專利名稱：自壓自動補償球閥的制作方法
技術領域：
本發明屬于管道輸送系統控制裝置。主要提出一種自壓自動補償球閥。閥門，因滲漏、維修量大、使用壽命短、用材多、能耗高、安全性差等缺陷，給用戶、 給社會造成了諸多麻煩與損失。目前就五種切斷閥綜合評價，公認屬球閥基本結構較佳， 這主要體現在阻力最小、能耗最小、流量最大、密封最可靠、用材少等幾個方面，但它仍存在 著嚴重缺陷，現在絕大多數球閥無補償量，就是有補償量的球閥不但結構很復雜、工藝難度 大、生產成本高并且補償后壽命仍不理想。
發明內容
本發明所提出的自壓自動補償球閥的目的，就是要消除它的諸多缺陷，更有效地 提高它的工作壽命，并且生產成本低廉。本發明所采取的技術方案有3項(1)介質自壓自動補償的技術方案由閥體、接盤、球、十字滑塊、閥桿、隔套、補償盤、鎖輪、鎖輪座、拉簧、密封環、支撐 環等相關件及輔件組成。其技術方案是在閥體與接盤連接處的內腔，由隔套、補償盤及其兩 者同軸內外軸徑間兩個0形密封圈所共同構成的一個補償裝置，該補償裝置在介質壓力或 壓力差作用下在補償盤全部右端面上所產生的向左推力，將自動、不間斷地推動密封環緊 壓球面對介質自身進行密封與補償。除上述補償技術外，還有如下2項技術與其配套。(2)補償力鎖定技術。其技術方案是安裝在補償盤上的鎖輪座與同軸的鎖輪之間 設有多頭、單面、自鎖螺旋斜面副機構，通過拉簧，轉動鎖輪來填補因補償盤在軸向補償位 移后所留下的軸向空隙，以機械強制方式將最大的補償力保留、儲備在補償盤、密封環、球 面三者之間，以便彌補介質在低壓狀態下密封力嚴重不足的缺陷。(3)浮動漂移技術。其技術方案是將被密封環與支撐環夾在中間的球，既要能使其 做到傳遞來自閥桿的扭矩，又要能滿足上述三者(兩環一球)之間相互磨損后而使球在閥 的軸線上向左自由位移，為此，在閥桿與球之間設置一個十字滑塊。本發明球閥通過上述3項新創技術整合，其性能有根本性的改善與提高(1)有效排除了原傳統球閥使用壽命超短或較短的致命性缺陷，提高了工作壽命， 并且密封更加安全可靠，又可終身免于維修，能最大限度地提高管網運行效率，減少了維修 費用，降低了成本，提高了用戶經濟效益。(2)由于其工作壽命高，一個可頂球閥數個，在滿足同樣工作量需求前提下，可相 應減少數倍閥門數量以及取代了用材較多的截止閥和閘閥，節省了一定數量鋼鐵鑄件生 產，不但相應節省了鋼鐵原材料，也相應節省了鋼鐵鑄件生產及零部件加工中必用的大量 煤炭、電能以及運輸中的能源消耗，同時也相應減少了對環境的廢氣、廢物、廢水排放污染， 提高了社會效益。并且也完全省去了兩種主流產品截止閥和閘閥結構中必用的貴重銅材。(3)取代進口，節匯創匯。國內一些大中城市燃氣公司為了確保管網運行安全、防止重大事故出現、延長閥門的工作壽命、減少維修費用，從根源上采取了斷然措施，紛紛從 國外進口(如遼寧沈陽市燃氣公司不用國產閥門，全部從韓國進口)。本技術產品不但以更 優性能取代進口產品后每年可節省一定數量外匯，并可大量出口，參與國際高端市場競爭。本發明與國外新創高壽命球閥專利對比近幾年內，技術先進國家美國、英國、日本、德國、法國等已實施的諸多新創球 閥專利 中，在結構上真正具有超高工作壽命的主要有三項日本球閥專利JP10213238、 JP11037317和韓國球閥專利W099/58884，這三項專利在結構上基本相同，他們均屬外置式 手調補償結構。而本發明專利屬于內置式全自動補償結構，所用力學結構與他們有著根本 區別，其反映在性能上、結構上、使用上均有著較大差異(3)之所以在補償形式上不同于國外上述三項同類技術，是因為本發明專利是用介 質壓力作補償力并相應采用了補償力鎖定機構與其配套，實現了高可靠安全密封與自動補 償，并且補償密封力品質高、穩定、使用范圍寬。這是他們三項專利所不及之處。⑤本發明專利自動補償機構設置在閥內，不像他們三項專利那樣只好將手調補償 機構無奈地以背負附加形式設置在閥外，從而導致產生多種不利影響。Θ本發明屬于自動補償，不但性能高、可靠，并可終身免于管理。而依照日、韓這三 項專利特別是其中的液壓補償機構這項專利所生產出的每個閥門自安裝使用之日起至數 十年后壽命終止之日止，個個都需要終身補償調整，不但十分繁瑣，并難免不會出錯。③本發明球閥是用介質壓力作補償力及其鎖定辦法可實現持續、長久、絕對密封。 而日韓三項專利在絕對密封性能上則各不相同其一是日本專利，它僅僅只用單一介質壓 力進行密封是很不夠的，無法保證中高壓在啟閉過程經過低壓、超低壓以及處于低壓、超 低壓狀況下的絕對密封；其二是韓國專利，它的補償力是用介質壓力加彈簧壓力，盡管這 對上述日本單一介質壓力所存在的缺陷有較大改善，但由于彈簧存在著不可克服的疲勞現 象，它也只能維持短時間內的可靠密封，并且結構、工藝復雜、效果差；其三是日本專利，它 是用外置式多級齒輪液壓系統進行手工補償，其密封力雖有可靠保障，但結構很復雜，成本 較高，特別是該外置附加補償機構所占空間比球閥本身還大，由此帶來的負面影響會更多。 凡用介質壓力作補償力的該類球閥中，獲得補償力大小的唯一重要可變要素是 介質承壓面積。本球閥中可根據介質壓力需要進行任意設計來滿足補償力與密封比壓要 求，但日本、韓國上述兩項專利球閥結構則不能，所以他們適應的介質壓力范圍必將受到較 大限制。 從以上結構分析對比，本發明均優于他們三項專利。經對DmOO樣機壽命試驗，其工作壽命次數不低于5萬，遠高與國家試驗標準2萬 次的要求。
附圖1是本發明球閥結構示意圖(圖中球的方位處于開啟狀態)。附圖2是補償盤總成圖。附圖3是圖1的A-A剖視圖。附圖4是圖1的M向視圖。附圖5是圖1的B-B剖面圖。
附圖6是圖1的P-P剖面圖。
附圖7是介質推力與介質壓力關系中的A種狀態。 附圖8是介質推力與介質壓力關系中的B種狀態。 附圖9是介質推力與補償力高位鎖定之間的關系。圖中1閥體、2接盤、3球、4十字滑塊、5閥桿、6隔套、7補償盤、8鎖輪座、9鎖輪、 10鍵板、11拉簧、12不銹鋼墊片、13支撐環、14密封環、15、16、17、18、190形密封圈、20扳 手、21中腔、22前腔、23內腔、24孔、25閥體接盤總裝結合面、26螺旋斜面、27補償方向、28 方孔、29箭頭、30主腔、31螺旋斜面、32鎖輪轉動方向、33銅絲、34墊圈、35、36螺釘、37內 端面、38半圓頭螺釘、39、40內六方螺釘、41、42裝配工藝孔、43掛鉤、44、45鍵槽。
具體實施例方式參照
編號、名稱對結構具體加以說明閥體1與接盤2用螺釘36進行總裝連接。補償裝置中的隔套6伙同其上的兩個 0形密封圈16、17被閥體1和接盤2擠壓、固定在其間，從而將閥腔隔離一分為三，即主腔 30、中腔21和前腔22。其中中腔21與大氣相通，主腔30和前腔22各自被獨立密封。隔套6與其內兩個同軸階梯軸徑分別相配套的補償盤7 (詳見附圖1)及其兩者大 小軸徑間分別所裝的0形密封圈18、19共同構成一個補償裝置，該補償裝置中的內腔23通 過孔24與大氣相通的中腔21相通。由于介質自身壓力差作用在補償盤7全部右端面上產 生的向左推力，使其將自動地、不間斷地去推動密封環14于球面處對介質進行長久、持續 性密封，確保達到終身不漏的目的。介質按箭頭29所指方向進入閥內而從另一端流出，球閥在關閉情況下，具有一定 壓力差的介質從鎖輪9上諸多方孔28流入前腔22內以及在前腔22之外介質對補償盤7 右端面向左推壓，而內腔23中的空氣通過孔24進入中腔21，然后沿閥體1內壁經閥體1接 盤2總裝結合面25與大氣想通，其目的有兩個一是為避免出現因補償盤7在向左補償推 進中對內腔23里的空氣進行壓縮而導致產生越來越大的空氣阻力。二是內腔23通過與大 氣想通的“短路”方式將所有后續流程中阻力直接變為零的辦法，使介質能獲得較大的壓力 差來參與補償。由介質在補償盤上產生的向左推力傳給密封環14及球面對介質自身進行 密封中，球3前后壓力差越大，向左推力就越大。補償盤7全部右端面面積越大，向左推力 也越大。具體詳見附圖7、8。介質推力〔MPa〕=介質壓力〔Mpa/cm2〕X補償盤7右端面面積〔cm2〕。介質推力與介質壓力關系分A、B兩種狀態。A是表示在一個確定的介質壓力系統 狀態下，不同型號球閥之間分別有著大小不同的介質推力，這些相同壓力不同型號球閥彼 此可以組成一個系列。在同一個系列里，小閥的補償盤7右端面面積小，由介質產生的推力 也小，大閥的補償盤7右端面面積大，由介質產生的推力也大(具體詳見附圖7)。B是表示 對一個具體型號球閥而言，不同介質壓力狀態下所產生的推力是不同的，介質壓力大推力 也大，介質壓力小推力也小，當介質壓力為零時，其介質推力也就為零(具體詳見附圖8)。 這種工作特性表明，介質壓力處于中高壓狀態下，它有足夠的力量貢獻給自動補償力去進 行密封，但它所存在的致命缺陷就是當介質處于低壓、特別是在超低壓狀態下所產生的自動補償力嚴重不足，甚至為零。在管道輸送中，如食品加工、制藥、化工、城市地下燃氣管網等等諸多地方為了使 用安全并減少輸送介質所用動力消耗，往往都采取較低的介質壓力，為了彌補介質推力在 介質處于低壓下的不利線性關系，尤其是當介質壓力波動到較低狀態下，也同樣使其具有 足夠的補償力進行密封，本球閥采取了對補償力高位鎖定辦法。通過補償力鎖定機構將處 于較高介質壓力狀態下所產生的介質推力(即補償力)以強制機械方式及時地給予保留、 儲備在補償盤7、密封環14、球3之間。不論介質低壓波動到何等狀態，均能保持良好密封 能力。
補償力鎖定機構主要有鎖輪9、鎖輪座8及拉簧11等件組成(詳見附圖1、2、3)。 鎖輪座8與其同軸的鎖輪9之間設有多頭、單面、螺旋角小于摩擦角的自鎖螺旋斜面副機 構，當補償盤7在介質壓力下向左補償位移后，在鎖輪座8上的螺旋斜面26(詳見附圖2) 與鎖輪9上的螺旋斜面31之間就出現一個軸向間隙。鎖輪9以不銹鋼墊片12為支撐(而 不銹鋼墊片12之后又是接盤2內端面37為支撐)，當鎖輪9在拉簧11拉動自轉后，使鎖輪 座8上的螺旋斜面26與鎖輪9上的螺旋斜面31在新的高度斜面位置上重新緊密接觸，由 此消除因補償位移后所出現的軸向間隙，以機械強制方式迫使補償力長久保持強勁狀態而 不消逝(具體詳見附圖9)。對附圖9進行分析OG為介質推力線，這條介質推力線與介質壓力之間為線性關系。當介質壓力按公 稱壓力M1高位運行時，其補償推力為D1,即便在此以后介質壓力向下波動很多，如下降到M2 處，其補償力也不會降到D3,至少不低于D2。這就是因為補償力鎖定機構將補償力及時鎖定 在高位狀態而不隨介質壓力下降而下降的緣故。CF線就是補償力鎖定機構將補償力鎖定在高位的補償力線。這條高位鎖定補償力 線CF并不重疊于D1F,這是因為補償力鎖定機構中的鎖輪9上數條螺旋斜面31 (詳見附圖 1)與鎖輪座8上同樣數量的螺旋斜面26 (詳見附圖2)加工精度誤差造成數個單面螺旋斜 面不能同步并同時直接影響到密封環14受力不均。關鍵是要保證鎖輪座8與鎖輪9模具 加工精度。由于補償力鎖定機構的作用，明顯改變了原介質推力線與介質壓力之間的不利的 線性關系，將通過0點的GO直線改為遠離0點的GFC折線，即便是在一段時間內再一次出 現過低的介質壓力，其密封補償力也不會低于CF線高度，這就保證了本球閥在任何低壓狀 態下均能實現高可靠安全密封性的根本所在。由上述所知，拉簧11在補償力鎖定機構中不直接參與球閥密封，因此，拉簧11在 工作中出現疲勞現象對球閥不構成影響。只要鎖輪9與鎖輪座8相配合中的數個單面自鎖 螺旋斜面副制造精度達到一定要求，其拉簧11只需要很小拉力就可滿足鎖定要求。在補償力鎖定中，為防止鎖輪座8、補償盤7隨鎖輪9轉動，用鍵板10、半圓頭螺釘 38將補償盤7和鎖輪座8連為一個整體(詳見附圖2、3)，由隔套6上鍵槽44和鎖輪座8 上鍵槽45受鍵板10之限制，使鎖輪座8、補償盤7始終與隔套6乃至閥體1處于相對靜止 狀態。因為在總裝后隔套6被兩邊兩個0形密封圈16、17強有力的摩擦緊緊卡在中間而不 會發生轉動。
鎖輪9和鎖輪座8上的多頭螺旋斜面在目前還無法用金屬切削工藝加工出來的情 況下，只能通過壓鑄工藝和注塑工藝來加工。這就要根據球閥介質種類、溫度、壓力等條件 來確定鎖輪9與鎖輪座8的具體應該選用何種較適應的材料來配套拉簧11 一端鉤在鍵板10的小孔內，另一端鉤在鎖輪9的鋃埋件掛鉤43上。鍵板 10上小孔41與鎖輪9上小孔42在一條直線上，兩孔是在總裝過程中專門用來將拉簧11固 定至初始工作狀態之用的裝配工藝孔。球3是一個空心不銹鋼焊接件，可通過訂單委托加工球3屬于浮動結構，在此基礎上為保證球3與其兩邊的密封環14、支撐環13、在 相互磨損后所出現的軸向間隙能僅用一套系統機構給予補償，球3應具備軸向自由漂移功 能。為此在閥桿5與球3之間設置一個十字滑塊4(詳見附圖1)。由于十字滑塊4上鍵 寬S1與附圖5中鍵寬S2相互垂直，使之既能保證傳遞來自閥桿5的扭矩，又可使球3在原 有2個自由度基礎上增加到6個自由度，為球3能獲得在閥的軸向上自由移動創造了可能。 這不僅為補償盤7能在兩環一球相互磨損后進行統一補償創造了必要條件，并大大簡化了 閥體結構、降低了幾個重要件的加工精度和裝配精度，達到降低成本的目的。閥桿5與扳手20之間用方鍵連接，并且螺栓35和大墊圈34將兩者固定在一起。球閥中各個零件材料如密封環14、隔套6、閥體1等可根據不同介質及其所處溫 度、壓力來選用。不管以上零件用什么材料，但閥桿5(主要是閥桿大頭)與十字滑塊4最 好是要用不銹鋼材料或碳鋼踱鉻。因為閥桿5每操作開關一次，十字滑塊4上的上下兩鍵 (附圖1中的S1和圖5中的S2)就與其配合的鍵槽各滑動兩次。密封環14、支撐環13可用軟密封材料，也可用金屬硬密封材料，具體視情況而定。本發明球閥補償位移量較大，新閥時球3中心應偏閥桿5軸線右邊C個距離，經磨 損后，球3中心就移至閥桿5軸線左邊C個距離。總補償量應>2C(詳見附圖1)。C的大 小主要決定于支撐環16所用材料的耐磨性能。由圖1、6所示，銅絲33裝在閥體1閥桿孔頂部槽內與閥桿5軸經之間。由于銅絲 33具有良好的彈性，銅絲33兩頭緊壓槽底，而中間緊貼閥桿5軸徑，使三者互為導電，以便 消除來自密封環14，支撐環13與球體3摩擦中所產生的高壓靜電，確保人身安全。由圖4所示，內六方螺釘39、40分別為扳手20開啟位置與關閉位置相差90°的限 位裝置。支撐環13在本閥中不起密封介質作用，只對球3起到支撐定位作用。本發明球閥中各個零部件及外購件(其中包括0形密封圈)所用材料，可根據不 同介質、不同溫度、不同壓力及環境，使之獲得最佳的組合效果。在鎖輪9與接盤2內端面37之間設有一個不銹鋼墊片12，主要考慮到當接盤2為 非抗腐材料時，球閥在數十年使用中可有助于鎖輪9轉動時減少摩擦。本發明球閥除上述一些獨特結構外，在其它結構方面均與現用球閥大致相同，這 里不再具體一一詳述。
權利要求
一種自壓自動補償球閥，由閥體(1)、接盤(2)、球(3)、十字滑塊(4)、閥桿(5)、隔套(6)、補償盤(7)、鎖輪座(8)、鎖輪(9)、拉簧(11)、密封環(14)、支撐環(13)等相關件及輔件組成，其特征是由隔套(6)、補償盤(7)及其兩者同軸內外軸徑間兩個O形密封圈(18)、(19)共同構成的補償裝置中的補償盤(7)外端面在介質壓力作用下的向左推力，將自動地、不間斷地去補償密封環(14)、支撐環(13)與球(3)相互磨損后可造成滲漏的間隙。
2.根據權利要求1所述的自壓自動補償球閥中由隔套(6)、補償盤(7)及其兩者內外 軸徑間兩個O形密封圈(18)、(19)共同構成的補償裝置，其特征有隔套(6)上設置一個排 氣孔(24)，以便使內腔(23)與大氣想通。
3.根據權利要求1所述的自壓自動補償球閥，其特征是補償裝置中的隔套(6)伙同其 兩端的兩個O形密封圈(16)、(17)被閥體⑴和接盤⑵擠壓、固定在其間從而將閥腔隔 離一分為三，即主腔(30)、中腔(21)和前腔(22)，其中主腔(30)和前腔(22)各自被獨立 密封，而中腔(21)則保持與大氣想通。
4.根據權利要求1所述的自壓自動補償球閥，其特征是在閥桿(5)與球(3)之間設置 一個十字滑塊(4)。
5.根據權利要求1所述的自壓自動補償球閥，其特征是與補償盤(7)連為一體的鎖輪 座(8)與向軸的鎖輪(9)之間設有多頭、單面、自鎖螺旋斜面副結構，通過拉簧(11)轉動鎖 輪(9)來填補因補償盤(7)補償位移后所留下的軸向間隙，從而將介質壓向球面較高的補 償力及時地給保留、儲存起來。
全文摘要
該自壓自動補償球閥，主要有閥體、接盤、隔套、補償盤、球、十字滑塊、閥桿、鎖輪座、鎖輪、拉簧、密封環等件組成。由隔套、補償盤以及兩者同軸內外軸徑間兩個O形密封圈共同構成的補償裝置利用介質自身壓力，在補償盤外端面上所產生的補償推力及其鎖定裝置將自動、不間斷地推動密封環緊壓球面對介質進行密封與補償，及時有效地消除了密封環與球面磨損后所造成的滲漏間隙，提高了球閥使用壽命。
文檔編號F16K5/20GK101985987SQ201010292968
公開日2011年3月16日 申請日期2008年12月28日 優先權日2008年12月28日
發明者胡勇坤 申請人:胡勇坤