在流體控制領(lǐng)域，如油氣生產(chǎn)流程切換、管道關(guān)斷、計(jì)量、調(diào)壓、分子篩切換、壓縮機(jī)進(jìn)出口、煉油工藝中的氫氣工況，合成氨裝置的空分等操作頻繁并對(duì)流體開關(guān)控制和關(guān)閉嚴(yán)密性要求苛刻的領(lǐng)域，要求閥門能夠在直通的狀態(tài)下盡可能小的產(chǎn)生壓降，并且能夠提供不受管線介質(zhì)壓力影響的強(qiáng)制扭矩密封。強(qiáng)制密封球閥被公認(rèn)為理想的解決方案。
背景技術(shù)：
：然而以美國(guó)ORBIT閥門為代表的傳統(tǒng)提升桿式強(qiáng)制密封球閥，采用提升閥桿軌道引導(dǎo)設(shè)計(jì)，盡管可以實(shí)現(xiàn)閥門在開關(guān)全程大部分時(shí)間與閥座無接觸，無摩擦，但在閥球與閥座密封面最后抱合階段仍存在相對(duì)滑動(dòng)摩擦，沒有真正做到無摩擦旋轉(zhuǎn)；其閥球和閥座間的強(qiáng)制抱合通過閥桿的楔式面下壓并配合閥球下樞軸的共同作用才能完成。其動(dòng)作過程不夠平穩(wěn)，容易受到閥座與樞軸相對(duì)位置精度的影響；閥桿部分及其總成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開關(guān)過程中需要疊加直行程和角行程運(yùn)動(dòng)；加工精度要求高；容易發(fā)生閥桿泄露；同時(shí)開關(guān)操作時(shí)間過長(zhǎng)；通過國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利查詢共找到如下6種強(qiáng)制密封球閥閥型：1.申請(qǐng)公布號(hào)：CN104295764A，申請(qǐng)?zhí)枺?014105008955：該設(shè)計(jì)采用偏心設(shè)置同步轉(zhuǎn)動(dòng)的閥桿和球體來啟閉閥門。該設(shè)計(jì)本質(zhì)上是偏心蝶閥的一種變形設(shè)計(jì)，在閥球與閥座密封面最后抱合階段存在很大的角行程運(yùn)動(dòng)矢量從而產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦，沒有真正做到無摩擦旋轉(zhuǎn)；并且由于關(guān)閉的動(dòng)作為角行程，閥球與閥座間的抱合法向分力不高，密封可靠性和實(shí)際使用壽命會(huì)受到影響。2.申請(qǐng)公布號(hào)：CN103727260A，申請(qǐng)?zhí)枺?014100163761：該設(shè)計(jì)公開了一種球閥，尤其涉及一種強(qiáng)制密封球閥，它包括閥體、副閥體、球體、閥座、副閥體流體管道，所述副閥體流體管道外圓上具有螺柱螺母驅(qū)動(dòng)式強(qiáng)制密封裝置，其中蝸輪和主動(dòng)螺柱之間具有平鍵相聯(lián)，主動(dòng)螺柱旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可使與其相旋合的從動(dòng)螺母的軸向滑動(dòng)鍵槽沿副閥體流體管道上的導(dǎo)向鍵作軸向直線運(yùn)動(dòng)，可把體外所產(chǎn)生的壓力通過壓力傳遞系統(tǒng)使閥腔內(nèi)的閥座和球體之間產(chǎn)生所需的密封比壓，實(shí)現(xiàn)低扭矩開、關(guān)和強(qiáng)制密封，通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)來完成螺柱螺母驅(qū)動(dòng)式強(qiáng)制密封裝置和電動(dòng)執(zhí)行器在開、關(guān)和密封過程中相關(guān)聯(lián)的動(dòng)作程序。該設(shè)計(jì)采用了兩套操作機(jī)構(gòu)，一套操作閥球90度旋轉(zhuǎn)，另一套操作機(jī)構(gòu)操作被稱之為付閥體的部分，驅(qū)動(dòng)閥座配合閥球完成抱合。這種設(shè)計(jì)閥門潛在漏點(diǎn)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥門體積臃腫，不一定能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的閥門面對(duì)面尺寸。3.申請(qǐng)公布號(hào)：CN103527809A，申請(qǐng)?zhí)枺?013105342621：該設(shè)計(jì)包括閥體、閥蓋、閥桿、楔式椎體及閥瓣，其特征在于所述閥體頂部與閥蓋相連，所述閥蓋頂部中央通過支架豎直固定閥桿，所述閥桿底部通過閥蓋中央的通孔銷接固定閥體內(nèi)腔中的楔式椎體，與楔式椎體實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，即沿固定軸軸向做提升旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述閥體內(nèi)腔底部中央豎直設(shè)有固定軸，所述固定軸與楔式錐體底部中央的凹槽相適配，所述閥體內(nèi)腔底部?jī)啥送ㄟ^T型槽固定閥瓣，所述閥瓣的頂部、閥體內(nèi)腔兩側(cè)的內(nèi)壁上分別設(shè)有閥瓣限位裝置，所述兩側(cè)的閥瓣限位裝置與楔式錐體的兩側(cè)壁密合連接。該設(shè)計(jì)與美國(guó)GENERALTWINSEAL強(qiáng)制密封旋塞閥原理相同(行業(yè)內(nèi)也稱DBB旋塞閥)，雖然閥門在關(guān)位能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)制密封，但由于采用滑動(dòng)式閥瓣組件，閥門在開位時(shí)閥瓣將會(huì)受到紊流的影響。目前，這種設(shè)計(jì)僅適用于低壓力液體工況的應(yīng)用。4.申請(qǐng)公布號(hào)：CN102979929A，申請(qǐng)?zhí)枺?012105315085：該設(shè)計(jì)包括球體、閥座和活動(dòng)的安裝在球體與閥座之間起密封作用的密封環(huán)座，還包括可以沿密封環(huán)座軸向強(qiáng)制推動(dòng)密封環(huán)座的液壓裝置，所述液壓裝置安裝在閥座與密封環(huán)座之間。該設(shè)計(jì)采用一套液壓系統(tǒng)向閥座和閥球間的密封環(huán)施壓來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制密封，閥門的液壓泄露和復(fù)雜的機(jī)構(gòu)會(huì)影響閥門的密封可靠性和壽命。5.申請(qǐng)公布號(hào)：CN105370909A申請(qǐng)?zhí)枺?014104406033：該設(shè)計(jì)的啟閉件具有兩個(gè)偏心的球面結(jié)構(gòu)，這種偏心結(jié)構(gòu)使得當(dāng)閥桿帶動(dòng)啟閉件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)偏心的球面均會(huì)產(chǎn)生沿著下游閥座和上游閥座軸線方向的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生壓緊或放松閥座的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特定閥位下啟閉件和下游閥座和上游閥座的強(qiáng)制密封。該設(shè)計(jì)閥門在開位時(shí)將會(huì)受到紊流的影響，兩個(gè)偏心的球面結(jié)構(gòu)可能因紊流震動(dòng)受損而影響閥門可靠性和壽命。6.申請(qǐng)公布號(hào)：CN104132157A申請(qǐng)?zhí)枺?013101575904該設(shè)計(jì)涉及一種模塊化設(shè)計(jì)角行程操作的強(qiáng)制密封閥，其主要部件包括閥體、啟閉件、閥蓋、閥桿、閥座、導(dǎo)流筒、閥座支撐板、導(dǎo)流筒支撐板、操作機(jī)構(gòu)和排污閥等。啟閉件布置在閥座和導(dǎo)流筒之間，其凸面和凹面為相互偏心球面結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)凸球面與凹球面球心的相對(duì)位置以及它們的半徑，可以調(diào)節(jié)啟閉件各處的厚度以調(diào)節(jié)閥門處于不同閥位時(shí)啟閉件與閥座之間的密封比壓，這使得閥門在某些閥位時(shí)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制密封。因此，該設(shè)計(jì)并不是完整意義上的強(qiáng)制密封球閥。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服目前各種強(qiáng)制密封球閥存在的在密封行程最后階段的相對(duì)滑動(dòng)摩擦，閥座法向密封分力不足，結(jié)構(gòu)和體積龐大，部分設(shè)計(jì)需要使用液壓系統(tǒng)，及部分設(shè)計(jì)存在的閥門開位時(shí)閥球組件受紊流影響等問題，本實(shí)用新型從實(shí)現(xiàn)密封的基本結(jié)構(gòu)入手，均圓滿地解決了這些不足。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：本實(shí)用新型采用樞軸式閥球和固定式閥座設(shè)計(jì)，剖面視圖如圖1所示。是一種，通過螺旋頂壓機(jī)構(gòu)將閥球總成的一部分(如果本實(shí)用新型應(yīng)用于旋塞閥，也可以是旋塞總成的一部分)，也就是閥球密封面(8)向閥座(3)方向頂起并壓緊來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制密封的技術(shù)。閥門的閥球基體(5)的運(yùn)動(dòng)范圍受閥體下樞軸處精限位的限制，準(zhǔn)確地停止于90度的開關(guān)位置；通過扭力彈簧(17)的作用，閥球密封面(8)在閥門除關(guān)位外的其他位置均與閥球基體收縮并鎖緊在一起；從而實(shí)現(xiàn)球閥90度開關(guān)與閥座密封面無摩擦旋轉(zhuǎn)，同時(shí)解決了一些當(dāng)前設(shè)計(jì)存在的閥體組件受管道紊流損壞的弊端。閥球基體(5)在對(duì)準(zhǔn)關(guān)閉位后，將受閥體下樞軸精限位約束而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)閥門操作的轉(zhuǎn)動(dòng)將通過集成在閥球基體(5)上的一組齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)來旋轉(zhuǎn)螺柱齒輪(7)，從而平穩(wěn)地頂壓閥球密封面(8)，使其與閥座密封面(3)同時(shí)抱合并壓緊，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制的扭矩關(guān)閥。這種抱合過程是沿閥座密封面正垂直方向的同時(shí)抱合，因此密封面間不會(huì)發(fā)生任何相對(duì)的轉(zhuǎn)/滑動(dòng)摩擦，避免了包括美國(guó)ORBIT閥門在內(nèi)的閥門關(guān)閉行程最后階段密封面間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦。由于采用螺旋式旋轉(zhuǎn)頂起原理，閥球密封面(8)動(dòng)作平穩(wěn)可靠，容易實(shí)現(xiàn)閥球密封面(8)和閥座(3)密封面的配合精度。閥門結(jié)構(gòu)緊湊能夠符合標(biāo)準(zhǔn)的面到面大小，甚至可以更短。閥桿部分僅需要考慮角行程密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠；同時(shí)閥門開關(guān)行程時(shí)間短。本實(shí)用新型的創(chuàng)新之處主要有以下幾個(gè)方面：1.平順的閥球密封面螺旋頂壓機(jī)構(gòu)：閥球基體(5)、螺柱齒輪(7)、閥球密封面(8)和閥座(3)的軸向順序位置關(guān)系如圖2所示。閥門關(guān)閉動(dòng)作在閥球基體(5)和閥球密封面(8)正對(duì)閥座(3)時(shí)，螺柱齒輪(7)才會(huì)在關(guān)閥力矩的作用下旋轉(zhuǎn)，由于閥球密封面(8)受到限旋六方柱的限制(如圖3所示)，不能隨螺柱齒輪(7)轉(zhuǎn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)螺旋的引導(dǎo)下被均勻頂起，最終與閥座密封抱合而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制密封。在這個(gè)過程中，螺旋頂壓動(dòng)作產(chǎn)生抱合壓力正垂直于閥座密封面，因此不會(huì)疊加任何角行程運(yùn)動(dòng)，而發(fā)生滑動(dòng)摩擦，密封抱合均勻可靠。圖4所示的是閥球密封面(8)與閥座(3)剛剛對(duì)準(zhǔn)時(shí)的閥芯各零件的位置。此時(shí)可以通過放大的局部圖看到閥球密封面(8)與閥座(3)之間沒有抱合。圖5則是螺柱齒輪(7)旋轉(zhuǎn)后閥球密封面(8)被頂起并與閥座(3)抱合的狀態(tài)，局部圖可以清楚地反映出閥球密封面(8)與閥座(3)的抱合狀態(tài)。2.閥座(3)和閥球密封面(8)在開閥時(shí)同時(shí)脫開而具有均勻的自清潔性：(參考圖4)開閥動(dòng)作在扭力彈簧(17)和開閥力矩的共同作用下，從螺柱齒輪(7)反向旋轉(zhuǎn)開始，此時(shí)閥球密封面(8)同樣受到限旋六方柱的限制，不能隨螺柱齒輪(7)轉(zhuǎn)動(dòng)，在螺旋旋轉(zhuǎn)的引導(dǎo)下脫離與閥座的抱合，最終在彈簧和開閥扭矩的共同作用下與閥球基體鎖緊，這時(shí)閥球總成才會(huì)旋轉(zhuǎn)直至閥門全開。在這個(gè)過程中，閥球密封面(8)與閥座(3)的脫開是同時(shí)發(fā)生的，不疊加任何角行程運(yùn)動(dòng)，此時(shí)如果閥座周圍沉積任何雜質(zhì)，將會(huì)被介質(zhì)均勻吹走，不留任何死角，從而起到自清潔的效果。3.傳導(dǎo)強(qiáng)制密封抱合力的齒輪組機(jī)構(gòu)(圖6)：操作閥門開關(guān)的扭矩通過閥桿(16)直接作用于上樞軸齒輪(9)，在閥球密封面(8)與閥座(3)對(duì)準(zhǔn)之前，齒輪組保持在鎖定狀態(tài)，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，當(dāng)閥球密封面(8)與閥座(3)對(duì)準(zhǔn)后，閥桿旋轉(zhuǎn)扭矩將首先驅(qū)動(dòng)上樞軸齒輪(9)旋轉(zhuǎn)，通過小齒輪(10)將力矩傳遞給螺柱齒輪(7)使之直接旋轉(zhuǎn)螺旋頂壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制密封。采用小齒輪(10)從中傳遞扭矩，可以大大減小閥球總成的體積，進(jìn)而大大減小了整個(gè)閥門的體積，三級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)采用錐面漸開線齒輪設(shè)計(jì)，使齒輪的傳動(dòng)平順可靠，齒與齒之間嚙合無相對(duì)滑動(dòng)，磨損最小。4.扭力彈簧(17)鎖緊裝置和閥球基體(5)與上樞軸齒輪(9)間的隨動(dòng)控制(圖7)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的扭力彈簧被安裝在閥桿(16)與閥球基體(5)之間，閥桿下部正多邊形與上樞軸齒輪內(nèi)正多邊形嚙合形成驅(qū)動(dòng)配合(也可以采用花鍵配合)，在齒輪組機(jī)構(gòu)將閥球密封面(8)與閥球基體(5)完全收緊的同時(shí)，讓閥球基體(5)和閥桿(16)及上樞軸齒輪(9)間的扭力彈簧為它們施加恰當(dāng)?shù)逆i緊扭矩，這樣閥門在開關(guān)過程中閥球密封面(8)與閥球基體(5)即被鎖緊，從而與閥座不接觸實(shí)現(xiàn)閥球總成無摩擦旋轉(zhuǎn)。關(guān)閉閥門至閥球密封面(8)與閥座(3)對(duì)準(zhǔn)后，閥球基體(5)的旋轉(zhuǎn)將被限位阻止，閥桿(16)繼續(xù)傳遞關(guān)閥力矩將克服扭矩彈簧(17)力矩使上樞軸齒輪(9)相對(duì)閥球基體(5)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過齒輪組機(jī)構(gòu)將扭矩傳遞給閥球密封面(8)螺旋頂壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制密封。開閥時(shí)，扭矩彈簧(17)將施加扭力使閥球基體(5)保持在對(duì)準(zhǔn)閥座(3)的關(guān)閉角度，而使得關(guān)閥旋轉(zhuǎn)通過齒輪組機(jī)構(gòu)傳遞力矩驅(qū)動(dòng)閥球密封面(8)與閥球基體(5)先行收緊，扭矩彈簧(17)也將疊加扭矩將閥球密封面(8)與閥球基體(5)的收緊鎖定。閥桿(16)繼續(xù)向開閥方向旋轉(zhuǎn)，閥球總成將一起旋轉(zhuǎn)直到閥門全開。扭力彈簧(17)與閥桿(16)、閥球基體(5)和上樞軸齒輪(9)間構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的隨動(dòng)控制，并使閥球總成在除全關(guān)位外處于收縮并鎖緊狀態(tài)，一方面使閥座(3)與閥球總成無摩擦90度旋轉(zhuǎn)，另一方面使閥門在全開位時(shí)，閥球密封面(8)避免發(fā)生受介質(zhì)紊流而產(chǎn)生的震動(dòng)破壞。5.閥門下樞軸機(jī)械限位機(jī)構(gòu)幫助實(shí)現(xiàn)閥球基體(5)與上樞軸齒輪(9)隨動(dòng)的分離：如圖8所示，閥球基體(5)下樞軸不同于普通樞軸球閥，而是加工有90度扇形突起。與之配合的下樞軸倉(cāng)有180度的下凹。閥門裝配后，閥球基體(5)的運(yùn)動(dòng)范圍將被嚴(yán)格限定在90度的開關(guān)旋轉(zhuǎn)范圍。在閥球基體(5)被限位在全關(guān)位時(shí)，閥桿(16)關(guān)閥的力矩會(huì)克服扭力彈簧(17)的力矩通過齒輪組旋轉(zhuǎn)螺紋頂壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制密封如圖7和圖5所示。綜上所述，本實(shí)用新型的有益效果是，閥門結(jié)構(gòu)緊湊，真正無摩擦開關(guān)，強(qiáng)制密封抱合力均勻可靠，開位閥球總成收縮并鎖緊，免受紊流破壞，開閥力矩小，開關(guān)動(dòng)作迅速，閥桿密封簡(jiǎn)單可靠。附圖說明圖1：閥門關(guān)位剖面圖，本說明書各個(gè)圖中零件號(hào)對(duì)應(yīng)表如下：零件號(hào)零件名稱數(shù)量1頂裝式閥體12閥蓋墊片13閥座14閥體螺栓65閥球基體16螺柱齒輪壓環(huán)17螺柱齒輪18閥球密封面19上樞軸齒輪110小齒輪111上蓋112閥桿上蓋113閥桿鍵114閥桿上蓋螺釘415螺母616閥桿117扭力彈簧118小齒輪壓蓋119螺柱齒輪壓環(huán)螺釘4圖2：閥球基體、螺柱齒輪、閥球密封面和閥座的軸向順序位置關(guān)系。圖3：閥球密封面同軸側(cè)視圖，顯示螺旋部分和六方限旋柱。圖4：剖面圖，顯示閥球總成剛剛旋轉(zhuǎn)到閥球密封面與閥座對(duì)齊的位置，此時(shí)閥座與閥球密封面還未接觸；局部圖給出了閥座與閥球密封面的放大細(xì)節(jié)。圖5：剖面圖，顯示螺柱齒輪旋轉(zhuǎn)頂起閥球密封面使之與閥座抱合狀態(tài)。局部圖給出了閥座與閥球密封面抱合的放大細(xì)節(jié)。圖6：閥桿、閥球基體和齒輪組間的裝配位置關(guān)系。圖7：閥桿、扭力彈簧、閥球基體、上樞軸齒輪間安裝關(guān)系的示意。安裝時(shí)扭力彈簧需要壓縮并持續(xù)施加扭力以保證閥桿與閥球基體和上樞軸齒輪間除閥門全關(guān)位外的其他位置均能隨動(dòng)。圖8：閥體下樞軸倉(cāng)與閥球基體下樞軸精限位透視圖。圖9：閥座閥球裝配示意。圖10：閥球總成裝配示意。圖11：閥體上蓋裝配示意。圖12：閥桿上蓋及閥桿鍵裝配示意。圖13：閥門爆炸視圖。具體實(shí)施方式本實(shí)用新型的強(qiáng)制密封閥實(shí)施可采用多種閥體結(jié)構(gòu)形式如側(cè)裝式，頂裝式或全焊接式。在這里以頂裝式為例來說明。頂裝式閥體(1)和上蓋(11)采用成熟的鑄造工藝制造。后期經(jīng)過機(jī)加工使零件滿足裝配尺寸。其余金屬零件將采用鍛件。后期經(jīng)過機(jī)加工使零件滿足裝配要求(所以零件均不存在加工難度，有些零件可直接使用同樣標(biāo)準(zhǔn)件，如：螺栓螺母，螺釘?shù)?。下面重點(diǎn)介紹裝配過程:1.閥座(3)的裝配(圖9)：閥座(3)可采用過盈配合直接壓入頂裝閥體的預(yù)留位置，如圖7所示。這樣閥座和閥體間的密封也同時(shí)解決了。2.閥球總成的裝配(圖10)：首先安裝小齒輪(10)，將小齒輪(10)安裝到閥球基體(5)對(duì)應(yīng)的軸并擰緊小齒輪壓蓋(18)。接下來將螺桿齒輪壓環(huán)(6)放入閥球密封面(8)的螺旋孔底部，然后將螺柱齒輪(7)旋入閥球密封面(8)螺旋孔。在旋緊前調(diào)整螺桿齒輪壓環(huán)的螺絲孔位置，然后將裝配體六方限旋柱與閥體基體對(duì)齊后推到底。從閥球基體流道內(nèi)將4顆鎖定螺釘(19)擰緊。最后將上樞軸齒輪(9)安裝到閥球基體(5)對(duì)應(yīng)的軸上，并旋轉(zhuǎn)上樞軸齒輪(9)使閥球密封面(8)與閥球基體(5)抱緊。3.將閥球總成從閥體上部放入。4.安裝閥桿(16)：如圖7所示，首先將扭力彈簧(17)涂上黃油并插入閥桿(16)對(duì)應(yīng)的位置，然后將閥桿(16)和扭力彈簧(17)一起移向上樞軸齒輪(9)。注意：此時(shí)需要先把扭力彈簧(17)的另一端半插入閥體基體(5)的預(yù)留孔中，然后旋轉(zhuǎn)閥桿使扭力彈簧(17)壓縮(此處安裝需要配備扭矩扳手)，在閥桿上施加的扭矩達(dá)到設(shè)定值時(shí)，對(duì)齊上樞軸齒輪(9)正多邊形驅(qū)動(dòng)配合并將閥桿(16)下壓入位。5.安裝閥體上蓋及螺栓螺母。如圖11所示，先將螺栓(4)擰入閥體螺栓孔，放入閥蓋密封墊片(2)，對(duì)齊上蓋(11)螺孔并放到閥體(1)上，安裝并按擰緊螺母(15)。6.安裝閥桿上蓋和閥桿鍵。如圖12所示，將閥桿上蓋(12)沿著閥桿(16)下推到位。上緊閥桿上蓋螺釘(14)。然后安裝閥桿鍵(13)。7.安裝完成。圖13給出所有零件的爆炸。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3