CN112032326B - 分块式活塞阀芯结构及其组件、阀门和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分块式活塞阀芯结构及其组件、阀门和方法。该阀芯结构包括阀芯主体、活动块和环形密封件；阀芯主体底面为中心开设有通孔的平面；活动块平置于通孔中，其底面为平面；且活动块的周侧通过环形密封件与通孔侧壁保持密闭连接，构成阀芯的不透水密封面；环形密封件具有伸缩弹性，使活动块在受到不平衡力矩时能发生翻转。本发明通过分块将活塞式阀芯分为与密封装置直接接触的阀芯主体和受到不平衡力矩的活动块，在不平衡力矩的作用下，活动块发生翻转，而与密封装置接触的阀芯主体保持原有的垂直方位，从而避免由于不平衡力矩引起的挤压密封装置的现象发生。本发明结构简单，制造容易，可进行广泛推广应用。

Description

分块式活塞阀芯结构及其组件、阀门和方法

技术领域

本发明涉及一种活塞式阀芯结构，尤其涉及一种分块式活塞阀芯结构及其组件、阀门和方法。

背景技术

在水平布置的采用活塞式阀芯结构的阀门中，其阀芯底面受力表现出明显的不均衡现象，阀芯底面下表面靠近流体出口侧方向受到的压力大于靠近流体入口侧方向受到的压力，压力分布不均衡现象使得阀芯底面处产生一个不平衡力矩，且不平衡力矩主要集中在阀芯底面中间位置。不平衡力矩的存在使得活塞式阀芯有着侧向翻转的趋势，最终导致阀芯壁面对密封副产生挤压，不仅增加驱动能耗、影响密封性能，在大流量工况下甚至会影响阀门的泄漏失效。

在目前市面上的活塞式阀门结构中，缺乏针对阀芯受到的不平衡力矩从而挤压密封装置的改进设计，尤其缺乏一种将直接接触密封装置的面与受到不平衡力矩的面进行分块的阀芯结构。中国实用新型专利CN208997362U公开了一种活塞式流量调节阀，该结构阀轴的轴线与阀体的轴线有间隙，使阀芯受到的径向力减小，开关力矩、对配合面的磨损也减小。但该阀门结构阀芯配合面之间仍存在磨损，且结构较为复杂，不具有普适性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有活塞式阀芯受力不平衡的现象，提供了一种分块式活塞阀芯结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种分块式活塞阀芯，其包括阀芯主体、活动块和环形密封件；所述阀芯主体底面为中心开设有通孔的平面；所述活动块平置于所述通孔中，其底面为平面；且活动块的周侧通过所述环形密封件与所述通孔侧壁保持密闭连接，构成阀芯的不透水密封面；所述环形密封件具有伸缩弹性，使所述活动块在受到不平衡力矩时能发生翻转。

作为优选，所述通孔呈圆形，所述活动块呈圆形板状，且通孔的直径大于活动块的直径，两者同心布置。

进一步的，所述的环形密封件为环形波纹管，环形波纹管由多个直径由内往外递增的环形波纹节同轴嵌套且密封连接而成，最内侧的环形波纹节连接活动块，最外侧的环形波纹节连接阀芯主体；环形波纹管在径向具有伸缩自由度，在非径向具有弯曲自由度。

进一步的，所述环形波纹管为金属波纹管。

进一步的，所述金属波纹管与活动块和所述通孔之间焊接固定。

作为优选，所述阀芯主体呈中空的柱形，底面为圆环形平面，周面为圆柱面。

第二方面，本发明提供了一种活塞式阀芯组件，其包括套筒、密封填料、阀座、弹簧和第一方面中任一方案所述的分块式活塞阀芯；所述弹簧用于对分块式活塞阀芯施加预压力，使所述分块式活塞阀芯的密封面压紧于阀座上，构成用于控制流路开闭的密封副；所述套筒装配于分块式活塞阀芯的阀芯主体外部，两者构成用于控制阀芯主体沿轴向滑动的移动副；阀芯主体与套筒之间通过密封填料保持密闭。

作为优选，所述的弹簧一端支顶于所述活动块的顶面，另一端支顶于外部阀盖上，并保持压缩状态。

第三方面，本发明提供了一种活塞式阀门，包括阀体和装配于阀体上的阀盖，其特征在于，所述阀体内部安装有第二方面中任一方案所述的活塞式阀芯组件。

第四方面，本发明提供了一种如第三方面所述的活塞式阀门中克服不平衡力矩方法，其特征在于，通过分块将活塞式阀芯分为与套筒和密封填料直接接触的阀芯主体和用于承担不平衡力矩的活动块，在阀门开启后，不平衡力矩集中于密封面中间的活动块部位，在不平衡力矩的作用下，活动块发生翻转抵消不平衡力矩，而与套筒和密封填料接触的阀芯主体保持原有的垂直方位，从而避免由于不平衡力矩引起的挤压套筒和密封填料。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明的分块式活塞阀芯结构，将活塞式阀芯与密封装置接触的面以及受到不平衡力矩的面分成阀芯主体和活动块，阀门开启后，不平衡力矩主要发生在中间部位，在不平衡力矩的作用下，活动块发生翻转，而与套筒和密封填料接触的阀芯主体保持原有的垂直方位，从而避免由于不平衡力矩引起的挤压密封装置的现象发生。

(2)本发明的分块式活塞式阀芯结构，在阀芯主体和中心块之间采用金属波纹管连接，采用的金属波纹管是一种在外力的作用下可以发生伸缩的类弹簧结构，其相邻两圈之间无缝隙，且每圈直径由内往外呈递增状态，既保证了两块阀芯位置及运动方式的相对对立性，又保证了活塞式阀芯的封闭性。

(3)本发明结构简单，制造方便，适用于大多数具有圆形阀芯结构的阀门。

附图说明

图1为本发明所涉及分块式活塞式阀芯结构关闭时的剖视图；

图2为本发明所涉及分块式活塞式阀芯结构的仰视图；

图3为一般活塞式阀芯与本发明所涉及分块式活塞式阀芯结构开启时的示意图，(a)为一般活塞式阀芯开启时流体分布与阀芯在不平衡力矩作用下翻转趋势的示意图；(b)为本发明所涉及分块式的活塞式阀芯结构开启时流体分布与活动块在不平衡力矩作用下发生翻转的示意图；

图4为阀芯底面的流速和流线以及压力分布示意图；

图中：1、套筒；2、密封填料；3、阀芯主体；4、阀座；5、弹簧；6、活动块；7、环形密封件；8、活塞式阀芯。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1、图2所示，为本发明的一个较佳实施例中的一种分块式活塞阀芯，该活塞式阀芯用于安装在阀座4和套筒1之间形成阀芯组件使用。该分块式活塞阀芯的主体结构包括阀芯主体3、活动块6和环形密封件7。

其中，阀芯主体3的外部大致轮廓形状与常规的阀芯基本一致，在本实施例中呈呈中空的柱形，底面为用于作为密封面的平面，而周面为用于与套筒1配合的圆柱面。但本发明中的阀芯主体3与常规阀芯的区别主要在于其底面并非完整一体的，而是分块的。其中阀芯主体3自身的底面呈圆环形，中心开设有一个圆形的通孔。而前述的活动块6也呈圆形板状，整体平置于通孔中，且通孔的直径大于活动块6的直径，两者同心布置，之间形成一条圆环形缝隙。活动块6的底面也为平面。本发明中的阀芯密封面是由活动块6的底面与阀芯主体3的底面共同构成的，其中阀芯主体3的底面保持固定不动，而活动块6则需要通过转动来抵消其所承担的不平衡力矩。

因此，为了实现上述功能，阀芯主体3与活动块6之间需要通过一个环形密封件7进行活动式配合，使其既可以保持密封又能够具有相对活动的自由度。该环形密封件7环绕于活动块6的周侧，能够填充阀芯主体3底面通孔与活动块6之间形成的圆环形缝隙，使得活动块6通过环形密封件7与通孔侧壁保持密闭连接，三者的底面整体上构成阀芯的不透水密封面。同时，环形密封件7应当具有伸缩弹性，使的活动块6在受到不平衡力矩时能发生翻转。根据结构的受力分析可知，如果活动块6发生翻转，环形密封件7会同时受到沿径向的拉伸力和非径向(向上或向下)的扭转弯矩，因此环形密封件7的这种伸缩弹性既要保证其能够被径向拉伸，又能够在非径向发生弯曲，以保证活动块6翻转功能的正常实现。

本发明的环形密封件7的形式可以是多样的，例如环形的弹性薄膜或者其他弹性填充材料，其能够在阀芯主体3与活动块6之间形成密封即可。由于其自身的柔性和弹性，当活动块6在受到不平衡力矩时可以提供形变空间，进而保证活动块6能够发生翻转。

在本发明中提供了一种较佳的实现形式，即采用环形波纹管结构来作为环形密封件7。参见图1和2所示，环形波纹管由多个环形波纹节组成。传统波纹管中，其环形波纹节的半径是相同的，沿着管道轴向依次拼接，因此整条波纹管具有轴向的伸缩自由度。但是，本发明中的环形波纹管与传统的波纹管不同的是，各环形波纹节的直径是由内往外递增的，他们同轴嵌套，沿径向相互连接，相邻两个波纹节之间的连接位置保持密闭。然后最内侧的环形波纹节连接活动块6，最外侧的环形波纹节连接阀芯主体3。在该环形波纹管中，其伸缩自由度并非是轴向的，而是在径向具有伸缩自由度。同时，为了保证活动块6翻转过程中的环形密封件7非径向弯曲的形变需求，该环形波纹管应当通过柔性可形变材料的选择或者结构上的优化设计，保证其在沿活动块6板面向上或向下的非径向方向具有弯曲自由度。

该环形波纹管可以采用塑料、高分子材料等具有一定柔性或弹性的材料制成，其与活动块6和阀芯主体3通孔的连接位置可以通过胶水粘贴、夹持固定等方式进行密封固定。在一个优选实施例中，环形波纹管可采用金属波纹管，其金属材质的波纹节之间通过结构上的卡合设计，使其满足伸缩和弯曲的功能。金属波纹管是一种在外力的作用下可以发生伸缩的类弹簧结构，其相邻两圈之间无缝隙。由此，金属波纹管与活动块6和阀芯主体3通孔之间可以通过焊接形式固定，以保证其连接节点的可靠性。

图1中展示的是包括套筒1、密封填料2、阀座3、弹簧5和本发明的分块式活塞阀芯在内的活塞式阀芯组件。其中，弹簧5一端支顶于活动块6的顶面，另一端支顶于外部阀盖上，并保持压缩状态。弹簧5用于对分块式活塞阀芯施加预压力，使得分块式活塞阀芯的密封面压紧于阀座3上，构成用于控制流路开闭的密封副，此时活动块6位于阀座3的流道开口正中心。而套筒1装配于分块式活塞阀芯的阀芯主体3外部，两者构成用于控制阀芯主体3沿轴向滑动的移动副；阀芯主体3与套筒1之间通过密封填料2保持密闭。

另外，上述活塞式阀芯组件可以进一步与阀体和装配于阀体上的阀盖配合，形成一种活塞式阀门。活塞式阀芯组件安装在阀体内部的流道中，以控制流道的通断。此类阀门可以作为先导阀进行使用，以控制外部系统的内部流体向外部流通状态。

如图3(a)所示，在一般活塞式阀芯结构中，当活塞式阀芯8开启时，流体经由活塞式阀芯8与阀座4之间的空隙流出，流体分布不均匀导致流体对活塞式阀芯8底面不同部位产生的压力大小不同，最终使得活塞式阀芯8受到一个不平衡力矩，产生如图3(a)所示的翻转趋势。为了便于理解本发明的发明构思和工作原理，申请人对未分块的活塞式阀门中阀芯底部的力矩分布情况进行介绍。

通过数值模拟对活塞式截止阀中的流体分布和力矩进行分析，其中入口流道弯曲半径R_f、异形管直径D和阀芯高度H分布设置为：R_f＝100mm、D＝120mm和H＝20mm。计算模型选择标准k-ε湍流模型。边界条件设置为压力入口和压力出口，其余表面均为滑移面。入口压力设定为0.25MPa，出口压力设定为0.1MPa。

图4显示了阀芯底面流速与流线的分布情况。从图中可以直观地看到“低速区”在阀芯底面的位置。流体在速度小于1m/s的区域内冲击阀芯后，从各个方向流出，且流速不断增大。由图4的流速以及压力分布可知，阀芯底部不平衡力的分布主要集中在阀芯中心区域，不平衡力分布区域的径向尺寸约为整体阀芯的1/2。在不平衡力矩下，使得阀芯有翻转的趋势，因此在实际的阀门结构中，这种趋势会导致阀芯对周围密封元件产生挤压，从而影响阀门性能。

而在本发明的阀芯结构中，将原来的整体式阀芯进行分块，以改善阀芯侧翻挤压密封装置的现象，其原理是将活塞式阀芯与密封装置接触的面以及受到不平衡力矩的面分成两部分，从而避免因不平衡力矩造成的阀芯与密封装置之间的挤压。在分块式的活塞式阀芯结构中，当阀芯结构开启时，流体经由阀芯主体3与阀座4之间的空隙流出，流体分布不均匀导致流体对活动块6底面不同部位产生的压力大小不同，从而造成活动块6发生如图3(b)所示的翻转，而阀芯主体3底面受到的压力较为均匀，阀芯主体3在流体的作用下保持原有的垂直方位，从而避免了阀芯主体周面与套筒1和密封填料2之间的挤压。

在该活塞式阀门中，其克服不平衡力矩的方法如下：

本发明通过对阀芯进行分块，将活塞式阀芯分为与套筒1和密封填料2直接接触的阀芯主体3和用于承担不平衡力矩的活动块6。因此在该阀门开启后，若阀芯底部密封面中存在不平衡力矩，根据前述的不平衡力矩空间位置分析可知，密封面的不平衡力矩主要集中于密封面中间的活动块6部位。在不平衡力矩的作用下，活动块6发生翻转抵消不平衡力矩，而与套筒1和密封填料2接触的阀芯主体3则依然可以保持原有的垂直方位，从而避免由于不平衡力矩引起的挤压套筒1和密封填料2。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种分块式活塞阀芯，其特征在于，包括阀芯主体（3）、活动块（6）和环形密封件（7）；所述阀芯主体（3）底面为中心开设有通孔的平面；所述活动块（6）平置于所述通孔中，其底面为平面；且活动块（6）的周侧通过所述环形密封件（7）与所述通孔侧壁保持密闭连接，构成阀芯的不透水密封面；所述环形密封件（7）具有伸缩弹性，使所述活动块（6）在受到不平衡力矩时能发生翻转。

2.如权利要求1所述的分块式活塞阀芯，其特征在于，所述通孔呈圆形，所述活动块（6）呈圆形板状，且通孔的直径大于活动块（6）的直径，两者同心布置。

3.如权利要求2所述的分块式活塞阀芯，其特征在于，所述的环形密封件（7）为环形波纹管，环形波纹管由多个直径由内往外递增的环形波纹节同轴嵌套且密封连接而成，最内侧的环形波纹节连接活动块（6），最外侧的环形波纹节连接阀芯主体（3）；环形波纹管在径向具有伸缩自由度，在非径向具有弯曲自由度。

4.如权利要求3所述的分块式活塞阀芯，其特征在于，所述环形波纹管为金属波纹管。

5.如权利要求4所述的分块式活塞阀芯，其特征在于，所述金属波纹管与活动块（6）和所述通孔之间焊接固定。

6.如权利要求1所述的分块式活塞阀芯，其特征在于，所述阀芯主体（3）呈中空的柱形，底面为圆环形平面，周面为圆柱面。

7.一种活塞式阀芯组件，其特征在于，包括套筒（1）、密封填料（2）、阀座（3）、弹簧（5）和如权利要求1~6任一所述的分块式活塞阀芯；所述弹簧（5）用于对分块式活塞阀芯施加预压力，使所述分块式活塞阀芯的密封面压紧于阀座（3）上，构成用于控制流路开闭的密封副；所述套筒（1）装配于分块式活塞阀芯的阀芯主体（3）外部，两者构成用于控制阀芯主体（3）沿轴向滑动的移动副；阀芯主体（3）与套筒（1）之间通过密封填料（2）保持密闭。

8.如权利要求7所述的活塞式阀芯组件，其特征在于，所述的弹簧（5）一端支顶于所述活动块（6）的顶面，另一端支顶于外部阀盖上，并保持压缩状态。

9.一种活塞式阀门，包括阀体和装配于阀体上的阀盖，其特征在于，所述阀体内部安装有如权利要求7或8所述的活塞式阀芯组件。

10.一种如权利要求9所述的活塞式阀门中克服不平衡力矩方法，其特征在于，通过分块将活塞式阀芯组件分为与套筒（1）和密封填料（2）直接接触的阀芯主体（3）和用于承担不平衡力矩的活动块（6），在阀门开启后，不平衡力矩集中于密封面中间的活动块（6）部位，在不平衡力矩的作用下，活动块（6）发生翻转抵消不平衡力矩，而与套筒（1）和密封填料（2）接触的阀芯主体（3）保持原有的垂直方位，从而避免由于不平衡力矩引起的挤压套筒（1）和密封填料（2）。

Images