流体力平衡锥面直角阀门的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明用于流体管道输送和流体压力传动中，它属于流体管道输送和流体压力传 动中的元件领域。
【背景技术】
[0002] 目前在流体管道输送中所用的阀门主要有闸阀、蝶阀、球阀三种，从压力划分，有 高压阀门和低压阀门之分，这三种阀门在工作中其阀芯、阀芯转杆均受流体压力作用，由于 对这种力分析与认识不足，从而导至阀门从设计上缺少理论依据，工艺上我们还缺少精尖 的设备及操作人员、加工工艺、检测手段，在阀芯、阀芯转杆、密封的材料上我们同国外企业 还有欠缺，目前我国企业生产的阀门，除在低压阀门基本达到了国内用户与国外不发达地 区用户能接受水平，但使用一段时间，内漏、外漏普遍存在，在高压阀门国内外用户均不愿 选国产，具资料显示我国2013年进口阀门200多亿元，高压阀门质量不过关，主要反映在阀 的内漏和外漏、阀体震动三个方面，这说明我国在阀门制造业赶超世界先进水平还要走一 段路程。
[0003] 目前在使用中的蝶阀、闸阀较普遍存在阀体震动问题，一般是流体压力越大震动 越剧烈，震动使密封损伤，从而产生内漏、外漏，也可损伤阀体或转杆螺纹连接，震动的存在 说明我们在阀的结构设计、加工精度、配合精度等方面，一定有不足之处，物体的震动一定 有力的存在，下面以闸阀为例进行力的分析，阀在工作中，流体压力除作用泵体外，还作用 于闸板与转杆上，闸阀在关闭状态，闸板出口端的压力一般为大气压，若闸板与转杆固定连 接，闸板圆周面上因失去力平衡，流体压力将给闸板一个向上的力，方向指向转杆轴线的 力，若闸板与转杆螺纹连接，流体压力作用连杆端面上，将带动闸板产生向上力，力的大小 取决于流体压力与转杆密封的截面面积乘积，同时闸板进口端受到流体压力，力的大小取 决于流体压力与闸板面积乘积，在实际生产中，阀闭合后，流体进口端的压力与上游泵的压 力、流量以及上游各用户所用流量而时刻变化的，在这时刻变化并不断同时作用闸板与转 杆上，并从闸板转杆传至密封、泵体、转杆螺纹连接处，这种变化的力是阀体产生震动的根 源，若转杆螺纹连接加工精度、配合精度不足够高，变化力将破坏螺距间的间隙，从而增大 间隙导致不断增大力的冲击，加速损坏螺纹连接、增大阀体震动、转杆密封加速损坏的后 果，当闸板在开、关的过程中，闸板密封面将承受较大变化压力作用，很难做到不拉毛、拉伤 密封表面，闸板完全打开闸板两端面力平衡，但变化的力始终作用阀转杆上，由于闸阀的结 构决定这种力是必须存在的，且无法使它们平衡，为了降低力的损害，提高阀的使用寿命， 国内外企业主要是从转杆螺纹连接与闸板密封面两处展开竞争。
[0004] 蝶阀中的蝶板与转杆受力状态与闸阀类似，蝶阀另一个不足是碟板在阀打开时， 碟板的存在减小流体通过断面，球阀的不足是：在阀关闭状态，进口端流体压力作用球阀芯 上，将球阀芯推向出口端，使进口端球阀阀芯与阀座密封间隙增大，导致流体作用面加大， 推力增大，且流体中的微小颗粒易进入间隙，转动时拉伤密封表面，产生内漏，当流体压力 大，阀口径大，需很大力矩，有时很难打开。
【发明内容】
[0005] 阀芯在流体中要受到来自流体各方向力的作用，要想设计出一种不受流体作用的 阀芯是不可能的，本人的设计思想是：设计一种流体作用阀芯的力均平衡，目的是：消除阀 的震动根源，提高阀的使用性能和寿命，具体内容：阀芯为一圆台体，圆台体的上部设与之 一体转轴，其轴线与圆台体轴线重合，以圆台体的中位线为轴线设一水平孔，其孔直径与外 管道一致，孔的上、下端至阀芯上、下端面有距离相等高度，在圆台体上，形成上、下两个圆 台密封环，在阀芯小端面设有一个与阀芯同轴线且与水平孔同径完全贯通孔，作为流体通 道，阀芯座落在阀体的锥台孔内，阀芯与阀体锥孔的配合应满足：无论阀芯转至何处，阀芯 表面任何一点与锥孔表面对应点，其间隙为零。在阀体上设一孔，其孔轴线与阀芯水平孔在 一平面且同径，当阀芯转至水平孔轴线与其孔轴线重合，二孔充分贯通，此孔为流体出口， 阀芯大端面设一上端盖且与阀体用螺栓连接，并压缩弹簧，经轴承将力作用阀芯上，使阀芯 圆台与阀体锥孔紧密配合，上端盖在与转轴和阀体配合处分别设有密封，且上端盖下部与 阀芯大端面留有空间，在阀芯的小端面设有下端盖与阀体螺栓连接，并在与阀体配合处设 密封，端盖中部设一与阀芯轴线同轴透孔，直径同阀芯孔，此孔为流体进口，下端盖的上端 与阀芯小端面留有空间。
[0006] 为了保障流体作用阀芯的力平衡，采取以下两个技术措施；1、轴向力：在阀芯水 平孔上端，以阀芯轴线为轴设一孔，孔的上端设一水平透转轴两侧孔，将其于阀芯大端面上 部空间连通，此时流体作用阀芯向下的有效面积为
式中D为阀芯大端面直 径，i>s为转轴直径，流体作用阀芯向i的有效面积戈
，式中!为阀芯小端面的直
径，还有(近似值)，式中d为阀芯水平孔直径，^为阀芯水平孔上端处阀芯的直 径，％为阀芯水平孔下端处阀芯直径，若想阀芯轴向力平衡，设计时必须满足
。2、径向力：因阀芯各孔均对称设置，故力均平衡，只有当阀关闭时， 阀的出口端仍有流体压力作用在阀芯上，一个是径向力、一个是向上的力矩，且这两种力随 出口泄压过程时刻变化，为了消除阀芯这一力的不平衡，将阀体出口的孔沿孔轴线在阀体 另一侧设一不透且同径容腔，并在阀体上用孔将容腔与阀体出口连接，从而保障了阀芯每 时每刻径向力平衡。
[0007] 阀芯尺寸的确定：首先在一平面内作一水平孔，其直径与外接管同直径为d，在管 道中部，在平面内做水平孔垂线，此线做为阀芯轴线，在水平孔的上、下两端向上、向下用等 距离a，在一个平面内分别作平行水平孔端线的平行线，上线为阀芯大端面的边线，下线为 阀芯小端面的边线，这时阀芯的高H=d+2a，在阀芯轴线与管道轴线交点为圆心，确定阀芯水 平孔轴线处的直径，此直径必须满足当阀完全关闭时，出口的两侧边线到阀芯水平孔边线 有一密封弧长，此直径为爲（绘图与计算均可，此略)，在直径爲两端点分别在一个平面内 作垂线，并以两端点为转点，在平面内4上部两直线向外转同一角
即为阀芯锥角，此 时阀芯上、下端面线与这两条斜线组成阀芯剖面图，且=
式中D为 阀芯大端面直径、巧为阀芯小端面的直径，b是垂线的转动在直径私基础上半径增加或减 小量，此时应该满足：
的条件，式中U3为转轴密封处直径， 是人为设定的，从式中可得出b值，从而确定D、4、0角，若0角过大或过小，可重新设定 1?,并达到合适为止，重新确定D、！^及0角，为了使流体对阀芯轴向力的平衡，必须考虑 由于阀芯水平孔两端处在锥面上，流体必产生一个向上的作用面积