一個(gè)，也可以同時(shí)設(shè)置兩個(gè)。法蘭連接是用緊固螺紋連接流體容納件的另一種形式，也可以在流體通道外層的連接端面上設(shè)置同樣的密封環(huán)料容腔。由于常用的聚四氟乙烯密封環(huán)料的熱脹冷縮系數(shù)是常用金屬密封環(huán)料容腔的近百倍，因此，人們不得不認(rèn)真研究這種密封結(jié)構(gòu)在高低溫循環(huán)條件下的密封性。
我們知道，任何物體熱脹冷縮的體積變化，是其三維尺寸的同時(shí)變化，或其考量截面的二維尺寸和沿該截面的法向尺寸的同時(shí)變化。甭質(zhì)疑，環(huán)形物體的熱脹冷縮體積變化可以看成是其回轉(zhuǎn)截面積和回轉(zhuǎn)周長(zhǎng)的同時(shí)變化，其回轉(zhuǎn)周長(zhǎng)的變化又可以換算成回轉(zhuǎn)半徑的變化。也就是說(shuō)，密封環(huán)墊及其容納腔04的熱脹冷縮體積變化可以看成是他們的回轉(zhuǎn)截面積和回轉(zhuǎn)半徑大小的同時(shí)脹或縮。顯然，如果制造環(huán)形密封墊和腔的材料有相同的溫度系數(shù)，則溫度變化對(duì)密封無(wú)任何影響；如果制造環(huán)形密封墊和腔的材料有不同的溫度系數(shù)，則溫度變化時(shí)，無(wú)論溫度系數(shù)誰(shuí)大誰(shuí)小，環(huán)形密封墊的截面積和回轉(zhuǎn)半徑，相對(duì)其容腔不是同時(shí)增大就是同時(shí)縮小。與密封腔相比，密封墊的強(qiáng)度低而延伸率高——如果不是，則不可能把密封墊壓滿在密封腔內(nèi)而完成密封，因此，已滿裝在密封腔內(nèi)的密封墊，無(wú)論容腔是什么形狀，相對(duì)容腔增大的過(guò)程，實(shí)際上都是把比原半徑和截面均稍大(具有更多體積)的密封墊沿徑向由外向里更豐滿地壓縮在腔內(nèi)的過(guò)程，此時(shí)要考慮的是如何防止出現(xiàn)“過(guò)密封”即過(guò)擠壓變形的問(wèn)題而不是出現(xiàn)“欠密封”問(wèn)題。當(dāng)環(huán)形密封墊的截面積和回轉(zhuǎn)半徑相對(duì)其容腔同時(shí)縮小時(shí)，對(duì)于已裝滿和未裝滿容腔的環(huán)形密封墊都一樣，如果容腔截面是沿徑向內(nèi)縮的而又能使環(huán)形密封墊沿半徑縮至其中，就能利用其半徑的縮小去彌補(bǔ)其截面積的縮小而維持密封，而要如此，環(huán)形密封墊就必須有適度的抗拉強(qiáng)度和有適度的可延性——只有有抗拉強(qiáng)度的環(huán)形墊縮小時(shí)才會(huì)有勁，只有有勁縮小和有可延性的環(huán)形墊才會(huì)各向同時(shí)擠緊在漸縮的空間內(nèi)。對(duì)于已滿裝在密封腔內(nèi)的密封墊來(lái)說(shuō)，當(dāng)其在經(jīng)歷相對(duì)容腔縮小的過(guò)程中，無(wú)論是發(fā)生了彈性還是塑性變形，由于其材質(zhì)多少并未發(fā)生任何變化，因此，當(dāng)其再經(jīng)歷相對(duì)容腔增大的過(guò)程時(shí)，仍然是一個(gè)把比原半徑和截面均稍大(具有更多體積)的密封墊沿徑向由外向里更豐滿地壓縮在腔內(nèi)的過(guò)程，依然是任何截面形狀的容腔都可以。只有對(duì)于未滿裝密封容腔的密封墊來(lái)說(shuō)，在其有適度抗拉強(qiáng)度前提下，當(dāng)其相對(duì)容腔增大或縮小時(shí)，才會(huì)象US6837482的描述那樣沿徑向運(yùn)動(dòng)，但象US6837482提出的充滿流體的環(huán)形囊，根本不可能象其描述的那樣沿徑向移動(dòng)，因?yàn)榱黧w分子間的引力小(不抗拉)只會(huì)沿重力方向熱脹冷縮。
按照上述環(huán)形密封墊和腔的熱脹冷縮規(guī)律，最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)、最有效的溫度補(bǔ)償密封環(huán)形填料容腔的截面形狀就是如圖1a所示的梯形04，梯形高沿徑向放置而短底在內(nèi)長(zhǎng)底在外。由于容腔截面是沿徑向逐漸內(nèi)縮的，因此，對(duì)于有適度抗拉強(qiáng)度和有適度可延性的環(huán)形密封墊來(lái)說(shuō)，當(dāng)其環(huán)形半徑相對(duì)其容腔使勁地縮小時(shí)，就能被梯形的腰擠向受腔反作用力較小的面而徹底完成密封?？梢钥闯?，密封墊相對(duì)其容腔使勁地縮小的過(guò)程，還是一個(gè)把密封墊沿徑向由外向里壓入比其體積稍小的容腔空間的過(guò)程，只不過(guò)動(dòng)力是來(lái)自密封墊本身；如果環(huán)形密封墊沒(méi)有適度的抗拉強(qiáng)度，它就不可能有勁把自己縮入比其小的空間，如果環(huán)形密封墊沒(méi)有適度的可延性，它就不可能被擠滿其容腔而完成密封。一般常用的非金屬密封填料，相對(duì)金屬容腔來(lái)說(shuō)，都能滿足相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)延性要求，都能用作這種有溫度補(bǔ)償效果的梯形密封容腔的填料。當(dāng)密封環(huán)料比容腔材料溫度系數(shù)大時(shí)，溫度降低是使密封墊相對(duì)其容腔縮小，而當(dāng)密封環(huán)料比容腔材料溫度系數(shù)小時(shí)，溫度升高是使密封墊相對(duì)其容腔縮小。壓裝前的密封環(huán)可以是與其容腔截面積相等的矩形截面，也可以是與其容腔截面形狀和面積都相同的全等截面，但最好是與其容腔截面積相等的矩形截面。如果密封環(huán)的截面是與其容腔截面積相等的矩形，則密封環(huán)壓裝入容腔的過(guò)程是部分料沿徑向由里向外壓流動(dòng)的過(guò)程，以至于密封環(huán)壓裝得沿徑向外疏內(nèi)密，既能保證填料對(duì)內(nèi)有密封“余量”，又能保證對(duì)外有壓縮“余地”而避免受到前面提及的過(guò)擠壓；如果容腔的外層有“余地”，當(dāng)密封環(huán)相對(duì)其容腔的截面和半徑同時(shí)增加時(shí)，容腔外層空間既會(huì)填得更飽滿又不至于脹得容腔發(fā)生塑性變形；如果密封環(huán)在此過(guò)程中發(fā)生了塑性變形，則密封環(huán)的截面梯形的有效底長(zhǎng)度將增加，因此，當(dāng)其相對(duì)容腔的截面和半徑同時(shí)縮小時(shí)，相對(duì)原底長(zhǎng)度增加了的密封環(huán)就會(huì)有充足的變形量去調(diào)整填滿容腔內(nèi)層的每個(gè)方向，這樣，隨著密封環(huán)周而復(fù)始的增大和縮小，密封環(huán)的截面梯形的有效底長(zhǎng)度就會(huì)交替地增大縮小，乃至密封環(huán)就會(huì)交替地更豐滿地填滿容腔的外層空間和內(nèi)層空間，始終維持密封的嚴(yán)密性。如果溫差變換不大，隨著密封環(huán)周而復(fù)始的增大和縮小，密封環(huán)只會(huì)交替地彈性地更豐滿地填滿容腔的外層空間和內(nèi)層空間，始終維持密封的嚴(yán)密性。
由于美國(guó)US6837482專利的有熱助密封效果的菱形截面環(huán)形密封腔，是基于一切環(huán)形密封元都會(huì)隨溫度變化而沿徑向移動(dòng)的簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)提出來(lái)的，而本發(fā)明的有溫度補(bǔ)償效果的梯形截面密封環(huán)料容腔是按客觀規(guī)律提出的，因此，兩者相比，本發(fā)明是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)、最有效的。
本發(fā)明解決第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題的方案是一種三角密封套，經(jīng)座和壓環(huán)夾壓在活動(dòng)軸或桿上可完成對(duì)活動(dòng)軸或桿的密封，其特征是截面為三角形的環(huán)形密封套，在其有壓縮與磨損余量時(shí)的所述截面為一截頂三角形，在其無(wú)壓縮與磨損余量時(shí)的所述截面為一徹底的三角形。
如圖2所示，有止端的閥桿06穿過(guò)閥體01上的閥桿止口后，通過(guò)三角密封套09、密封壓環(huán)10、碟簧11和螺母12壓裝在閥體的閥桿出口內(nèi)，其中的三角密封套的回轉(zhuǎn)截面是一截頂三角形?；剞D(zhuǎn)截頂三角形的底邊形成的柱面是阻止沿閥桿泄漏的密封面，回轉(zhuǎn)截頂三角形的一個(gè)腰邊形成的錐面是阻止沿閥體上的座泄漏的密封面，另一個(gè)腰邊形成的錐面是密封壓環(huán)的壓緊力接受面。圖3是從圖2的閥桿總成中取出的三角密封套和閥桿，其中Fa代表密封壓環(huán)對(duì)三角密封套的作用力，F(xiàn)b代表座對(duì)三角密封套的作用力，F(xiàn)代表密封壓環(huán)和座對(duì)三角密封套的綜合作用力，也就是說(shuō)，密封壓環(huán)和座對(duì)三角密封套的合力是一沿徑向的指向閥桿的壓力。由于截頂三角形的頂部始終受合成壓力F，因此，對(duì)于有足夠強(qiáng)度的三角密封套的頂部可以是開(kāi)放的。可想而知，不可開(kāi)放的徹底三角形的填料是無(wú)法壓縮的填料。正因?yàn)槿敲芊馓椎捻敳靠梢允情_(kāi)放的——可以不被填料壓環(huán)和填料函封閉起來(lái)，才可截去尖頂而為密封壓環(huán)提供壓緊行程。截頂?shù)膶挾染褪翘盍系膲嚎s與磨損余量，完全不同于已有技術(shù)的填料高度，盡管已有技術(shù)的某些具有補(bǔ)償角的矩形截面的填料函密封結(jié)構(gòu)，在去掉填料高度后也可是一個(gè)三角形截面。與各自的填料厚度相比，三角形密封套截面的截頂?shù)膶挾群陀醒a(bǔ)償角的矩形截面的填料高度，完全是兩個(gè)不同的量值——“余量”值小、“高度”值大。矩形截面的填料高度的值雖大，但有效性太差。三角密封套的壓縮與磨損余量的值雖小，但必須有。只有有壓縮與磨損余量的三角密封套才有實(shí)用價(jià)值，因?yàn)楸仨氂袎嚎s余量才能消除裝配間隙，必須有磨損余量才能有壽命。可以說(shuō)，本發(fā)明的核心發(fā)現(xiàn)是三角形密封套的頂部受徑向合成壓力而可開(kāi)放，核心結(jié)構(gòu)是三角形密封套的截面是截頂三角形。由于三角密封套直接受徑向壓力而又高度均勻?qū)ΨQ，因此，具有密封效率高、補(bǔ)償調(diào)節(jié)靈敏、耐磨持久等特點(diǎn)。如果密封套的截面是等邊三角形，則可想而知，當(dāng)密封套完成對(duì)可轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)的軸或桿的密封時(shí)，肯定已完成對(duì)靜止座的密封。顯然，用不同的三角形如不同角度的等腰三角形的截面，可以調(diào)整三角密封套的徑向與軸向壓力比，進(jìn)而使閥桿填料密封和端面密封達(dá)到完全平衡。圖2所示的閥桿總成中的閥桿只能轉(zhuǎn)動(dòng)，但如果密封壓環(huán)10的壓緊力不是來(lái)自螺母12與閥桿06的螺紋配合，則閥桿不僅可轉(zhuǎn)動(dòng)而且還可移動(dòng)。
圖3a是目前低檔產(chǎn)品中廣泛采用的閥桿總成，其中的閥桿止端密封和填料密封都是平墊；由于密封用力是沿軸向的，對(duì)閥桿的止推端面的密封作用是直接的和毫無(wú)保留的，直接對(duì)閥桿柱面通過(guò)平墊的密封所需的徑向力為零，因此，平墊對(duì)閥桿柱面的密封根本不可能與端面密封同時(shí)生效，往往都是當(dāng)止推端面密封生效時(shí)填料密封未生效，當(dāng)填料密封生效時(shí)端面密封累遭擠壞。圖3b是目前高檔產(chǎn)品中廣泛采用的閥桿總成，其中的閥桿止端密封是錐面或球面/平面墊，其中的填料密封是V形截面組墊；由于陽(yáng)V形的角度大于陰V形的角度，因此，在填料的壓緊過(guò)程中，V形填料可以從軸向壓緊力中轉(zhuǎn)換出一個(gè)徑向密封分力，大大改善圖3a的兩個(gè)密封不平衡的狀況，但是，陰陽(yáng)V形角度差縫中的空氣是永遠(yuǎn)都排不盡的，以至于密封不穩(wěn)定、碟簧的補(bǔ)償調(diào)整不靈敏。也就是說(shuō)，在某種程度上，圖3a中的填料密封是虛假的，圖3b中的碟簧補(bǔ)償是虛假的。對(duì)于圖3a和圖3b的閥桿總成，由于密封壓力沿軸向遞減，因而填料對(duì)桿的抱緊力沿軸向不均勻，由于閥桿、填料、填料函、填料壓緊套不可能完全同心安裝、對(duì)稱壓緊，因而填料對(duì)桿的抱緊力沿周向也不均勻，以至于當(dāng)閥桿整體完成密封時(shí)某些點(diǎn)已達(dá)極易磨損的過(guò)擠壓程度，也就是說(shuō)，已有技術(shù)的密封填料結(jié)構(gòu)的材料利用率低而不耐磨。所以，同現(xiàn)有技術(shù)相比，利用本發(fā)明的三角密封套的密封結(jié)構(gòu)是密封效率最高、補(bǔ)償調(diào)節(jié)最靈敏、最耐磨持久的填料密封結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明解決第三個(gè)技術(shù)問(wèn)題的方案是一種由球形窩和球形楔組成的閥桿止端密封結(jié)構(gòu)，球窩球心經(jīng)濟(jì)地稍高于球窩口基準(zhǔn)面，球楔的球直徑等于或稍大于球窩直徑，保證球與窩閉合時(shí)的最高接觸小圓逼近球大圓，即保證球?qū)ΩC有楔增力擠擴(kuò)功能，其特征是所述的球形窩是布置在閥體或閥蓋上的閥桿止口型面，所述的球形楔是閥桿的止端。
如圖4所示，半球體通過(guò)其小圓B-B支承在座上時(shí)，半球體相對(duì)其座是一錐體，通過(guò)球心施加力P就可在支點(diǎn)B對(duì)座產(chǎn)生兩個(gè)擠擴(kuò)力f＝P/2sinα。顯然，球的支點(diǎn)越靠近大圓(α越小)，球的楔功能就越強(qiáng)，越靠近頂點(diǎn)(α越大)，球的楔功能就越弱。如果座是球形窩，其直徑又經(jīng)濟(jì)地制造得剛好稍小于球的直徑或球座的球心經(jīng)濟(jì)地制造得剛好稍高于其基準(zhǔn)面，則就可保證球?qū)ζ渥跏冀佑|在座口，且初始接觸楔角α小于10°，即保證球在初次接觸座口時(shí)對(duì)座有足夠的擠擴(kuò)變形能力，乃至此時(shí)的球相對(duì)此時(shí)的球窩就叫球形楔或球楔。如圖5所示，如果使閥體上的閥桿止口為球窩，并使球窩的球心經(jīng)濟(jì)地稍高其基準(zhǔn)面δ(如δ＝0.2mm左右)，使閥桿的止端為球楔，并使球楔的直徑經(jīng)濟(jì)地等于或稍大于球窩的直徑，則此時(shí)淬硬的球楔閥桿端相對(duì)其未淬硬的軟金屬止口，就象金屬對(duì)非金屬軟密封一樣，輕輕閉合就完成密封。按相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，金屬閥門的閥體都得經(jīng)悶火或正火處理至軟狀態(tài)，因此，正適合在閥體上直接加工閥桿止口球窩。如果淬硬的球楔有適當(dāng)?shù)膱A度精度，則無(wú)論球楔在球窩中怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)、怎樣磨損球窩，在球窩上留下的磨損形面都是同一個(gè)球楔球面。也就是說(shuō)，越磨損，球窩與球楔越一致，接觸越來(lái)越好，接觸面積越來(lái)越大，越來(lái)越不易磨損，即越用越好，越用越耐磨。試想一下，如果不用球楔對(duì)球窩，如用球楔對(duì)圓柱孔，則圓柱孔稍大時(shí)會(huì)不耐磨，圓柱孔稍小時(shí)會(huì)削弱楔功能；如果用錐體對(duì)錐窩或錐孔，則錐體與錐窩或錐孔的配合接觸磨損次次都是大小和方向不同的橢圓——越用越磨損、越磨損越不密封，因?yàn)樗麄儾豢赡芡S——不同軸的錐體與錐窩或錐孔的相貫線是橢圓。表面看，球楔與錐的形狀差別不大，實(shí)際是漏與不漏的本質(zhì)差別，因?yàn)槁┡c不漏的界限就在他們的這點(diǎn)差別上。本發(fā)明提出的是球楔閥桿端，US6129336專利提出的是球形閥桿端，表面上利用的都是球，但實(shí)質(zhì)上卻是兩個(gè)完全不同的東西，一個(gè)是楔——工作段逼進(jìn)球大圓，一個(gè)是球——工作段遠(yuǎn)離球大圓。因?yàn)楸景l(fā)明是球楔，所以，它既有球形配合副的功能——除了閥桿歪斜不虛縫泄漏外還越用越好、越用越耐磨，又有楔配合副的功能——使硬密封變得軟密封一樣——既具有硬密封的全部?jī)?yōu)勢(shì)又具有軟密封的全部?jī)?yōu)勢(shì)。US6129336專利提出的球形閥桿端，同其它錐形閥桿端一樣，只能同低強(qiáng)度的非金屬軟口一起使用才是經(jīng)濟(jì)的，因而極易壓破，不耐用。
三角形桿密封有雙向密封性，可雙向單獨(dú)承受高壓；球楔桿端密封是單向密封，但有自密封性，壓力越大密封越好。三角形桿密封與球楔桿端密封，可單獨(dú)使用也還可結(jié)合使用。結(jié)合使用時(shí)，對(duì)正壓力密封，球楔桿端密封是第一密封，三角形桿密封是第二密封，是雙重保險(xiǎn)密封；對(duì)負(fù)壓力即真空密封，能夠承受高壓氣密封的三角密封，有上千倍的富余量。調(diào)整三角形的角度，可以調(diào)整三角密封套的徑向與軸向壓力比，使桿密封與端密封同時(shí)生效。密封結(jié)構(gòu)對(duì)密封墊的徑向分力是桿密封所必須的，是有用的，但密封結(jié)構(gòu)的原始軸向用力，除對(duì)密封墊提供有用徑向分壓力外，還會(huì)在桿的旋轉(zhuǎn)端面產(chǎn)生無(wú)用的摩擦阻力；顯然，能夠直接對(duì)桿提供徑向分壓力的密封結(jié)構(gòu)是要求軸向用力較小的密封結(jié)構(gòu)，三角形桿密封加球楔桿端密封，特別是球楔桿端密封，能夠用最小的軸向力產(chǎn)生最大的徑向分力，無(wú)疑是要求軸向用力最小的桿密封結(jié)構(gòu)，因而是密封效率最高(摩擦阻力最小)的密封結(jié)構(gòu)。所以說(shuō)，本發(fā)明的三角形桿密封加球楔桿端密封是最完美的轉(zhuǎn)動(dòng)桿密封，除用作閥桿密封外，還可用作氣動(dòng)/液壓桿密封。
由于三角形桿密封加球楔桿端密封的效率高、體積小，因此，球閥以外的有蓋閥門將因此而降低閥蓋高度——因?yàn)殚y蓋內(nèi)含閥桿密封結(jié)構(gòu)，球閥的桿密封結(jié)構(gòu)再也無(wú)須從閥體的軀干內(nèi)延伸至軀干外的脖頸內(nèi)，乃至其它裝置需要的球閥脖頸，如手柄鎖緊平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)器安裝平臺(tái)，就沒(méi)有必要隨閥體軀干整體鍛造或鑄造出來(lái)，可以是焊接的或螺紋連接的，這將大大降低閥門的制造成本。


圖1是一種用緊固螺紋連接的兩個(gè)流體容納件的連接端面的密封結(jié)構(gòu)圖，其中的01和05分別是兩體式球閥的閥體和端蓋，通過(guò)它們上的緊固螺紋和閥座02固定在流體通道中的開(kāi)關(guān)球03處在全通的位置，04是有溫度補(bǔ)償效果的梯形環(huán)料容腔結(jié)構(gòu)。圖1a是圖1中有溫度補(bǔ)償效果的梯形環(huán)料容腔結(jié)構(gòu)04的局部放大圖。
圖2是包括有三角桿密封和球楔桿端密封的球閥閥桿總成，圖3是圖2中的三角桿密封的工作原理圖，圖3a和圖3b是已有技術(shù)的兩種閥桿總成。
圖4是球之楔功能說(shuō)明圖，其中的半球體正通過(guò)B-B小圓支撐在某種座口上，α是球過(guò)支點(diǎn)B的楔角，通過(guò)球心施加力P可在支點(diǎn)B對(duì)座產(chǎn)生擠擴(kuò)力f＝P/2sinα。顯然，球的支點(diǎn)越靠近大圓(α越小)，球的楔功能就越強(qiáng)，越靠近頂點(diǎn)(α越大)，球的楔功能就越弱。
圖5是球楔桿端密封結(jié)構(gòu)圖，其中設(shè)置在閥體01上的閥桿止口是球形窩，當(dāng)球窩球心經(jīng)濟(jì)地稍高于球窩口基準(zhǔn)面δ(如δ≤0.2mm)、閥桿06止端球直徑經(jīng)濟(jì)地稍大于球窩直徑時(shí)，閥桿止端球相對(duì)其窩就是一個(gè)有很強(qiáng)擠擴(kuò)力的楔，一個(gè)球形楔。
圖6是包括有三角桿密封、球楔桿端密封和梯形體密封的一體式球閥的剖視圖，圖7是圖6的一體式球閥的分解透視圖，圖8是圖6的一體式球閥的外觀透視圖。
圖9是圖2、圖6、圖7和圖8共同展示的在開(kāi)通位置的一體式球閥的關(guān)閉位置結(jié)構(gòu)圖，從中可以看出，裝在閥桿06上的電連通簧07和電連通球08，在開(kāi)關(guān)球03裝配時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)球有定位作用——可以防止開(kāi)關(guān)球轉(zhuǎn)離正確位置。
圖10、圖11和圖12是應(yīng)用三角桿密封的球楔針型閥。
具體實(shí)施例方式
圖2、圖6、圖7、圖8和圖9展示的都是同一個(gè)一體式球閥，一個(gè)同時(shí)應(yīng)用三角桿密封、球楔桿端密封和梯形截面環(huán)形密封的一體式球閥，圖中的零件號(hào)是完全統(tǒng)一的，其中01是閥體，02是閥座，03是開(kāi)關(guān)球，04是梯形體密封環(huán)，05是螺紋壓塞，06是閥桿，07是定位與電連通簧，08是定位與電連通球，09是桿三角密封套，10是桿密封壓環(huán)，11是碟簧，12是六角薄螺母，13是螺母止動(dòng)墊，14是手柄，15是手柄擋銷。開(kāi)關(guān)球，通過(guò)螺紋壓塞和閥座固定在閥體中，可在座中轉(zhuǎn)動(dòng)；開(kāi)關(guān)球中有個(gè)允許流體穿過(guò)的通孔，每轉(zhuǎn)90°，就可控制流體從全通到全閉或從全閉到全通；圖2、圖6、圖7和圖8展示的是全通狀態(tài)，圖9展示的是全閉狀態(tài)。開(kāi)關(guān)球的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)閥桿操縱的。閥桿有一個(gè)扁平的開(kāi)關(guān)球驅(qū)動(dòng)榫端和一個(gè)扁平的手柄驅(qū)動(dòng)榫端，緊鄰開(kāi)關(guān)球驅(qū)動(dòng)扁榫的是止推球楔結(jié)構(gòu)，與手柄驅(qū)動(dòng)扁榫共端的是緊固螺紋，在緊固螺紋和止推球楔之間的閥桿部位是三角密封套的工作部位。在閥體的閥桿出口中有一個(gè)閥桿止口，止口內(nèi)側(cè)是與閥桿止推球楔相配的球窩，止口外側(cè)是三角密封套的角度接納座。閥桿從閥桿止口穿出閥體后，通過(guò)依次套裝在閥桿上的六角薄螺母、碟形彈簧墊圈及密封壓環(huán)把三角密封套壓在其座上的同時(shí)，再把閥桿止推球楔拉緊在其配合球窩內(nèi)而完成閥桿與閥體的密封與緊固連接。碟簧是用來(lái)補(bǔ)償閥桿密封總成體系的磨損和熱脹冷縮的，維持整個(gè)壽命期的密封性，免除維修。三角密封套的角度與密封壓環(huán)上的壓緊錐面和座上的接納錐面的角度相一致，密封壓環(huán)的外圓與三角密封套的接納座孔間有適度間隙，允許閥桿繞其止端球楔中心適度轉(zhuǎn)動(dòng)以適應(yīng)相關(guān)不同軸誤差，保證三角密封套對(duì)稱均勻地壓緊在閥桿上。螺母止動(dòng)墊的扁平孔與閥桿的手柄驅(qū)動(dòng)扁榫相一致，用于防止密封壓環(huán)的壓緊螺母相對(duì)桿任意轉(zhuǎn)動(dòng)。閥桿的手柄驅(qū)動(dòng)扁榫也符合電動(dòng)與氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置的對(duì)接要求，換下圖示的手柄，加上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器安裝平臺(tái)，就可直接安裝其它驅(qū)動(dòng)裝置。開(kāi)關(guān)球的驅(qū)動(dòng)槽底中央設(shè)置有一小通孔，閥桿的開(kāi)關(guān)球驅(qū)動(dòng)扁榫內(nèi)設(shè)置有一電連通球和一電連通簧；電連通球與簧，除保證球和桿的電連通(防靜電)外，還可與開(kāi)關(guān)球上的小孔配合使用，限制開(kāi)關(guān)球的正確安裝方位，防止開(kāi)關(guān)球在裝配中繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng)而使其驅(qū)動(dòng)槽緣誤入閥座區(qū)影響關(guān)斷密封。開(kāi)關(guān)球上的小孔，除用作定位外，還用作開(kāi)關(guān)球內(nèi)外的均壓孔——可想而知，當(dāng)閥開(kāi)通后，均壓孔就使開(kāi)關(guān)球內(nèi)球外的壓力與原納介質(zhì)的壓力完全一致，當(dāng)閥關(guān)閉后，如果閥桿密封不泄漏，則關(guān)閉期內(nèi)的開(kāi)關(guān)球內(nèi)球外與原納介質(zhì)壓力還會(huì)始終保持一致，而一旦能始終如此無(wú)壓力差，就可十分有效地降低球閥的開(kāi)關(guān)操作力矩；也就是說(shuō)，均壓孔的均壓效果的好與壞，完全起決于閥桿密封的好與壞。由于三角桿密封加球楔桿端密封是雙重保險(xiǎn)密封，因而是使均壓孔效果最大化而使開(kāi)關(guān)球旋轉(zhuǎn)阻力最小化的最佳配套密封。螺紋壓塞與閥體的連接過(guò)程，是把開(kāi)關(guān)球及其座(閥座)固定在閥體中的過(guò)程，同時(shí)也是把體密封墊壓入壓塞與閥體正在圍成的梯形截面的容腔內(nèi)的過(guò)程。梯形截面的密封容腔對(duì)密封有溫度補(bǔ)償作用，可以可靠維持高低溫反復(fù)變化環(huán)境中的緊固螺紋連接端面的密封性。裝配前的體密封墊可以是與其容腔截面積相等的矩形截面，也可以是與其容腔截面形狀和面積都相同的全等截面，但為了溫度補(bǔ)償更有效，最好是與其容腔截面積相等的矩形。
圖10、圖11和圖12展示的是同一個(gè)應(yīng)用三角桿密封的球楔針型閥，圖中的零件號(hào)也是完全統(tǒng)一的，其中21是閥體，22是閥蓋，23是閥桿，24是球楔閥瓣，25是三角密封套，26是球楔密封座，27是鎖緊螺母，28是護(hù)罩，29是手柄，30是螺釘，31是密封箍，32是抱持箍，33是驅(qū)動(dòng)螺母。三角密封套是通過(guò)閥體和閥蓋的螺紋連接而壓緊在閥蓋和球楔密封座間完成對(duì)桿的密封的，閥桿不僅可轉(zhuǎn)動(dòng)而且可移動(dòng)。球楔密封座孔與閥桿間有適度間隙，允許球楔密封座繞其球中心適度轉(zhuǎn)動(dòng)以適應(yīng)相關(guān)不同軸誤差，保證三角密封套對(duì)稱均勻地壓緊在閥桿上。
權(quán)利要求
1一種梯形環(huán)料容腔，用于容裝密封環(huán)，其特征是兩個(gè)被緊固螺紋連接的流體容納件所圍成的截面呈梯形狀的環(huán)繞流體布置的連續(xù)環(huán)料容腔，所述梯形的高沿其環(huán)繞半徑放置而短底在內(nèi)長(zhǎng)底在外。
2一種三角密封套，經(jīng)座和壓環(huán)夾壓在活動(dòng)軸或桿上可完成對(duì)活動(dòng)軸或桿的密封，其特征是截面為三角形的環(huán)形密封套，在其有壓縮與磨損余量時(shí)的所述截面為一截頂三角形，在其無(wú)壓縮與磨損余量時(shí)的所述截面為一徹底的三角形。
3一種由球形窩和球形楔組成的閥桿止端密封結(jié)構(gòu)，球窩球心經(jīng)濟(jì)地稍高于球窩口基準(zhǔn)面，球楔的球直徑等于或稍大于球窩直徑，保證球與窩閉合時(shí)的最高接觸小圓逼近球大圓，即保證球?qū)ΩC有楔增力擠擴(kuò)功能，其特征是所述的球形窩是布置在閥體或閥蓋上的閥桿止口型面，所述的球形楔是閥桿的止端。
4一種球閥，開(kāi)關(guān)球的驅(qū)動(dòng)槽底有一個(gè)通往流體通道的均壓小孔，閥桿的開(kāi)關(guān)球驅(qū)動(dòng)榫內(nèi)有一維持閥桿與開(kāi)關(guān)球電連通的彈簧和球(防靜電裝置)，其特征是所述電連通球與簧沿閥桿軸線布置，所述均壓小孔沿所述開(kāi)關(guān)球徑向布置在所述驅(qū)動(dòng)槽底中央，所述電連通球有被所述電連通簧頂在所述均壓小孔口而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配過(guò)程中的所述開(kāi)關(guān)球的方位限制作用。
5一種按權(quán)利要求1所述的梯形環(huán)料容腔，用于容裝密封環(huán)，其特征是壓裝前的所述密封環(huán)可以是與其容腔截面積相等的矩形截面，也可以是與其容腔截面形狀和面積都相同的全等截面，但最好是與其容腔截面積相等的矩形截面。
全文摘要
球閥與三角套密封及梯形環(huán)密封，屬機(jī)械工程領(lǐng)域，涉及閥門及優(yōu)先閥門相關(guān)的三角套密封、梯形環(huán)密封及球楔密封等結(jié)構(gòu)。球閥僅是說(shuō)明這些發(fā)明的一種具體閥門。梯形環(huán)密封是一種填料容腔截面為梯形的環(huán)形密封結(jié)構(gòu)，用于緊固螺紋連接的端面密封，對(duì)于有不同溫度系數(shù)的環(huán)料墊和容腔組成的密封有溫度補(bǔ)償效果。三角套密封是一種采用截面為三角形的密封套的桿密封結(jié)構(gòu)，三角密封套對(duì)桿直接傳遞徑向分壓力，有密封效率高、補(bǔ)償調(diào)節(jié)靈敏、耐磨持久等特點(diǎn)。三角套桿密封加球楔桿端密封是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的雙倍保險(xiǎn)密封，因而是可使均壓孔的效果最大化而使開(kāi)關(guān)球的旋轉(zhuǎn)阻力最小化的密封，是所需軸向密封用力最小的密封因而是桿旋轉(zhuǎn)端摩擦阻力最小的密封，所以是操作力矩最小的最理想的球閥閥桿總成。
文檔編號(hào)F16K5/06GK1920363SQ20051009790
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者徐長(zhǎng)祥 申請(qǐng)人:浙江華夏閥門有限公司