专利名称：旋转楔式阀门密封结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用旋转方式进行开关的通用阀门密封结构，尤其是适用于硬密封、中小型 通用阀门结构的设计。
背景技术：
阀门的密封性能和密封可靠性是阀门的设计与制造中最大难点，通常活动件的运动空间 越大，密封实现起来就越困难。阀门密封分为外密封与内密封，在同等材料和压紧力的情况 下，外密封与阀门操作杆的运动形式有关，闸阀、截止阀的操作杆密封为轴向滑动密封，运 动空间较大，外密封实现起来就较困难，可靠性也较差。蝶阀、球阀、旋塞阀的操作杆密封 为轴转动密封，运动空间较小、阀体外形更紧凑、外密封实现起来较容易、可靠性也较好。 因此用旋转方式进行开关的阀门应用的更广泛。但总的说来，由于操作杆的径向尺寸较小， 外密封还是较容易解决，而内密封由于通径较大，同时为了尽可能的减小阀门开启后的阀 阻，活动件的运动空间比操作杆的运动空间大的多，解决起来也要困难得多。下面的讨论仅 针对内密封，因此以下的密封一词就是仅指内密封。
要实现阀门良好密封需要解决三个方面的问题， 一是使动密封面与静密封面良好贴合； 二是使动密封面对静密封面施加足够的、均匀的压力，达到一定的密封比压；三是密封面磨 损的自动补偿。
对于第一点就是要用足够高的加工精度保证动密封面与静密封面的形状一致，并达到足 够高的定位精度，即每次关闭时动密封面与静密封面的相对位置基本不变。 对于第二点可以采用的手段有两大类
1、 在静密封面或动密封面上加弹性材料(通常是静密封面由弹性材料制成，例如普通 球阀、弹性球阀和普通蝶阀等)，使用这种方法无法实现第三点，即密封面磨损的自动补 偿，因此对弹性材料的耐磨性和耐刮削性有很高的要求；
2、 当关闭时，使动密封面的运动在静密封面的法线方向有增量(例如截止阀、浮动球 阀、楔式闸阀、三偏心蝶阀等)，这样就可以对静密封面施加压力，并可以实现密封面磨损 的自动补偿。下面的讨论就集中在第2类手段。
由于截止阀、楔式闸阀的动密封面是直线运动的，(浮动球阀在接近密封时也可以直线 运动)，因此使动密封面的运动在静密封面的法线方向有增量容易实现。通常此增量与动密
封面的运动量相比很小，这样就可以用较小的操作力在密封面上产生较大的密封比压，此方 法通常称为楔入，为下面的叙述方便，将此方法定义为进入密封状态的过程为"渐近"， 脱离密封状态的过程为"渐离"。
为清楚描述起见，先建立如下坐标系原点在阀门的几何中心。流体穿过静密封面的方 向为Y轴，如果操作杆垂直于Y轴(例如球阀、楔式闸阀)，操作杆的中心为X轴，与XY面垂 直的方向为Z轴；如果操作杆与流体穿过静密封面的方向一致(例如截止阀)，与Y轴垂直的
为xz面。
楔式闸阀的动、静密封面都是由XY面上的两段直线y二士ax+b沿Z轴直线拉伸而成。由 ±。
于&_其中a为一个较小的常数，通常为a二0.01 0. 15。因此，当动密封面向关闭方 向运动时，动密封面X轴方向的运动将使动密封面上的直线y二士ax+b向静密封面上的直线 y0=±aX0+b"平行渐近"，相应的动密封面也就向静密封面平行渐近。当材料均匀、两个 平面平整、动密封件足够坚固(不会变形)时，这种平行渐近将使动密封面向静密封面施加 均匀的压力。
上述由两段关于X轴对称的直线y二士ax+b形成的楔式闸阀可称为双面楔，另外也可用 y二ax+b和与X轴平行的直线y^a两条直线形成动、静密封面，可称为单面楔。由于双面楔对 于对称性的要求较高，加工起来较复杂。而单面楔有一个面是与操作杆中心线平行的平面， 容易实现高精度的加工，但其缺点是当动密封面向关闭方向运动时，在动密封面向静密封面 施压时，操作杆也将受压或产生中心线沿Y轴平移，这可能将对外密封产生影响。
目前在操作杆与活动密封件刚性连接并用旋转方式进行开关的阀门中，只有三偏心蝶阀 使用了渐近的手段，但并不是平行渐近的，因此三偏心蝶阀的动密封面向静密封面施压也是 不均匀的，其密封面磨损的自动补偿也不均匀，造成其靠近X轴的部分容易出现泄漏。由于 旋转类阀门具有其他各种优点，如果能实现将动密封件的转动使动密封面向静密封面平行渐 近，将会进一步提高旋转类阀门的密封性能，并简化阀门结构、縮小体积。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在用旋转方式进行开关的阀门中，用较小的扭矩就可使动 密封面向静密封面施加足够的、均匀的压力的旋转楔式阀门密封结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是旋转楔式阀门密封结构，包括阀体和设置 在阀体的流道上的密封腔内并可相对于阀体旋转的活动密封件，设置在阀体的流道上的静密 封面与设置在活动密封件上的动密封面构成密封副，其特征是操作杆与活动密封件刚性连 接，当活动密封件向关闭方向转动时，密封副上的动密封面相对于静密封面以平行渐近的方 式运动。
本发明的有益效果是该阀门结合了球阀、蝶阀的特点，让活动阀体旋转运动，由于采 用了动密封面向静密封面平行渐近的技术方案，动密封面只有在与静密封面贴合后才会有少 量的滑动，属于准无损密封结构，结构简单、紧凑、内密封性能可达到高级别，外密封容易 解决。此密封结构既可用于硬密封也可用于软密封，密封可靠性高。且可以用较小的开关力 矩提供足够的、均匀的压力，达到所需要的密封比压。由于结构简单、紧凑，生产加工容 易，成本低。可广泛地用于要求密封性能高、介质双向流动、中小型流量、耐高温、长寿 命、开关频繁而且开关速度快的通用阀门结构。另外，使用此密封结构设计的阀门与普通软 密封结构的阀门其动静密封体几乎一样，因此，完全可以用普通软密封结构的阀门进行简单 改造，就可将其变为硬密封、耐高温、长寿命的高性能阀门。
图l为采用本发明的柱式旋塞阀的拆解装配图。
图2为图1中YZ平面上的剖视放大图。
图3为采用本发明的球阀的拆解装配图。
图4为图3中XY平面上的剖视放大图。
图5为采用本发明的蝶阀的主视图。
图6为图5的左视图。
图7为图5沿A—A方向的剖视图。
图8为采用本发明片式结构阀芯的阀芯部分的组装图。 图9为图8沿A-A线方向的剖视图。
图10为本发明片式结构阀芯中的活动密封件的轴侧图。 图ll为本发明片式结构阀芯中的上压件或下压件的主视图。
图中标记为阀体l、活动密封件2、静密封面3、动密封面4、操作杆5、上压件6、支撑 环7、下压件8、弹性密封圈9、流道IO、管式静密封体ll、压紧圈12。 图中所示的X、 Y、 Z分别为坐标系轴。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明 ±。
根据& _形式可以实现平行渐进，在YZ平面采用极坐标，将自变量x换为e，将因
变量Y换为p ，得到」将该方程对自变量e积分得到阿基米德螺线p = a e + p o用阿 基米德螺线作密封部分的基线，将其沿x轴拉伸就得到阿基米德螺线柱面(以下简称阿柱面
)，或将阿基米德螺线绕Z轴旋转就得到阿基米德螺线球面(以下简称阿球面)，用此柱面 或球面作动静密封面，当动密封件旋转关闭时，动密封面将向静密封面平行渐进；2、在操
作杆与流体穿过静密封面的方向一致的阀门结构中，与将自变量x换为e，因变量Y不变，得
t=±。
到^ 将该方程对自变量e积分得到Y二士a e +Yo，此为柱面螺旋线方程的一部分。用柱面 螺旋线和与xz面平行并过Y轴的直线可旋转生成螺旋面，用螺旋面作动静密封面，同样可使 动密封件旋转关闭时，动密封面向静密封面平行渐进。
本发明的旋转楔式阀门密封结构，如图1 图1 l所示。阀门中活动密封件2设置在阀体l 的流道10上的密封腔内，活动密封件2可相对于阀体1旋转，设置在阀体1的流道10上的静密 封面3与设置在活动密封件2上的动密封面4构成密封副。静密封面3可以直接设置在阀体1 上，也可以设置在与阀体l密封连接的静密封体上。操作杆5与活动密封件2刚性连接，用于 对活动密封件2进行旋转操作，实现阀门的开关。当活动密封件2向关闭方向转动时，密封副 上的动密封面4相对于静密封面3以平行渐近的方式运动；当然，当活动密封件2向打开方向 转动时，密封副上的动密封面4相对于静密封面3以平行渐离的方式运动。在上述阀门的开关 过程中，动密封面4和静密封面3始终是保持平行的，从而在关闭阀门的过程中，可使动密封 面4向静密封面3施加均匀的压力，达到发明的目的。
上述动密封面4相对于静密封面3转动时的平行渐近和平行渐离的运动方式，可以采用多 种结构形态来实现，例如，相互适配的阿基米德螺线柱面、阿基米德螺线球面、螺旋面等。 采用上述结构的密封结构，可用于现有的多种形式的阀门，如柱式旋塞阀、球阀、蝶阀等。
在柱式旋塞阀或球阀中采用本发明的旋转楔式阀门密封结构时，其阀体l的入口端和出 口端的两个密封副中，可以采用一个由相互适配的阿基米德螺线柱面或阿基米德螺线球面形 成的动密封面4与静密封面3构成密封副，另一个密封副采用相互适配的标准的柱面或球面， 形成单楔式密封结构；也可以采用两个均由相互适配的阿基米德螺线柱面或阿基米德螺线球 面形成的动密封面4与静密封面3构成的密封副，形成双楔式密封结构。
在蝶阀中采用本发明的旋转楔式阀门密封结构时，活动密封件2为阀板，阀板的径向端 面为动密封面4，静密封面3设置在阀体1的内腔圆周上，静密封面3和动密封面4为相互适配 的阿基米德螺线球面。
另外，还可以采用本发明的旋转楔式阀门密封结构制作成其它结构形式的阀芯，从而应 用于不同类型的阀门。
为了方便制造、装配和当密封面过度磨损后可修复，同时也为了减小动、静密封面的接 触面积，从而提高密封比压，可将静密封面3设置在管式可调结构上，管式可调结构由与阀
体l滑动配合的管式静密封体ll、带螺纹的压紧圈12和弹性密封圈9组成。
实施例l:如图1 图2所示，在柱式旋塞阀中，采用本发明的旋转楔式阀门密封结构， 其活动密封件2为柱体，入口端和出口端的两个密封副中，两个密封副均由相互适配的阿基 米德螺线柱面形成的动密封面4与静密封面3构成，从而形成双面楔式结构的阿柱面柱式旋塞 阀。
当其入口端和出口端的静密封面3以及与之相匹配的入口端和出口端的动密封面4均由阿 柱面构成时，如图2所示，阀体l上在角度ei和9 3区间的部分由普通圆柱面构成，在角度82 和94区间的部分由阿柱面构成；动密封件2在角度ei和9 3区间的部分由阿柱面构成，在角
度e 2和e 4区间的部分由普通圆柱面构成。阀体i和动密封件2上沿Y轴开有通孔。
为提高密封比压、减小开关力矩，入口端和出口端的静密封面3，可设置在管式静密封 体11上，管式静密封体ll由薄壁管做成，仅环绕流道10的管式静密封体11插入阀体1沿Y轴开 设的通孔中，后端用带螺纹的压紧圈12压紧并通过弹性密封圈9进行密封，从而形成可调静 密封结构。弹性密封圈9可采用0型密封圈等，如图2所示。上述的这种可调静密封结构更便 于制造、装配和维修，其余部分与普通直柱式旋塞阀相同或相似，这里不赘述。
图2所示为该阀门处于开启的状态，如果顺时针旋转操作杆5大约90°，活动密封件2上的 动密封面4的阿柱面将与静密封面3的阿柱面贴合，进一步顺时针旋转操作杆5将使动密封面4 对静密封面3均匀施压。该结构为双面楔式结构。关闭后，由于活动密封件2上与进口端和出 口端对应的动密封面4向进口端和出口端的静密封面3均匀施加大小相同、方向相反的力，此 力由活动密封件2的刚性来自平衡，因此操作杆5不承受其它外力。
实施例2:如图1 图2所示，在柱式旋塞阀中采用本发明的旋转楔式阀门密封结构，一 侧的静密封面3与动密封面4是由普通圆柱面构成密封副，另一侧的密封副由相互适配的阿基 米德螺线柱面形成的动密封面4与静密封面3构成，从而形成单面楔式结构的阿柱面柱式旋塞 阀。采用这种结构，阀门关闭时，操作杆5将承受动密封面4对静密封面3施压的力，阀门关 闭时，操作杆5将产生少量的横向位移，此结构加工起来可能会较容易。
实施例3:如图3 图4所示，在球阀中采用本发明的旋转楔式阀门密封结构，形成阿球 面球阀。图3、图4中为上装双面楔式阿球面球阀，用阿基米德螺线球面作动密封面4，静密 封体由薄壁管制成管式静密封体ll，管式静密封体11上设置静密封面3，通过压紧圈12与阀 体1的螺纹连接来实现管式静密封体11沿Y轴方向的位置调节，管式静密封体ll与阀体l之间 采用弹性密封圈9来实现密封，其余部分与普通球阀相同。另外球阀结构也可象实施例2—样 改作单面楔式结构，此处不赘述。 实施例4:如图5 图7所示，在蝶阀中采用本发明的旋转楔式阀门密封结构，活动密封 件2为阀板，静密封体由薄壁管制成管式静密封体ll。用YZ平面上的阿基米德螺线作基线， 使基线绕Z轴旋转可生成阿球面，用此阿球面的一部分(用与XZ面平行的两个平面切出来的 部分)作阀板的动密封面4和静密封体的静密封面3，就生成了如图5 图7所示的阿球面蝶 阀。阿球面蝶阀只有单面楔式、单密封结构，因此操作杆将承压。与三偏心蝶阀相比，阿球 面蝶阀密封部分受压更均匀，密封面磨损的自动补偿也更均匀，而且由于阀板不受偏心力， 其本征安全性也较好。
实施例5:如图8 图11所示，为采用本发明的旋转楔式阀门密封结构制作成阀芯的结构 形式。阀体l内腔上密封连接有顺序排列的上压件6、支撑环7和下压件8构成的密封件组合 体，支撑环7的环体内圆周边与上压件6和下压件8的内端面之间形成密封腔，设置在密封腔 内的活动密封件2上的操作杆5垂直于下压件8的内端面并伸出下压件8。该密封结构中，流道 10的方向与操作杆5的轴线方向一致。上压件6、下压件8和活动阀体2上相对设置有沿操作杆 5轴心线圆周分布的流道10，上压件6和下压件8内端面上的流道10的周边设置有静密封面3， 活动阀体2的两个端面上设置有与静密封面3适配的动密封面4形成密封副，其中一端的密封 副由螺旋面构成，另一个的密封副由平面构成。若为双面楔式结构，则上压件6和下压件8上 的静密封面3分别由旋向相反的螺旋面构成，若为单面楔式结构，则上压件6和下压件8上的 静密封面3—个由螺旋面构成，另一个为平面。活动密封面4设置在活动密封件2上的非流道 部分，而流道10周围为平面。由于单面楔式结构有一对密封为平面，较容易制造。如图8、 图9所示为一个单面楔式结构密封件组合体，处于开启状态，这时活动密封件2上的动密封面 4与下压件8上的无流道部分的平面相对应，活动密封件2上的螺旋面的最高处(理论上为一 条线)与下压件8的无流道部分平面接触，而且活动密封件2上的动密封面4截止处的直平面 与下压件8上的螺旋面截止处的直平面相碰从而限位，这时活动密封件2上的流道10与上压件 6、下压件8的流道10刚好对齐。当顺时钟转动操作杆5，活动密封件2上的动密封面4将向下 压件8上沿流道10周围布置的静密封面3平行渐近。当活动密封件2上的螺旋面与下压件8上的 静密封面3接触时，活动密封件2上的非流道部分刚好将上压件6、下压件8上的流道10遮蔽。 活动密封件2继续顺时钟转动将在上压件6、下压件8上的静密封面3上产生均匀的挤压力。支 撑环7的作用是在上压件6、下压件8之间形成一个空间以保证开启时活动密封件2刚好能转 动，而关闭时上压件6、下压件8受挤压又不会分开。
权利要求
1.旋转楔式阀门密封结构，包括阀体(1)和设置在阀体(1)的流道(10)上的密封腔内并可相对于阀体(1)旋转的活动密封件(2)，设置在阀体(1)的流道(10)上的静密封面(3)与设置在活动密封件(2)上的动密封面(4)构成密封副，其特征是操作杆(5)与活动密封件(2)刚性连接，当活动密封件(2)向关闭方向转动时，密封副上的动密封面(4)相对于静密封面(3)以平行渐近的方式运动。
2.如权利要求l所述的旋转楔式阀门密封结构，其特征是活动密封 件(2)为柱体，至少一个密封副由相互适配的阿基米德螺线柱面形成的动密封面(4)与静 密封面(3)构成。
3.如权利要求2所述的阀门，其特征是密封副为两个，两个密封副 均由相互适配的阿基米德螺线柱面形成的动密封面(4)与静密封面(3)构成。
4.如权利要求l所述的旋转楔式阀门密封结构，其特征是活动密封 件(2)为阀板，阀板的径向端面为动密封面(4)，静密封面(3)设置在阀体(1)的内腔 圆周上，静密封面(3)和动密封面(4)为相互适配的阿基米德螺线球面。
5.如权利要求l所述的旋转楔式阀门密封结构，其特征是活动密封 件(2)为大致的球体形状，至少一个密封副由相互适配的阿基米德螺线球面形成的动密封 面(4)与静密封面(3)构成。
6.如权利要求5所述的旋转楔式阀门密封结构，其特征是密封副为 两个，两个密封副均由相互适配的阿基米德螺线球面形成的动密封面(4)与静密封面(3) 构成。
7.如权利要求l所述的旋转楔式阀门密封结构，其特征是阀体 (1)内腔上密封连接有顺序排列的上压件(6)、支撑环(7)和下压件(8)，支撑环 (7)的环体内圆周边与上压件(6)和下压件(8)的内端面之间形成密封腔，设置在密封 腔内的活动密封件(2)上的操作杆(5)垂直于下压件(8)的内端面并伸出下压件(8)， 上压件(6)、下压件(8)和活动阀体(2)上相对设置有沿操作杆(5)轴心线圆周分布 的流道(10)，上压件(6)和下压件(8)内端面上的流道(10)的周边设置有静密封面 (3)，活动阀体(2)的两个端面上设置有与静密封面(3)适配的动密封面(4)形成密封 副，其中一端的密封副由螺旋面构成，另一个的密封副由平面构成。
8.如权利要求l所述的旋转楔式阀门密封结构，其特征是阀体 (1)内腔上密封连接有顺序排列的上压件(6)、支撑环(7)和下压件(8)，支撑环 (7)的环体内圆周边与上压件(6)和下压件(8)的内端面之间形成密封腔，设置在密封 腔内的活动密封件(2)上的操作杆(5)垂直于下压件(8)的内端面并伸出下压件(8)， 上压件(6)、下压件(8)和活动密封件(2)上相对设置有沿操作杆(5)轴心线圆周分布 的流道(10)，上压件(6)和下压件(8)内端面上的流道(10)的周边设置有静密封面 (3)，活动阀体(2)的两个端面上设置有与静密封面(3)适配的动密封面(4)形成密封 副，两端的密封副均由螺旋面构成，且两端的螺旋面旋向相反。
9.根据权利要求1 6中任意一项权利要求所述的旋转楔式阀门密封 结构，其特征是静密封面(3)设置在管式可调结构上，管式可调结构由与阀体(1)滑动 配合的管式静密封体(11)、带螺纹的压紧圈(12)和弹性密封圈(9)组成。
全文摘要
本发明公开了一种采用旋转方式进行开关的通用阀门密封结构的旋转楔式阀门密封结构，该结构可使动密封面向静密封面施加均匀的压力。该结构中，当活动密封件向关闭方向转动时，密封副上的动密封面相对于静密封面以平行渐近的方式运动。动密封面只有在与静密封面贴合后才会有少量的滑动，属于准无损密封结构。此密封结构可用于硬密封和软密封，密封可靠性高，可用较小的开关力矩提供足够、均匀的压力，达到所需要的密封比压，内密封性能可达到高级别，外密封容易解决。由于结构简单、紧凑，生产加工容易，成本低，可广泛地用于要求密封性能高、介质双向流动、中小型流量、耐高温、长寿命、开关频繁而且开关速度快的通用阀门结构中。
文档编号F16K5/00GK101173715SQ20071020086
公开日2008年5月7日 申请日期2007年6月22日 优先权日2007年3月8日
发明者潘世永 申请人:潘世永