专利名称：超高真空蝶阀及其启闭方法
技术领域：
本发明涉及一种阀门，尤指一种应用于真空技术领域，它 覆盖国防，科研，航天，电子，机械，冶金，能源，环保，生物，制冷，食品等方面；主要在超高真空系统或高真空系统中 起到接通和关闭系统中介质流的阀门作用，并且在蝶门的启闭 过程中有明显节流效果的超高真空蝶阀装置及其启闭方法。
技术背景在真空系统中，离不开阀门；所以在真空系统中，真空阀 门得到广泛的应用，尤其是超高真空阀门和高真空阀门。目前 常用的超高真空阀门有"超高真空插板阀"；常用的高真空阀门 有"高真空蝶阀"，"高真空挡板阀"等等。"超高真空插板阀"和本产品一样都可用于超高真空系统， 起到阀门的作用。它有通道直通并且无障隘，流阻小等优点； 但它有体积大，造价高，安装空间要求宽大，并且启闭过程中 不能节流，对系统冲击大，对自动化控制设备有比较大的损害 等缺点；"高真空蝶阀"与本产品一样同属蝶阀。体积小，结构简 单，成本低是"高真空蝶阀"突出的优点；但它最高只能用到 高真空条件，不能用于超高真空工况下；而且它有以下几个致 命的固有缺点(1)轴向密封件是橡胶0形圈，通过与阀杆径 向过盈配合而达到密封的效果，这样阀杆旋转时与o形圈发生严重摩擦，使寿命大大降低，并且不能形成超高真空，最高只能达到高真空，所以它被叫作"高真空蝶阀"；(2)在蝶门启闭 过程中蝶门密封圈与阀体始终发生严重的摩擦，并且有蠕动现 象，严重时密封圈还会起皱或凸起，甚至发生剪切现象，影响 密封性能，使产品寿命大大降低。(3)产品反向漏率指标低于 正反向漏率指标，因而两法兰不能互换安装。"高真空挡板阀"也是高真空阀门，它也只能用于高真空 工况下。由于常规的结构是直角型，即两个通道口法兰安装面 构成90。直角形式，所以有时侯本来可以直线布设管道的情况 却因它是直角型结构而不得不弯道而行，这样增加了工期和成 本；另外与同规格的蝶阀相比它体积较大，占用设备空间大， 包装箱也大，这样严重浪费资源。为此，人们期盼发明一种既能达到超高真空性能，又是体 积小、而且没有像"超高真空插板阀"、"高真空蝶阀"、"高真 空挡板阀" 一样之缺点的一种新型的绿色产品，填补真空行业 "超高真空蝶阀"这个空白，更好地满足目前日益发展的真空 技术要求，更广泛地应用于真空技术的各种领域。发明内容为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种 复合轨迹螺旋通孔的阀杆结构、波纹管加密封圈的动静密封相 结合的.密封结构和滚珠螺母副结构的传动类型的超高真空蝶 阀；以及改变蝶门运动方式，使蝶门密封圈先离开阀体的密封 面再让蝶门发生旋转运动，也就是叫做密封无摩擦运动。其方 法是通过分解蝶门的运动过程，由原来的单一的旋转运动分解 成"偏转运动和旋转运动"的两个运动阶段，使之既能达到超 高真空性能，又能延长使用寿命且体积精小的超高真空蝶阀。
本发明要解决的技术问题是要解决如何提升蝶阀的应用 指标，使蝶阀真空漏率指标达到超高真空指标的要求问题，要 解决如何将原来的单一的旋转运动分解成"偏转运动和旋转运 动"的两个运动阶段问题；要解决如何使体积变小，成本变低，使用寿命又长等有关技术问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该装置主要 有手轮、阀体和蝶门等部件，与阀体活动配合的阀杆与蝶门之 间为传动连接，还包括滚珠螺母副、阀体、蝶门、阀杆、波 纹管组件、密封圈和销轴，各部件依托在阀体的不同部位，相 互连接和联系，组合为一完整的超高真空蝶阀，其中一手轮与阀杆的小端通过推力轴承A和推力轴承B连接在 一起，在作轴向直线运动的阀杆上套设有与滚珠螺母副作固定 密封连接的波纹管组件，波纹管组件与阀杆作固定密封配合， 阀杆上设有复合轨迹螺旋通孔；一阀杆穿过波纹管组件，并露出一段小端圆柱体，在波纹 管组件的小端内孔与阀杆小端圆柱体之间安装有一组波纹管小 端密封圈，在波纹管组件的大端安装有波纹管大端密封圈，波 纹管组件的大端与波纹管大端密封圈一起被压紧在钢球护架的 内孔底端平面上，小端静密封和大断静密封之间通过波纹管组 件紧密的连接在一起；阀杆轴向移动时，阀杆的小端连同波纹管组件的小端一起对波纹管进行压縮或拉伸，所述小端静密封和大端静密封与波纹管动密封组合为动静密封相结合的结构；一蝶门的下端配有一个球头转轴，通过球头转轴与阀体的 一个圆孔配合连接，为球型支撑结构，蝶门的另一端是两个固 定的轴承座，在轴承座上装有向心轴承A和向心轴承B，蝶门 密封圈通过蝶门安装在阀体内；
一圆柱滚动体销轴的两端限位于蝶门上两个固定轴承座上，外侧通过向心轴承A和向心轴承B支撑在轴承座上，销轴 穿过阀杆的复合轨迹螺旋通孔，销轴的柱面与复合轨迹螺旋通 孔的两侧螺旋面始终相切，且为线性相切，销轴柱面上的母线 为相切线，形成柱面支撑结构，并与阀杆相连接。所述的超高真空蝶阀的滚珠螺母副由钢球护架和钢球、钢 球内圈和手轮组装旋合而成，圆柱体结构的钢球护架，在沿其 圆柱体的圆周上加工一周圆孔，圆孔内放置钢球，这些孔分布 在一个螺旋节距上，由钢球组成的螺旋凸节，其法平面的牙形 为钢球的半圆，钢球护架的内孔中装有钢球内圈；圆柱筒体结 构的手轮，其内孔柱面上加工成圆弧形螺旋槽，该圆弧形螺旋 槽的螺旋节距与钢球护架上由钢球组成的螺旋凸节为相互匹配 结构，其法平面的牙形也是钢球的半圆；滚珠螺母副的下端与 平键相连接，并通过滚针轴承和限位档圈与阀体相连接。所述的超高真空蝶阀的复合轨迹螺旋通孔的各段分别由关 门自锁状态、关门自锁阶段、偏转运动阶段、旋转运动阶段、 开门自锁状态和开门自锁阶段位置组成，各位置由蝶门与阀体 密封面之间产生不同夹角的轨迹线性成复合轨迹螺旋通孔的法 向截面中心线正交与阀杆的轴心线；阀杆向X正方向作直线位 移运动，销轴从相位角0°状态旋转为90°状态，带动蝶门绕 阀杆的轴心线旋转了90。，为蝶门的关门方向的旋转运动；阀 杆向X负方向作直线位移运动，为蝶门开门方向的旋转运动。 一种超高真空蝶阀的启闭方法，包括直线运动和单一的旋转 运动，该方法将滚珠螺母副结构作为传动类型，利用波纹管和 密封圈的动静密封相组合的密封结构形式，通过一个复合轨迹 螺旋通孔的阀杆结构和蝶门的密封无摩擦运动，将蝶门密封圈 先离开阀体的密封面，再让蝶门发生旋转运动，分解蝶门运动 为偏转运动加旋转运动两个主要运动阶段，当阀杆作轴向直线 运动时，销轴穿过阀杆沿着复合轨迹螺旋通孔作各种运动，从 而带动蝶门完成"关门状态的自锁"、"偏转运动"、"旋转运动" 和"开门状态的自锁"各阶段的复合动作，该方法的具体工作 步骤如下步骤1、关门自锁状态蝶门关门偏转运动的销轴终了位置就是关门自锁阶段的开 始位置，其销轴处于斜面通孔和腰形通孔的临界位置，此时， 要始终保持蝶门关门的状态不变，销轴必须置于腰形通孔中， 阀杆必须继关门偏转运动终了之后，继续往左移动，完成关门 自锁阶段之后，销轴才到达关门自锁位置，蝶门也才处于关门 自锁状态；步骤2、关门自锁阶段阀杆向左轴向位移时，销轴从关门偏转运动的销轴终了位 置到关门自锁状态的阶段； 步骤3、偏转运动阶段当销轴沿轨迹线发生偏转运动后，蝶门与阀体密封面产生 一个偏转角a，蝶门密封圈离开了阀体密封面，产生蝶门密封 圈高点偏移量Sl和蝶门密封圈低点偏移量S2，如果偏转角a 越大，蝶门密封圈高点偏移量Sl和蝶门密封圈低点偏移量S2 的值越大，反之则蝶门密封圈高点偏移量Sl和蝶门密封圈低 点偏移量S2越小；步骤4、旋转运动阶段开门偏转运动的终了状态为开门旋转运动的开始状态，此 时蝶门与阀体通道垂直，当蝶门连续地绕阀杆的轴线旋转90° 角度后，完成蝶门开启阶段发生的旋转运动；开门旋转运动的销轴终了位置为关门旋转运动阶段的开始 状态，此时蝶门与阀体通道平行，当蝶门连续地绕阀杆的轴线 旋转90°角度后，完成蝶门关闭阶段发生的旋转运动；
步骤5、开门自锁状态蝶门开门旋转运动的终了之后就开始自锁，其销轴处于螺 旋通孔的腰形通孔相交的临界位置，此时，要始终保持蝶门开 门状态不变，销轴必须置于腰形通孔中，阀杆必须继开门旋转 运动终了之后，继续往右移动，发生一段位移后，销轴到达开 门自锁位置；步骤6、开门自锁阶段阀杆向右位移时，销轴从开门旋转运动的销轴终了位置到 开门自锁状态的阶段。本发明的有益效果是该装置采用滚珠螺母副结构，其滚 动原理与滚动轴承相近，其传动原理与螺旋副相同，其优点是 摩擦阻力小，克服了普通螺纹副摩擦力大的缺点；采用小端静 密封和大端静密封与波纹管动密封组成的一种新型的组合密封 结构形式，起到了动静密封相结合的良好的密封效果；采用复 合轨迹螺旋通孔的阀杆结构，改变了蝶门运动方式，使蝶门密 封圈先离开阀体再让蝶门发生旋转运动，也就是叫做密封无磨 搽运动；分解蝶门的运动过程，由原来的单一的旋转运动分解 成"偏转运动和旋转运动"的两个运动阶段，以及通过"关门 状态的自锁"、"偏转运动"、"旋转运动"和"开门状态的自锁" 的一个复合轨迹通孔的阀杆结构作为真空阀门的启闭动作的一 种方法，实现了蝶门运动；本发明结构合理，既能达到超高真 空性能，又具有体积精小，成本低和使用寿命长的优点。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。附图1为本发明整体结构立体示意图； 附图2为本发明移去手轮后的立体示意附图3为本发明整体结构剖视图；附图4为本发明整体结构的各部件分解结构示意图； 附图5为本发明复合轨迹螺旋通孔的阀杆结构仰视图； 附图6为本发明复合轨迹螺旋通孔的阀杆结构主视图； 附图7为本发明蝶门在偏转运动阶段的原理示意图； 附图8为本发明蝶门旋转运动阶段的原理示意图； 附图9为本发明蝶门开门状态的销轴自锁位置示意图； 附图10为本发明蝶门关门状态的销轴自锁位置示意图;附图中标号说明-1—推力轴承A;30—复合轨迹螺旋通孔；2—手轮；31 —关门自锁状态；3—推力轴承B;32—关门自锁阶段；4—钢球内圈；33—偏转运动阶段；5—波纹管小端密封圈；34—旋转运动阶段；6—波纹管组件；35—开门自锁状态；7—波纹管大端密封圈；36—开门自锁阶段；8—阀杆； 40—-蝶门柱面支撑沿偏转轨迹线运动;9一钢球护架；41 —关门方向；lO-_钢球；42—轨迹线；ll—-滚针轴承；43—阀体密封面；IS--限位档圈；44一蝶门密封圈高点偏移量S1;IS—-向心轴承A;45—蝶门密封圈低点偏移量S2;14—-蝶门；46 —蝶门固定球支撑；15—-销轴；47—开门方向；16—-球头转轴；48—蝶门柱面支撑；17—-向心轴承B;51 —销轴旋转相位角为0Q;18—-蝶门密封圈52—销轴旋转相位角为45、 19一阀体； 53 —销轴旋转相位角为9()G;
20—平键； 54—销轴的轴心平面；
55—阀杆及其轴心线；
60 —开门旋转运动的销轴终了位置；
61 —开门状态的销轴自锁位置； 62—阀杆向右位移；
63 —蝶门关门状态的销轴自锁位置；
64— 关门偏转运动的销轴终了位置；
65— 阀杆向左位移；
具体实施例方式
请参阅附图1、 2、 3、 4、 5、 6、 7所示，本发明主要有手 轮、阀体和蝶门等部件，与阀体活动配合的阀杆与蝶门之间为 传动连接，其还包括滚珠螺母副、阀体19、蝶门14、阀杆8、 波纹管组件6、密封圈和销轴15，各部件依托在阀体19的不同 部位，相互连接和联系，组合为一完整的蝶阀，其中
一手轮2与阀杆8的小端通过推力轴承Al和推力轴承B3 连接在一起，在作轴向直线运动的阀杆8上套设有与滚珠螺母 副作固定密封连接的波纹管组件6，波纹管组件6与阀杆8作 固定密封配合，阀杆8上设有复合轨迹螺旋通孔30;
一阀杆8穿过波纹管组件6，并露出一段小端圆柱体，在 波纹管组件6的小端内孔与阀杆8小端圆柱体之间安装有一组 波纹管小端密封圈5，在波纹管组件6的大端安装有波纹管大 端密封圈7，波纹管组件6的大端与波纹管大端密封圈7—起被压紧在钢球护架9的内孔底端平面上，小端静密封和大 断静密封之间通过波纹管组件6紧密的连接在一起；阀杆8轴 向移动时，阀杆8的小端连同波纹管组件6的小端一起对波纹
管进行压縮或拉伸，所述小端静密封和大端静密封与波纹管动密封组合为动静密封相结合的结构；一蝶门14的下端配有一个球头转轴16，通过球头转轴16 与阀体19的一个圆孔配合连接，为球型支撑结构，蝶门14的 另一端是两个固定的轴承座，在轴承座上装有向心轴承A13和 向心轴承B17，蝶门密封圈18通过蝶门14安装在阀体19内；一圆柱滚动体销轴15的两端限位于蝶门14上两个固定轴 承座上，外侧通过向心轴承A13和向心轴承B17支撑在轴承座 上，销轴15穿过阀杆8的复合轨迹螺旋通孔30，销轴15的柱 面与复合轨迹螺旋通孔30的两侧螺旋面始终相切，且为线性相 切，销轴15柱面上的母线为相切线，形成柱面支撑结构，并与 阀杆8相连接。所述的超高真空蝶阀的滚珠螺母副由钢球护架9和钢球 10、钢球内圈4和手轮2组装旋合而成，圆柱体结构的钢球护 架9，在沿其圆柱体的圆周上加工一周圆孔，圆孔内放置钢球 IO，这些孔分布在一个螺旋节距上，由钢球10组成的螺旋凸节， 其法平面的牙形为钢球10的半圆，钢球护架9的内孔中装有钢 球内圈4;圆柱筒体结构的手轮2，其内孔柱面上加工成圆弧形 螺旋槽，该圆弧形螺旋槽的螺旋节距与钢球护架9上由钢球10组成的螺旋凸节为相互匹配结构，其法平面的牙形也是钢 球10的半圆；滚珠螺母副的下端既与平键20相连接，又与阀 体19固定连接，并通过滚针轴承11和限位档圈12与阀体19 相连接。所述的超高真空蝶阀的复合轨迹螺旋通孔30的各段分别 由关门自锁状态31、关门自锁阶段32、偏转运动阶段33、旋 转运动阶段34、开门自锁状态35和开门自锁阶段36位置组成， 各位置由蝶门14与阀体密封面43之间产生不同夹角的轨迹线 42形成复合轨迹螺旋通孔30的法向截面中心线正交与阀杆8的轴心线；阀杆8向X正方向作直线位移运动，销轴15从相 位角0°状态旋转为90°状态，带动蝶门14绕阀杆8的轴心线 旋转了 90° ，为蝶门14的关门方向的旋转运动；阀杆8向X 负方向作直线位移运动，为蝶门14开门方向的旋转运动。请参阅附图5、 6、 7、 8、 9、 10所示， 一种超高真空蝶阀 的启闭方法，包括直线运动和单一的旋转运动，该方法将滚珠 螺母副结构作为传动类型，利用波纹管和密封圈的动静密封相 组合的密封结构形式，通过一个复合轨迹螺旋通孔30的阀杆8 结构和蝶门14的密封无磨搽运动，将蝶门密封圈18先离开阀 体19，再让蝶门14发生旋转运动，分解蝶门运动为偏转运动 加旋转运动两个主要运动阶段，当阀杆8作轴向直线运动时， 销轴15穿过阀杆8沿着复合轨迹螺旋通孔30作各种运动，从 而带动蝶门14完成关门状态的自锁、偏转运动、旋转运动和开 门状态的自锁各阶段的复合动作，该方法的具体工作步骤如下步骤1、关门自锁状态31 蝶门14关门偏转运动的销轴终了位置64就是关门自锁阶 段32的开始位置，其销轴15处于斜面通孔和腰形通孔的临界 位置，此时，要始终保持蝶门14关门的状态不变，销轴15必 须置于腰形通孔中，阀杆8必须继关门偏转运动终了之后，继 续往左移动，完成关门自锁阶段32之后，销轴15才到达关门 自锁位置，即蝶门才处于关门自锁状态31;步骤2、关门自锁阶段32 阀杆8向左位移时，销轴从关门偏转运动终了状态到自关 门自锁状态31的阶段；步骤3、偏转运动阶段33 当销轴15沿轨迹线42发生偏转运动后，蝶门14与阀体 密封面43产生一个偏转角a ，蝶门密封圈18离开了阀体密封 面43，产生蝶门密封圈高点偏移量Sl 44和蝶门密封圈低点偏 移量S2 45，如果偏转角a越大，蝶门密封圈高点偏移量Sl 44 和蝶门密封圈低点偏移量S2 45的值越大，反之则蝶门密封圈 高点偏移量Sl 44和蝶门密封圈低点偏移量S2 45越小；其目 的是使蝶门在偏转阶段其蝶门密封圈18偏离阀体密封面43， 不与阀体发生接触，从而不造成蝶门密封圈18的磨损。 步骤4、旋转运动阶段34 开门偏转运动的销轴终了位置64为开门旋转运动的开始 位置，此时蝶门14与阀体19通道垂直，当蝶门14连续地绕阀 杆8的轴线旋转90°角度后，完成蝶门14开启阶段发生的旋 转运动；开门旋转运动的销轴终了位置60为关门旋转运动阶段34 的开始位置，此时蝶门14与阀体19通道平行，当蝶门14连续 地绕阀杆8的轴线旋转90°角度后，完成蝶门14关闭阶段发 生的旋转运动；步骤5、开门自锁状态35 蝶门14开门旋转运动的终了之后就开始自锁，其销轴15 处于螺旋通孔的腰形通孔相交的临界位置，此时，要始终保持 蝶门14开门状态不变，销轴15必须置于腰形通孔中，阀杆8 必须继开门旋转运动终了之后，继续往右移动，发生一段位移 后，销轴15到达开门自锁位置； 步骤6、开门自锁阶段36 阀杆8向右位移时，销轴15从开门旋转运动终了位置60 到自开门自锁状态35的阶段。本发明的结构传动及其工作原理 1."滚珠螺母副"结构钢球护架9是一个圆柱筒体结构，沿其圆柱体的圆周上加 工一周圆孔，用于放置钢球IO，这些孔是分布在一个螺旋节距 上，钢球IO装入这些孔中后便形成一个由钢球IO组成的螺旋 凸节，其法平面的牙形是钢球10的半圆。钢球护架9的内孔中 装有钢球内圈4。手轮2也是一个圆柱筒体结称，其内孔柱面上加工成圆弧 形螺旋槽，其圆弧形螺旋槽的螺旋节距与钢球护架9上的由钢 球10组成的螺旋凸节一致，其法平面的牙形是钢球10的半圆， 精度要求按轴承精度等级制作。这样由钢球护架9和钢球10，钢球内圈4，手轮2组装旋 合后，便形成了一个"滚珠螺母副"结构，其滚动原理与滚动 轴承相近，其传动原理与螺旋副相同。其优点是摩擦阻力小， 克服了普通螺纹副摩擦力大的缺点。旋转手轮2，则手轮2相对钢球护架9发生旋转运动和轴 向直线运动，完全达到螺旋副的功能。2."波纹管(动密封)+密封圈(静密封)"的动静密封相 组合的密封结构"波纹管(动密封)+密封圈(静密封)"的动静密封相组 合的密封结构的作用是起轴向动密封和静密封。由图4中可见，阔杆8穿过了波纹管组件6的内孔，并露 出一段小端圆柱体；在波纹管组件6的小端内孔与阀杆8小端 圆柱体之间装有一组波纹管小端密封圈5，其目的是对阀杆8 的小端进行密封-一称小端静密封。在波纹管组件6的大端装有 波纹管大端密封圈7，波纹管组件6的大端与波纹管大端密封 圈7—起被压紧在钢球护架9的内孔底端平面上，其目的是对 阀杆8的大端进行密封-一称大端静密封。小端静密封和大端静 密封之间通过波纹管组件6紧密地连接在一起成为了一体，当 阀杆8发生轴向移动时，阀杆8的小端连同波纹管组件6的小 端一起对波纹管进行压迫或拉伸动作。波纹管便受拉伸或压縮 后但其密封效果仍然保持良好，起到动密封作用。这种小端静 密封和大端静密封与波纹管动密封组成的一种新型的组合密封
结构形式，起到了动静密封相结合的良好的密封效果。3. "关门状态的自锁"+ "偏转运动"+ "旋转运动"+ "开 门状态的自锁"的一个复合轨迹通孔的阀杆结构，详见图5、 6 所示；销轴15穿过阀杆8的复合轨迹螺旋通孔30(见图5、6)， 其两端支撑在蝶门14的两个固定的轴承座上(见图4)。当阀 杆8作轴向直线运动时，销轴15就沿着轨迹通孔作图5、 6中 的各种运动。从而带动蝶门14完成"关门状态的自锁"+ "偏 转运动"+ "旋转运动"+ "开门状态的自锁"几个阶段的动作。4. 阀体和蝶门阀体19是本产品的基础件，所有构件都依托在它的不同 部位，相互连接和联系，组成完整的功能体系。两个大平面和 螺孔是本产品在使用时的安装面和螺钉孔。蝶门M是本产品的执行件，它的下端配有一个球头转轴 16，通过球头转轴16与阀体19的一个圆孔配合连接，形成球 型支撑。蝶门14的另一端是两个固定轴承座，销轴15的两端 就支撑在这两个固定轴承座上，并且销轴15穿过阀杆8的复合 轨迹螺旋通孔，形成柱面支撑，与阀杆8也进行了一种连接。 当阀杆8作直线运动时带动销轴15作复合轨迹运动，从而将运 动传给蝶门14，使蝶门14完成开门和关门的复合动作。 5.阀门的工作原理手轮2将阀杆8的小端通过两个推力轴承Al和推力轴承 B3连接在一起，阀杆8受平键20的限制，只能作直线运动。每当旋转手轮2时，手轮2将旋转运动转为直线运动传给 阀杆8，阀杆8作直线运动时又将直线运动转换为销轴15的复 杂的复合轨迹运动。蝶门依靠球头转轴16的球型支撑和销轴 15的柱面支撑，在阀体的内孔中接受销轴15的带动，完成"关 门状态的自锁"+ "偏转运动"+"旋转运动"+ "开门状态的自
锁"几个阶段的动作。最终来实现本产品的阀门功能。 本发明实现蝶门"偏转运动+旋转运动"的原理和结构1.请参见附图7所示，为蝶门偏转运动原理图，将单一 的旋转运动分解成"偏转运动和旋转运动"的两个运动阶段问 题；(1)."偏转运动"是蝶门开启和关闭运动阶段发生的运 动，这个阶段蝶门还与通道垂直，但不是正交而是有偏角(由 "偏转运动"产生的偏角)；设计"偏转运动"的目的是为"旋 转运动"作先行准备，即在"旋转运动"之前使蝶门产生一定 的偏转角，让蝶门上的密封圈完全离开阀体密封面而使它们不 发生接触。(2)."旋转运动"是蝶门旋转运动阶段发生的运动，这个 阶段蝶门由与通道垂直状态("偏转运动"终了状态)连续地绕 阀杆轴线旋转90°角度变成与通道基本平行状态。设计"旋转 运动"的目的是让蝶阀在打开状态通过介质的有效截面积最大。 2.蝶门偏转运动原理叙述请参见附图7所示，阀体密封面43和蝶门14都可分别视 为一条直线段，当关门时这两条直线重合；当蝶门柱面支撑48 沿轨迹线42发生偏转运动后，蝶门14与阀体密封面43产生了 一个夹角(偏转角a)，这样阀体密封面43和蝶门14以及轨迹 线42便形成了一个三角形图形，该三角形的顶点视为蝶门固定 球支撑46，蝶门柱面支撑沿轨迹线运动40包括关门方向41和 开门方向47。由图7可见，蝶门密封圈18离开了阀体密封面 43，并产生了一个高点偏移量Sl和一个低点偏移量S2;如果 偏转角a越大，Sl和S2的值越大。只要S2值大于蝶门密封圈 在密封时的压变量S就可视为蝶门密封圈离开了阀体密封面。 如果偏转角a越大，蝶门密封圈高点偏移量S1 44和蝶门密封 圈低点偏移量S2 45的值越大，反之则蝶门密封圈高点偏移量SI 44和蝶门密封圈低点偏移量S2 45越小；当偏转角a =0时， 阀门可视为被关闭。3. 蝶门旋转运动原理叙述 请参见附图8所示，为蝶门旋转运动原理图； 销轴可视为一个圆柱滚动体，并且两端被限位于蝶门14上的两个固定轴承座上，那么它就只能作以下两种运动a. — 个是绕自己轴心线作旋转运动_一自转，b.另一个是在图8中 的Y轴垂直于纸张的坐标面内绕阀杆的轴心线作旋转运动-一 公转。如图8所示，阀杆8—端有一个螺旋通孔，并且螺旋通孔 的法向截面中心线始终正交于阔杆8的轴心线，作为圆柱滚动 体的销轴15穿过这个螺旋通孔时，销轴的柱面与螺旋通孔的两 侧螺旋面始终相切，并且是线性相切，即销轴柱面上的母线为 相切线。如果阀杆8按图8向X正方向只作直线位移运动，那么销 轴15必能作上面所叙的两个旋转运动(自转和公转)，由图8 可看出，销轴15从相位角为0°状态，最终变成相位角为90° 的状态，即依次经由"销轴旋转相位角为0°" 51、"销轴旋转相 位角为45°" 52至"销轴旋转相位角为90° " 53，为此销轴15 就绕阀杆轴心线在Y轴垂直于纸张的坐标面内旋转了 90°,也 就是使蝶门14绕阀杆及其轴心线55旋转了 90°,阀杆及其轴 心线55的上方为销轴的轴心平面54，整个过程完成了蝶门的 关门方向的旋转运动过程。如果阀杆按上图8向X负方向只作 直线位移运动，那么就完成了蝶门的开门方向的旋转运动过程。4. 蝶门关门状态的自锁和蝶门开门状态的自锁 请参见附图9、 IO所示，蝶门完成"偏转运动"和"旋转运动"之后，为了保持蝶门运动终了状态的持久可靠性，还必
须设计蝶门关门状态的自锁和蝶门开门状态的自锁这两种结 构。"关门自锁"禾Q "开门自锁"也有各自的运动过程，到了 各自的终了位置则就自锁， 一旦离开这个位置作反向运动后就 开始了解锁过程。在"偏转运动"和"旋转运动"的两端分别继续构建各一 个腰形通孔，如图9和图10所示，在图9中，蝶门开门旋转运动终了状态其销轴还处于螺旋 通孔和腰形通孔相交的临界位置，为了始终可靠地保持蝶门开 门的状态不变，必须使销轴置于腰形通孔中，如图9中，从开 门旋转运动的销轴终了位置60，至开门状态的销轴自锁位置 61，为了达到这个目的，阀杆8必须继开门旋转运动终了之后 继续往右移动，即阀杆向右位移62，发生一段位移后就可以使 销轴到达这个"开门自锁"位置。在图10中，蝶门14偏转运动终了状态其销轴还处于斜面通孔和腰形通孔的临界位置，为了始终可靠地保持蝶门关门的 状态不变，必须使销轴置于腰形通孔中，如图10中，从蝶门关 门状态的销轴自锁位置63，至关门偏转运动的销轴终了位置 64，为了达到这个目的，阀杆8必须继关门偏转运动终了之后 继续往左移动，即阀杆向左位移65，发生一段位移后就可以使 销轴到达这个"关门自锁"位置。本发明产品的主要组成结构包括以手轮作外观的"滚 珠螺母副"结构；以"波纹管+密封圈"的动静密封相组合的密 封结构；设有"关门状态的自锁"+ "偏转运动"+ "旋转运动" +"开门状态的自锁"的一个复合轨迹通孔的阀杆结构；作为基 础件的阀体和作为执行件的蝶门等。本发明的特征如下本产品的发明专利公开了一种可运用于超高真空系统的蝶
阀，并且公开这种超高真空蝶阀的蝶门启闭的一种新方法。产 品的发明专利有以下四个方面的特征.这种超高真空蝶阀，主要有手轮2、阀体19，阀杆8和蝶 门14和各种密封件组成。由手轮2，钢球护架9，钢球10以及 钢球内圈4构成的滚珠螺母副结构通过阀杆8与蝶门14之间成 为一种"旋转运动一直线运动，直线运动一偏转+旋转运动"的 新型传动连接链。蝶门14的下端配有一个球头转轴16，通过 球头转轴16与阀体19的一个圆孔配合连接，称为球型支撑结 构；蝶门14的另一端是两个固定的轴承座，蝶门14通过向心 轴承A13，向心轴承B17，销轴15和球头转轴16连接在一起， 并安装在阀体19的通道内。销轴15的两端限位于蝶门14上两个固定轴承座上，外侧 通过向心轴承A13，向心轴承B17支撑在轴承座上。销轴15穿 过阀杆8的复合轨迹螺旋通孔30，销轴15的柱面与复合轨迹 螺旋通孔30的两侧螺旋面始终相切，且为线性相切，销轴15 柱面上的母线为相切线，形成柱面支撑结构，并与阀杆8构成 连接。上面所述的滚珠螺母副、阀体19、蝶门14阀杆8、波纹管 组件6、波纹管小端密封圈5，波纹管大端密封圈7和销轴15 等主要零部件都依托在阀体19的不同部位，并且相应连接和联 系，构成一个完整的蝶阀产品。超高真空蝶阀的特征之一在于滚珠螺母副是以钢球作为 螺旋滚动体，实现了螺纹传动的原理，达到了减少摩擦力的目 的。超高真空蝶阀的特征之二在于小端静密封和大端静密封 与波纹管动密封相组合后构成一种动静密封相结合的复合结 构，达到了阀杆轴向运动时的动静密封的目的，形成了一种动 静密封相结合的新方法。 超高真空蝶阀的特征之三在于在阀杆8上加工了一个复合轨迹螺旋通孔30结构，通过阀杆8的轴向直线运动来带动销 轴15做复合轨迹运动，从而带动蝶门14完成偏转和旋转运动， 实现阀门开启和关闭的目的。实现蝶门在启闭过程中作"关门状态的自锁"+ "偏转运动" + "旋转运动"+ "开门状态的自锁"的复合轨迹运动的新方法超高真空蝶阀的特征之四在于实现蝶门在启闭过程中作"关门状态的自锁"+ "偏转运动"+ "旋转运动"+ "开门状态的自锁"的复合轨迹运动的新方法；阀杆8上加工出了复合轨 迹螺旋通孔结构，使得蝶门14的启闭运动过程分解成了 "偏转 运动"+"旋转运动"两个主要运动阶段。当蝶门14开启时蝶 门14先作"偏转运动"，使蝶门14的蝶门密封圈18首先离开 阀体19的密封面43，再让蝶门14发生开门旋转运动；当蝶门 14作关闭旋转运动终了后，蝶门14的蝶门密封圈18是偏转地 靠近阀体19的密封面43，从而最终将阀门关闭。由此可见， 蝶门14的蝶门密封圈18在旋转过程中是不会和阀体19的阀体 密封面43发生摩擦的，实现了蝶门14的蝶门密封圈18零磨损 的目的，也提高了阀门的使用寿命。
权利要求
1. 一种超高真空蝶阀，该装置主要有手轮、阀体和蝶门，与阀体活动配合的阀杆与蝶门之间为传动连接，其特征在于还包括滚珠螺母副、阀体(19)、蝶门(14)阀杆(8)、波纹管组件(6)、密封圈和销轴(15)，各部件依托在阀体(19)的不同部位，相互连接和联系，组合为一完整的超高真空蝶阀，其中一手轮(2)与阀杆(8)的小端通过推力轴承A(1)和推力轴承B(3)连接在一起，在作轴向直线运动的阀杆(8)上套设有与滚珠螺母副作固定密封连接的波纹管组件(6)，波纹管组件(6)与阀杆(8)作固定密封配合，阀杆(8)上设有复合轨迹螺旋通孔(30)；一阀杆(8)穿过波纹管组件(6)，并露出一段小端圆柱体，在波纹管组件(6)的小端内孔与阀杆(8)小端圆柱体之间安装有一组波纹管小端密封圈(5)，在波纹管组件(6)的大端安装有波纹管大端密封圈(7)，波纹管组件(6)的大端与波纹管大端密封圈(7)一起被压紧在钢球护架(9)的内孔底端平面上，小端静密封和大断静密封之间通过波纹管组件(6)紧密的连接在一起；阀杆(8)轴向移动时，阀杆(8)的小端连同波纹管组件(6)的小端一起对波纹管进行压缩或拉伸，所述小端静密封和大端静密封与波纹管动密封组合为动静密封相结合的结构；一蝶门(14)的下端配有一个球头转轴(16)，通过球头转轴(16)与阀体(19)的一个圆孔配合连接，为球型支撑结构，蝶门(14)的另一端是两个固定的轴承座，在轴承座上装有向心轴承A(13)和向心轴承B(17)，蝶门密封圈(18)通过蝶门(14)安装在阀体(19)内；一圆柱滚动体销轴(15)的两端限位于蝶门(14)上两个固定轴承座上，外侧通过向心轴承A(13)和向心轴承B(17)支撑在轴承座上，销轴(15)穿过阀杆(8)的复合轨迹螺旋通孔(30)，销轴(15)的柱面与复合轨迹螺旋通孔(30)的两侧螺旋面始终相切，且为线性相切，销轴(15)柱面上的母线为相切线，形成柱面支撑结构，并与阀杆(8)相连接。
2.根据权利要求l所述的超高真空蝶阀，其特征在于所述 的滚珠螺母副由钢球护架(9)和钢球(10)、钢球内圈(4)和 手轮(2)组装旋合而成，圆柱体结构的钢球护架(9)，在沿其 圆柱体的圆周上加工一周圆孔，圆孔内放置钢球(IO),这些孔 分布在一个螺旋节距上，由钢球(10)组成的螺旋凸节，其法 平面的牙形为钢球(10)的半圆，钢球护架(9)的内孔中装有 钢球内圈(4);圆柱筒体结构的手轮(2)，其内孔柱面上加工 成圆弧形螺旋槽，该圆弧形螺旋槽的螺旋节距与钢球护架(9) 上由钢球(10)组成的螺旋凸节为相互匹配结构，其法平面的 牙形也是钢球(10)的半圆；滚珠螺母副的下端与平键(20)相连接，并通过滚针轴承(11)和限位档圈(12)与阀体(19) 相连接。
3. 根据权利要求1所述的超高真空蝶阀，其特征在于所述的复合轨迹螺旋通孔(30)的各段分别由关门自锁状态(31)、 关门自锁阶段(32)、偏转运动阶段(33)、旋转运动阶段(34)、 开门自锁状态(35)和开门自锁阶段(36)位置组成，各位置 由蝶门(14)与阀体密封面(43)之间产生不同夹角形成轨迹 线(42)，复合轨迹螺旋通孔(30)的法向截面中心线始终正交 于阀杆(8)的轴心线；阀杆(8)向X正方向作直线位移运动， 销轴(15)从相位角0°状态旋转为90°状态，带动蝶门(14) 绕阀杆(8)的轴心线旋转了 90° ，为蝶门(14)的关门方向 的旋转运动；阀杆(8)向X负方向作直线位移运动，为蝶门(14) 开门方向的旋转运动。
4. 一种超高真空蝶阀的启闭方法，包括直线运动和单一的 旋转运动，其特征在于该方法将滚珠螺母副结构作为传动类 型，利用波纹管和密封圈的动静密封相组合的密封结构形式， 通过一个复合轨迹螺旋通孔(30)的阀杆(8)结构和蝶门(14) 的密封无磨搽运动，将蝶门密封圈(18)先离开阀体(19)，再 让蝶门(14)发生旋转运动，分解蝶门运动为偏转运动加旋转 运动两个主要运动阶段。当阀杆(8)作轴向直线运动时，销轴(15)穿过阀杆(8)沿着复合轨迹螺旋通孔(30)作各种运 动，从而带动蝶门(14)完成关门状态的自锁、偏转运动、旋 转运动和开门状态的自锁各阶段的复合动作，该方法的具体工作步骤如下步骤1、关门自锁状态(31)蝶门(14)关门偏转运动的销轴终了位置(64)就是关门 自锁阶段(32)的开始位置，其销轴(15)处于斜面通孔和腰 形通孔的临界位置，此时，要始终保持蝶门(14)关门的状态 不变，销轴(15)必须置于腰形通孔中，阀杆(8)必须继关门 偏转运动终了之后，继续往左移动，完成关门自锁阶段(32) 之后，销轴(15)才到达关门自锁位置(64)，蝶门也才处于关 门自锁状态(31); ' 步骤2、关门自锁阶段(32)阀杆(8)向左轴向位移时，销轴(15)从关门偏转运动 的销轴终了位置(64)到关门自锁状态(31)的阶段； 步骤3、偏转运动阶段(33)当销轴(15)沿轨迹线(42)发生偏转运动后，蝶门(14) 与阀体密封面(43)产生一个偏转角a，蝶门密封圈(18)离 开了阀体密封面(43)，产生蝶门密封圈高点偏移量Sl (44) 和蝶门密封圈低点偏移量S2 (45)，如果偏转角a越大，蝶门 密封圈高点偏移量S1 (44)和蝶门密封圈低点偏移量S2 (45) 的值越大，反之则蝶门密封圈高点偏移量Sl (44)和蝶门密封 圈低点偏移量S2 (45)越小； 步骤4、旋转运动阶段(34)开门偏转运动的终了状态为开门旋转运动的开始状态，此 时蝶门(14)与阀体(19)通道垂直，当蝶门(14)连续地绕 阀杆(8)的轴线旋转90°角度后，完成蝶门(14)开启阶段 发生的旋转运动；开门旋转运动的销轴终了位置(60)为关门旋转运动阶段 (34)的开始状态，此时蝶门(14)与阀体(19)通道平行， 当蝶门(14)连续地绕阀杆(8)的轴线旋转90°角度后，完 成蝶门(14)关闭阶段发生的旋转运动； 步骤5、开门自锁状态(35) 蝶门(14)开门旋转运动的终了之后就开始自锁，其销轴 (15)处于螺旋通孔的腰形通孔相交的临界位置，此时，要始 终保持蝶门(14)开门状态不变，销轴(15)必须置于腰形通 孔中，阀杆(8)必须继开门旋转运动终了之后，继续往右移动， 发生一段位移后，销轴(15)到达开门自锁位置； 步骤6、开门自锁阶段(36) 阀杆(8)向右位移时，销轴(15)从开门旋转运动的销 轴终了位置(60)到开门自锁状态(35)的阶段。
全文摘要
一种涉及阀门的装置及其蝶门开启的方法，尤指一种应用于真空技术领域，覆盖国防，航天，电子，机械，食品，冶金等方面；蝶门的启闭过程中有明显节流效果的超高真空蝶阀及其蝶门开启的方法。该装置包括滚珠螺母副、阀体、蝶门、阀杆和销轴等，组合为一完整的蝶阀，该蝶门开启的方法通过“关门状态的自锁”、“偏转运动”、“旋转运动”和“开门状态的自锁”的复合轨迹通孔的阀杆结构实现；主要解决如何提升蝶阀的应用指标，使蝶阀真空漏率指标达到超高真空指标等技术问题。本发明的积极效果该装置的结构合理，既能达到超高真空性能，又具有体积精小，成本低和使用寿命长的优点。
文档编号F16K1/22GK101392838SQ200710046110
公开日2009年3月25日 申请日期2007年9月19日 优先权日2007年9月19日
发明者章东林 申请人:上海真空阀门制造有限公司