一种纯角行程操作的防颗粒的强制密封球阀的制作方法

在流体控制领域，如油气生产流程切换、管道关断、计量、调压、分子筛切换、压缩机进出口、炼油工艺中的氢气工况，合成氨装置的空分等操作频繁并对流体开关控制和关闭严密性要求苛刻的领域，要求阀门能够在直通的状态下尽可能小的产生压降，并且能够提供不受管线介质压力影响的强制扭矩密封。强制密封球阀被公认为理想的解决方案。
背景技术：
：但多数介质中往往包含或多或少的颗粒。颗粒的存在致使阀门关键部件移动受限、磨损加剧，大大影响阀门的可靠性，这是所有球阀，包括强制密封球阀失效的主要原因之一。特别是申请号：2016103554925所涉及的“阀杆纯角行程操作”强制密封球阀，其阀球密封面在关位被螺柱齿轮顶起的状态下，颗粒物有可能会进入到阀球基体和阀球密封面之间的缝隙，同时颗粒也会进入齿轮所在的位置。这些颗粒的进入将直接影响阀门的可靠性，使阀门的应用受限。技术实现要素：为了克服颗粒的影响，本发明对接触介质的阀球运动部件采取了特殊设计，圆满地解决了颗粒对“纯角行程操作”强制密封球阀的影响，从而大大扩展了这种阀门的应用范围。本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：本发明采用了三段式侧装结构阀体，枢轴支撑板式固定球，阀端上直接集成阀座的结构，如图1所示。对于阀球总成部分（包括阀球基体（2）、螺柱齿轮（3）、螺柱齿轮压环（10）、阀球密封面（6）、小齿轮（5）、上阀杆齿轮（4）和相应的滑动轴承等），所有内部运动部件均被采取了必要的防止颗粒进入的保护设计。其中阀球密封面（6）与阀球基体（2）之间的边缘，采用了梳齿状交错式配合，在阀球密封面（6）被顶起时，其与阀球基体（2）间的间隙会被梳齿状交错式配合所保护，从而阻止颗粒物进入。同时梳齿状交错配合也起到了限制阀球密封面（6）随螺柱齿轮（3）旋转的功能。小齿轮压盖（7）在装配后将阀球基体（2）外形完整填补。其边缘设有梳齿与阀球基体（2）边缘所设梳齿一起和阀球密封面（6）的梳齿交错式配合，从而阻止颗粒物从此进入。阀球基体（2）上部与上枢轴支撑板（8）之间设有防尘密封（20），阻止颗粒进入。同样阀球基体（2）下部与下枢轴支撑板（9）之间也设有防尘密封（20），阻止颗粒由此进入。下枢轴支撑板（9）底部封闭，阻断颗粒的进入。上枢轴支撑板（8）与阀杆（11）间设有防尘密封环（27），防止颗粒进入。另外螺柱齿轮压环（10）采用了与阀球基体（2）螺纹连接及螺钉紧固的结构，均包裹在防护措施以内。以上措施有效地阻断了颗粒从各个方位的进入，从而使这种纯角行程强制密封球阀的适用范围大大扩展。本发明的创新之处主要有以下几个方面：1.梳齿状交错式配合的阀球基体（2）和阀球密封面（6）边缘：阀球基体（2）的边缘与阀球密封面（6）的边缘设有如图2所示的互补式分布的梳齿，其中阀球基体（2）边缘和阀球密封面（6）边缘的梳齿间隔设置并相互互补交错咬合。梳齿的竖截面呈两头尖锐中间鼓起形状（如图3所示）。以阀球密封面（6）的中轴为参考，梳齿里侧轮廓为与中轴平行的竖直线，外侧轮廓为对称的园弧线。梳齿内侧的一半与阀球基体（2）或阀球密封面（6）一体，另一半与对侧的阀球密封面（6）或阀球基体（2）对应弧面交错咬合。沿中轴的环向，梳齿还设置了环向交错。一方面加强了对颗粒的阻挡，另一方面也使阀球密封面（6）与阀球基体（2）的同轴度配合更好。阀球在除关位外的其他位置时，装配于阀杆（11）和阀球基体（2）间的扭力弹簧（12）将施加预紧力，通过阀杆（11）和上阀杆齿轮（4）间的驱动配合使上阀杆齿轮（4）通过小齿轮（5）作用于螺柱齿轮（3），驱使螺柱将阀球密封面（6）与阀球基体（2）收紧。此时阀球密封面（6）与阀球基体（2）间完全抱合，梳齿状交错式边缘咬合完全，其边缘光滑而不留缝隙，颗粒无处进入。阀球密封面（6）被螺柱齿轮（3）顶起时，交错的梳齿可将阀球密封面（6）与阀球基体（2）间的缝隙挡住，从而阻止颗粒物的进入。对于阀球密封面（6）顶起时梳齿咬合面露出的部分，如果附着了颗粒物，在阀球密封面（6）收紧时，会被梳齿的端部像铲子一样铲除，而不会影响阀球密封面（6）的收紧动作。另外阀球密封面（6）的收紧只在阀门处于全关位开启阀门时发生。此时，阀球密封面（6）将同时从主密封环上脱开，介质可帮助吹扫阀球密封面（6）及其与阀球基体（2）的结合处，进一步起到自清洁的作用。从而使颗粒对阀球密封面（6）与阀球基体（2）的运动影响得到有效控制。另外阀球密封面（6）和阀球基体（2）间的互补的梳齿结构完美地限制了阀球密封面（6）和阀球基体（2）间的相对转动。同时可平顺均衡地引导阀球密封面（6）与阀球基体（2）间实现分离和抱合的直行程运动。在通过阀杆（11）传递扭矩给上阀杆齿轮（4），上阀杆齿轮（4）传递扭矩给小齿轮（5），小齿轮（5）传递扭矩给螺柱齿轮（3），螺柱齿轮（3）转动时，阀球密封面（6）不能随之转动，螺柱与阀球密封面（6）内侧螺纹的螺旋配合将引导阀球密封面（6），使之产生远离阀球基体（2）压向密封环的强制密封动作或反之向阀球基体（2）收紧的动作。从而实现，强制密封和阀门开关时的无摩擦旋转。2.小齿轮压盖（7）在装配后将阀球基体（2）外形完整填补：如图4所示，小齿轮压盖（7）的外形在装配后将阀球基体（2）的外形完整填补。其与阀球基体（2）的接触面为完全贴合，颗粒无法从此进入。其边缘也设有与阀球密封面（6）对应边缘互补式分布的梳齿，这些梳齿与阀球基体（2）上的梳齿一起构成360度完整的交错互补式梳齿配合。使阀球密封面（6）与阀球基体（2）间的间隙被完整的保护起来，避免颗粒物的影响。3.下枢轴支撑板（9）与阀球基体（2）之间的防颗粒环和底部封闭的枢轴腔设计：如图5所示，下枢轴支撑板（9）与阀球基体（2）间设有防颗粒环（20）。形成屏障，将颗粒挡在外面。下枢轴支撑板（9）的中央设有枢轴保持腔，其底部设有180度的扇形下凹，与阀球下枢轴的90度扇形突起形成阀位90度旋转精限位。枢轴保持腔采用底部封闭式设计。从而使颗粒无处进入。4.上枢轴支撑板（8）与阀球基体（2）之间，和与阀杆（11）之间的防颗粒环设计：如图6所示，上枢轴支撑板（8）与阀球基体（2）间设有防颗粒环（20）。上枢轴支撑板（8）与阀杆（11）间设有上枢轴防尘密封环（27）。两道防颗粒环形成阻断颗粒的屏障，将颗粒挡在外面。5.螺柱齿轮（3）及螺柱齿轮压环（10）被包裹在防颗粒措施以内：如图7所示，螺柱齿轮压环（10）通过两个环面分别压在螺柱主体顶部环面和螺柱齿轮（3）齿轮体从螺柱主体内边缘向中心部分延伸的环面上。螺柱齿轮压环（10）内侧与阀球基体（2）上的突起的圆柱通过螺纹连接，并在螺柱齿轮（3）顶部有锁止螺钉，限制其从阀球基体（2）上松脱。螺柱齿轮（3）与阀球基体（2）间以及螺柱齿轮（3）与螺柱齿轮压环（10）的圆柱面间装配有滑动轴承（28,29）。阀球密封面（6）的内孔设有螺旋，与螺柱齿轮（3）的螺柱间构成螺旋配合。装配时，通过齿轮传动，旋转螺柱齿轮（3）将阀球密封面（6）旋入位置。此时，螺柱齿轮（3）和螺柱齿轮压环（10）就会完全的被包裹在阀球密封面（6）和阀球基体（2）之间。从而避免受到颗粒物的影响。另外，螺柱齿轮压环（10）与螺柱齿轮（3）之间，以及螺柱齿轮压环（10）与阀球基体（2）间的装配也能保证更优的力学性能。6.齿轮传动机构被包裹在防颗粒措施以内：如图1所示，上阀杆齿轮（4）、小齿轮（5）和螺柱齿轮（3）构成的齿轮传动机构被完整地包裹在上枢轴支撑板（8），小齿轮压盖（7），阀球密封面（6）和阀球基体（2）之间。如上述1-5条所描述的措施将保证齿轮传动机构免受颗粒物的影响。7.采用对称的扭力弹簧（12）设计：如图8和图1所示，上阀杆齿轮（4）与阀球基体（2）之间可发生相对旋转。阀杆（11）与上阀杆齿轮（4）间的装配形成了驱动配合，也就是说，它们之间不能发生相对旋转。阀杆（11）与阀球基体（2）间虽然可以相对旋转，但两者之间的旋转将受到它们之间装有的对称的扭力弹簧（12）的约束，弹簧的一端插入阀杆（11）沿中心对称布置的孔，另一端插入阀球基体（2）上枢轴沿中心对称布置的孔，弹簧半插入后，在阀球基体（2）位于全开位，且阀球基体（2）下枢轴90度突起与下枢轴支撑板（9）枢轴腔180下凹间限位的限制下，施加预紧扭矩，在上阀杆齿轮（4）已旋转到将阀球密封面（6）完全收紧的情况下，将阀杆（11）插入上阀杆齿轮（4）完成他们之间的预紧驱动配合装配。此时，阀球总成除在关闭位以外的位置，所述阀杆（11）与阀球基体（2）间的预紧扭矩通过其与上阀杆齿轮（4）间的驱动配合传递给上阀杆齿轮（4），又通过小齿轮（5）传递扭矩给螺柱齿轮（3），螺柱齿轮（3）又将该扭矩通过与阀球密封面（6）间的螺旋配合传递给阀球密封面（6），在梳齿状交错式配合的阀球基体（2）和阀球密封面（6）边缘的约束下，阀球密封面（6）将与阀球基体（2）紧密抱合。从而使阀球总成在90度开关过程中与主密封脱离，实现无摩擦旋转。当阀杆（11）驱动阀球达到关闭位后，阀球基体（2）位于下枢轴上的90度突起将受限于下枢轴支撑板（9）180度下凹，使阀球基体（2）的旋转停止，此时阀杆（11）的进一步旋转，将压缩弹簧，并使上阀杆齿轮（4）在阀杆（11）的驱动下传动小齿轮（5）并进一步传动螺柱齿轮（3），而后通过螺柱齿轮（3）与阀球密封面（6）间的螺旋配合，在梳齿状交错式配合的阀球基体和阀球密封面边缘的约束下，阀球密封面（6）与阀球基体（2）分离向主密封顶压上去，最终形成可靠的强制密封。对称的双扭力弹簧（12），（或对称的多扭力弹簧（12）的结构），使扭矩传递更均匀。同时单独的弹簧间互为备份，可以增加可靠性。8.阀球密封面（6）密封区域采用硬质合金堆焊：如图3所示，阀球密封面的密封区域采用了硬质合金堆焊，使之对颗粒物的适应性得到加强。9.阀球基体（2）采用c形半球设计：如图1所示，阀球基体（2）采用了c形半球设计，节省了材料，同时密封力不受影响。综上所述，本发明的有益效果是，阀门无摩擦旋转，强制密封抱合均匀可靠，开位阀球总成收缩并锁紧，免受紊流破坏，开关动作迅速，更重要的是圆满地解决了颗粒对阀门的影响，从而大大扩展了阀门的适用范围。附图说明图1：阀门剖面图，本说明书各个图中零件号对应表如下：项目号说明数量1阀中体12阀球基体13螺柱齿轮14上阀杆齿轮15小齿轮16阀球密封面17小齿轮压盖18上枢轴支撑板19下枢轴支撑板110螺柱齿轮压环111阀杆112扭力弹簧213阀杆上盖114阀杆键115阀杆上盖螺钉416阀体螺栓2417螺母2418阀端-无密封119阀端120阀球与枢轴支撑板间防尘密封221上枢轴与上枢轴齿轮间轴承122上阀杆齿轮与上枢轴支撑板间轴承123下枢轴轴承124螺钉用于螺柱齿轮压环325螺钉用于小齿轮压盖326枢轴支撑板定位销827上枢轴防尘密封环128螺柱齿轮与阀球基体间轴承129螺柱齿轮与压环间轴承130阀体阀端密封垫片2图2：阀球基体与阀球密封面边缘间的梳齿状交错式配合示意。图3：阀球密封面及梳齿外形。图4：小齿轮压盖与阀球基体装配后与阀球密封面梳齿状交错式配合示意。图5：下枢轴支撑板、阀球基体及之间的防颗粒环。图6：上枢轴支撑板、阀球基体及之间的防颗粒环；以及上枢轴支撑板与阀杆间的防尘密封环。图7：螺柱齿轮、螺柱齿轮压环、阀球密封面和阀球基体的装配后位置示意。图8：对称的扭力弹簧与阀杆、上阀杆齿轮、阀球基体及轴承等部件的装配后位置示意。图9：阀球总成爆炸图。图10：阀门总爆炸图。具体实施方式本发明的强制密封阀实施可采用多种阀体结构形式如侧装式，顶装式或全焊接式。在这里以三段侧装式为例来说明。主要零件均可采用锻件，通过机加工使零件满足装配尺寸。下面重点介绍装配过程。1.阀球总成的装配（图9）：首先安装小齿轮（5），将小齿轮（5）安装到阀球基体（2）对应的轴，压上小齿轮压盖（7），然后拧紧螺钉（25）。接下来依次将螺柱齿轮与阀球基体间轴承（28），螺柱齿轮（3），螺柱齿轮与螺柱齿轮压环间轴承（29）推送到阀球基体（2）上的柱状突起。然后旋入螺柱齿轮压环（10）到底，最后拧紧螺钉（24）。接下来将上阀杆齿轮（4）及其轴承（21）安装到阀球基体（2）的上枢轴上。调整阀球基体（2）位置使螺柱齿轮（3）的螺旋竖直向上，将阀球密封面（6）平稳的放下，使其内孔的螺旋与螺柱齿轮螺旋对齐，同时调整角度，使其边缘的梳齿与阀球基体（2）边缘的梳齿交错对齐，然后旋转上阀杆齿轮使阀球密封面（6）与阀球基体（2）完全抱合。阀球总成装配结束。2.将阀球总成装入阀体（请参考图10）：将一侧阀端-无密封（18）平放，并插好枢轴支撑板定位销（26），然后放好阀体阀端密封垫片（30）将上枢轴防尘密封环（27）安装到上枢轴支撑板（8）的槽内，然后分别将上下枢轴轴承（22,23）推入阀球总成上下枢轴，然后将上下枢轴支撑板（8,9）安装到枢轴上。将阀球密封面（6）方向朝上，整体沿枢轴支撑板定位销（26）的方向竖直吊起，对准阀端侧的枢轴支撑板定位销（26）后，平稳地放下。然后将阀中体（1）上拧上阀体螺栓（16），将阀中体（1）平稳吊起，使螺栓与阀端-无密封（18）上的螺栓孔对齐，同时阀球上枢轴与阀中体（1）上的阀杆孔对齐。将另一侧的枢轴支撑板定位销（26）插入上下枢轴支撑板（8,9）对侧的对应孔。将另一侧阀体阀端密封垫片（30）放入位置，然后将阀端（19）对齐螺栓孔平稳放下。依次将螺母（17）拧紧。3.安装阀杆总成（请参考图10）：先将扭力弹簧（12）浸上糊状油脂，然后将它们插入阀杆（11）对应的孔里，油脂可以帮助保持扭力弹簧（12）与阀杆（11）的位置，然后将阀杆（11）和扭力弹簧（12）一起去对齐扭力弹簧（12）的另一端与阀球基体（2）上的孔，对齐后将阀杆（11）和扭力弹簧（12）一起半推入阀球基体（2），保持阀杆（11）仍可自由转动，然后向关阀方向旋转阀杆（11）使扭力弹簧（12）压缩到设定扭矩，并与上阀杆齿轮（4）驱动配合对齐，然后将阀杆（11）全部推入上阀杆齿轮（4）。安装阀杆上盖（13），拧紧阀杆上盖螺钉（15），安装阀杆键（14）。4.安装完成。当前第1页12