何常青，于 洋

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

球閥作為一種重要的閥門種類,在管線設(shè)計(jì)部門得到廣泛的選用,主要原因是其流阻系數(shù)小,在同壓力級的閥門種類中質(zhì)量相對較輕,重心低,抗震好。作為埋藏管線,其埋深淺。閥門啟閉和開度標(biāo)識位置好,視覺明顯,可快速啟閉。普通球閥啟閉密封副的必須密封比壓,有依靠非金屬閥座的材料彈性,在產(chǎn)品裝配或設(shè)備修理時(shí)預(yù)先調(diào)整對球體夾緊的預(yù)緊力來產(chǎn)生必須密封比壓,這樣的結(jié)構(gòu)一般是浮動球球閥。有采用在金屬閥座與閥體配合部位之間內(nèi)置金屬彈性元件,當(dāng)然也要預(yù)先調(diào)整對球體夾緊的預(yù)緊力來獲得必須密封比壓,這樣的結(jié)構(gòu)一般是固定球球閥。這些球閥在啟閉過程中,預(yù)緊力始終作用在啟閉密封副的摩擦面上,致使普通球閥啟閉力矩大于其他類型的閥門。

1 技術(shù)發(fā)展分析

近年來出現(xiàn)了一些球閥的新結(jié)構(gòu),在解決球閥啟閉力矩大和使啟閉件密封副必須密封比壓由外力施加等問題上采取了一些措施。結(jié)構(gòu)形式有如下幾種：①預(yù)先壓緊密封（采用聚四氟乙烯等軟質(zhì)材料閥座,安裝時(shí)預(yù)先壓緊球面,形成密封）；②彈性平動貼緊密封（以彈性閥座或彈性元件推動閥座向球面平行移動,貼緊球面而形成密封）；③球體擺動壓緊密封（如軌道球閥,專利申請?zhí)枮?724263818的 “一種閥門”,即以球體或球瓣下端的方向節(jié)或鏈為支點(diǎn),通過閥桿上的凸輪機(jī)構(gòu)或撐攏盤等機(jī)構(gòu),將球體或球瓣以一定角度向閥座傾斜擺動,壓緊閥座并形成密封）；④斜面撐開球瓣平行推動壓緊密封（如專利號為92109430.2的 “高溫高壓球閥蝶閥”,即以組合球中間帶斜面的楔球體的下行,撐開與楔球體作斜面配合的球瓣,向兩閥座平行移動,壓緊閥座后并形成密封）；⑤滾動球球閥密封（如專利號為99124153.3的 “滾動球閥”是一種球體或球瓣向閥座平行滾動壓緊閥座而形成密封的球閥）。球閥閥腔中球體或組合密封面旋轉(zhuǎn)到與閥座密封面相對應(yīng)的位置時(shí),密封面間還存有間隙,球體或組合球球瓣在推拉旋裝置上閥桿傳遞外力的推動下,沿閥座中心軸線向閥座滾動一段距離,如同一只球放在平臺上滾動,并壓緊閥座,形成密封,閥門關(guān)閉。反之,球體或組合球球瓣沿閥座中心軸線拉向閥腔中心回滾到原來的位置,密封面間形成間隙,進(jìn)出口介質(zhì)壓力處于平衡狀態(tài)。球體或組合球再旋轉(zhuǎn)到開啟位置,球閥開啟。

這些新結(jié)構(gòu)從不同程度上解決了傳統(tǒng)球閥啟閉過程中球體始終與閥座發(fā)生摩擦，啟閉力矩大，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，能耗大，密封副壽命短等問題，但是這些結(jié)構(gòu)的球閥如果用在航天低溫系統(tǒng)中，基本還是滿足不了液氫溫度下的內(nèi)外密封要求，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)在低溫下變形后沒有相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)械力施加滿足密封比壓要求。也解決不了用傳統(tǒng)的填料密封在低溫下帶來的外漏問題，這些殼體一般只能為上下組合結(jié)構(gòu)，這樣就不利于球閥的真空絕熱夾套設(shè)計(jì)要求。為達(dá)到氫這種危險(xiǎn)介質(zhì)的嚴(yán)格內(nèi)外密封要求，通過對低溫球閥關(guān)鍵技術(shù)的學(xué)習(xí)研究，提出了一種新型氣動真空絕熱低溫球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)

新型氣動真空絕熱低溫球閥閥體為一體式加工成型，便于真空絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，球體與閥座和閥體密封部位組合的楔式啟閉結(jié)構(gòu),球體與閥桿連接上端設(shè)計(jì)有與一級密封座在球閥開啟時(shí)組成第一道防外漏的密封副的閥瓣結(jié)構(gòu)，上下閥桿螺旋副與運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)里的牙嵌離合器組合實(shí)現(xiàn)操作功能要求，波紋管第二道防外漏結(jié)構(gòu)，氣動及行程控制結(jié)構(gòu)，彈簧自密封封結(jié)構(gòu)等，如圖1所示。

圖1 新型真空低溫球閥

3 工作原理

閥門的開啟和關(guān)閉通過氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來完成。開啟時(shí)，氣缸操縱氣以一定的壓力從活塞下面的進(jìn)口加入使活塞帶動閥桿往上移動，這時(shí)運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)動作的三次變換：第一步是上下閥桿帶動球體上移，使球體與閥座至松開位置；第二步運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中主動與被動零件嚙合，活塞帶動上閥桿繼續(xù)上移，下閥桿在嚙合后在限位措施作用下實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)， 閥門流道導(dǎo)通；第三步運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中主動與被動零件脫開嚙合，上下閥桿帶動球體繼續(xù)上移，至球體閥瓣結(jié)構(gòu)與一級外漏密封座接觸并密封。關(guān)閉時(shí)，氣缸操縱氣以一定的壓力從活塞上面的進(jìn)口加入使活塞帶動閥桿往下移動，這時(shí)運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)也要實(shí)現(xiàn)動作的三次變換：第一步運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中主動與被動零件沒嚙合，上下閥桿帶動球體下移，至球體閥瓣結(jié)構(gòu)與一級外漏密封座脫開；第二步運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中主動與被動零件嚙合，活塞帶動上閥桿繼續(xù)下移，下閥桿在嚙合后在限位措施作用下實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；第三步運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中主動與被動零件脫開嚙合，上下閥桿下移并推動球體與閥座至楔緊密封位置。系統(tǒng)工作狀態(tài)下氣動執(zhí)行器能夠提供可調(diào)節(jié)的機(jī)械密封力使球體與閥座緊密結(jié)合保證密封。系統(tǒng)不工作時(shí)，依靠自密封彈簧提供的機(jī)械里保證系統(tǒng)在低壓下球閥照樣處于密封狀態(tài)。

4 性能特點(diǎn)

該閥門在啟閉的時(shí)候，球體與閥座密封副和閥體與一級防外漏密封座密封副都是處于松開位置，因此啟閉力矩小，操作省力，能耗小，球體與閥座摩擦小，密封副壽命長。

閥門不是靠調(diào)整對球體夾緊的預(yù)緊力來產(chǎn)生必須密封比壓，啟閉密封副的必須比壓由氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和運(yùn)動方式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)一個向下壓緊的機(jī)械力提供，保證雙向密封。

在系統(tǒng)非工作下，球閥由自密封彈簧提供機(jī)械力保證球體與密封副能夠有足夠的密封比壓，解決了傳統(tǒng)球閥因?yàn)榭拷橘|(zhì)壓力在高壓下推動滑動閥座與球體壓緊密封而在介質(zhì)低壓下閥座與球體密封副密封比壓不夠而泄露的問題。

該球閥的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)配合作用，在閥門的整個啟閉過程中，上閥桿只做上下移動，這樣實(shí)現(xiàn)了用波紋管代替填料防外漏，解決了填料在低溫下泄露的問題。在球體轉(zhuǎn)到開啟角度時(shí)能繼續(xù)上移，使球體閥瓣結(jié)構(gòu)與一級防外漏密封座接觸并密封，防止大量低溫介質(zhì)進(jìn)入閥桿腔?？梢哉f該球閥在防止外漏方面有雙保險(xiǎn)。

該球閥閥體一體式加工成型，方便的與外殼體組成真空夾層，解決了因?yàn)殚y門漏熱而帶來的低溫液體性質(zhì)改變的問題。該球閥與管路系統(tǒng)可以方便安裝和拆卸，便于維護(hù)。

5 結(jié)束語

通過研究，進(jìn)行深度設(shè)計(jì)，把球體與閥座密封副的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工好，運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)技術(shù)深入研究開發(fā)，把密封材料和主體材料的合理搭配，該球閥在低溫下的應(yīng)該是工作可靠，性能優(yōu)越，在航天地面試驗(yàn)系統(tǒng)和航天發(fā)射場的設(shè)施系統(tǒng)中將有廣泛的用途。

[1]章華友.球閥設(shè)計(jì)與選用[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1994.

[2]陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3]J.L.萊昂斯.閥門技術(shù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.