球閥作為一種重要的閥門種類，在管線設計部門得到廣泛的選用，主要原因是其流阻系數小，在同壓力級的閥門種類中質量相對較輕，重心低，抗震好。作為埋藏管線，其埋深淺。閥門啟閉和開度標識位置好，視覺明顯，可快速啟閉。普通球閥啟(qi)閉密(mi)(mi)封(feng)副的(de)(de)必(bi)須密(mi)(mi)封(feng)比壓(ya)，有(you)依靠非金屬(shu)閥(fa)(fa)(fa)座(zuo)的(de)(de)材料(liao)彈性，在產品裝配(pei)或設備修(xiu)理時預(yu)先調(diao)整(zheng)(zheng)對球(qiu)體(ti)夾緊(jin)的(de)(de)預(yu)緊(jin)力(li)來(lai)(lai)產生(sheng)必(bi)須密(mi)(mi)封(feng)比壓(ya)，這(zhe)樣(yang)的(de)(de)結構(gou)一(yi)般是浮動(dong)球(qiu)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)。有(you)采用在金屬(shu)閥(fa)(fa)(fa)座(zuo)與閥(fa)(fa)(fa)體(ti)配(pei)合部位之間(jian)內置金屬(shu)彈性元件，當然也要預(yu)先調(diao)整(zheng)(zheng)對球(qiu)體(ti)夾緊(jin)的(de)(de)預(yu)緊(jin)力(li)來(lai)(lai)獲得(de)必(bi)須密(mi)(mi)封(feng)比壓(ya)，這(zhe)樣(yang)的(de)(de)結構(gou)一(yi)般是固定(ding)球(qiu)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)。這(zhe)些球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)在啟(qi)閉過程(cheng)中，預(yu)緊(jin)力(li)始終作用在啟(qi)閉密(mi)(mi)封(feng)副的(de)(de)摩(mo)擦面上，致使普通球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)啟(qi)閉力(li)矩大于其(qi)他類(lei)型的(de)(de)閥(fa)(fa)(fa)門(men)。

    1 技術發展分析

    近年來出現了一些球閥的新結構，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。結構形式有如下幾種：（1）預先壓緊密封（采用聚四氟乙烯等軟質材料閥座，安裝時預先壓緊球面，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，專利申請號為9724263818的“一種閥門”，即以球體或球瓣下端的方向節或鏈為支點，通過閥桿上的凸輪機構或撐攏盤等機構，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(zu)合球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)中(zhong)間帶斜面的(de)楔(xie)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)體(ti)的(de)下行(xing)，撐開(kai)(kai)(kai)與(yu)楔(xie)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)體(ti)作斜面配合的(de)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)瓣(ban)，向兩閥(fa)(fa)座(zuo)(zuo)(zuo)平行(xing)移動(dong)，壓緊閥(fa)(fa)座(zuo)(zuo)(zuo)后并形(xing)成(cheng)密(mi)封(feng)(feng)(feng)）。（5）滾(gun)動(dong)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)閥(fa)(fa)密(mi)封(feng)(feng)(feng)（如(ru)專利號為99124153.3的(de)“滾(gun)動(dong)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)閥(fa)(fa)”是一(yi)種球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)體(ti)或(huo)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)瓣(ban)向閥(fa)(fa)座(zuo)(zuo)(zuo)平行(xing)滾(gun)動(dong)壓緊閥(fa)(fa)座(zuo)(zuo)(zuo)而形(xing)成(cheng)密(mi)封(feng)(feng)(feng)的(de)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)閥(fa)(fa)。球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)閥(fa)(fa)閥(fa)(fa)腔中(zhong)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)體(ti)或(huo)組(zu)合密(mi)封(feng)(feng)(feng)面旋(xuan)轉到(dao)與(yu)閥(fa)(fa)座(zuo)(zuo)(zuo)密(mi)封(feng)(feng)(feng)面相對應的(de)位置時(shi)，密(mi)封(feng)(feng)(feng)面間還(huan)存有(you)間隙，球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)體(ti)或(huo)組(zu)合球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)瓣(ban)在推(tui)拉(la)旋(xuan)裝(zhuang)置上(shang)閥(fa)(fa)桿傳遞外力(li)(li)的(de)推(tui)動(dong)下，沿(yan)閥(fa)(fa)座(zuo)(zuo)(zuo)中(zhong)心軸(zhou)線向閥(fa)(fa)座(zuo)(zuo)(zuo)滾(gun)動(dong)一(yi)段距(ju)離，如(ru)同(tong)一(yi)只球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)放在平臺上(shang)滾(gun)動(dong)，并壓緊閥(fa)(fa)座(zuo)(zuo)(zuo)，形(xing)成(cheng)密(mi)封(feng)(feng)(feng)，閥(fa)(fa)門關閉。反之(zhi)，球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)體(ti)或(huo)組(zu)合球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)瓣(ban)沿(yan)閥(fa)(fa)座(zuo)(zuo)(zuo)中(zhong)心軸(zhou)線拉(la)向閥(fa)(fa)腔中(zhong)心回滾(gun)到(dao)原來的(de)位置，密(mi)封(feng)(feng)(feng)面間形(xing)成(cheng)間隙，進出口介(jie)質壓力(li)(li)處于平衡狀態(tai)。球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)體(ti)或(huo)組(zu)合球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)再(zai)旋(xuan)轉到(dao)開(kai)(kai)(kai)啟位置，球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)閥(fa)(fa)開(kai)(kai)(kai)啟。

    這些(xie)新結構從不同程度上解(jie)(jie)決(jue)了(le)傳(chuan)統球閥(fa)(fa)啟閉過程中球體始(shi)終與閥(fa)(fa)座發生摩擦(ca)，啟閉力(li)矩大(da)，操(cao)作費時費力(li)，能耗大(da)，密(mi)(mi)封(feng)副壽命短等問(wen)題，但(dan)是(shi)這些(xie)結構的球閥(fa)(fa)如果用(yong)在(zai)航天低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)系統中，基本還是(shi)滿足不了(le)液氫溫(wen)(wen)度下(xia)的內外密(mi)(mi)封(feng)要求，因為(wei)這些(xie)結構在(zai)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)下(xia)變(bian)形后沒有(you)相應的調節機械力(li)施加滿足密(mi)(mi)封(feng)比壓要求。也(ye)解(jie)(jie)決(jue)不了(le)用(yong)傳(chuan)統的填料(liao)密(mi)(mi)封(feng)在(zai)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)下(xia)帶來的外漏(lou)問(wen)題，這些(xie)殼(ke)體一般只能為(wei)上下(xia)組(zu)合(he)結構，這樣就不利于球閥(fa)(fa)的真(zhen)空絕熱(re)夾套設(she)計要求。為(wei)達到氫這種危險介質(zhi)的嚴格內外密(mi)(mi)封(feng)要求，通過對低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)球閥(fa)(fa)關鍵技術(shu)的學習研究，提(ti)出(chu)了(le)一種新型氣(qi)動真(zhen)空絕熱(re)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)球閥(fa)(fa)結構設(she)計。

    2 結構

    新(xin)型(xing)氣動(dong)真(zhen)空(kong)絕(jue)熱低溫(wen)球閥(fa)閥(fa)體為一體式(shi)加工(gong)成(cheng)型(xing)，便于真(zhen)空(kong)絕(jue)熱結(jie)構(gou)設(she)計，球體與(yu)閥(fa)座和閥(fa)體密(mi)封部(bu)位組(zu)合(he)的(de)楔式(shi)啟(qi)閉(bi)結(jie)構(gou)，球體與(yu)閥(fa)桿連接上(shang)(shang)端設(she)計有與(yu)一級密(mi)封座在球閥(fa)開啟(qi)時(shi)組(zu)成(cheng)第(di)一道防外漏的(de)密(mi)封副的(de)閥(fa)瓣結(jie)構(gou)，上(shang)(shang)下閥(fa)桿螺旋副與(yu)運動(dong)轉(zhuan)換機構(gou)里的(de)牙嵌離合(he)器組(zu)合(he)實現(xian)操作功能要(yao)求，波紋管第(di)二道防外漏結(jie)構(gou)，氣動(dong)及行程控制結(jie)構(gou)，彈簧自密(mi)封封結(jie)構(gou)等。（如(ru)圖1）

圖1 新型真空低溫球(qiu)閥

    3 工作原理

    閥門的開啟和關閉通過氣動執行機構和運動轉換機構來完成。開啟時，氣缸操縱氣以一定的壓力從活塞下面的進口加入使活塞帶動閥桿往上移動，這時運動轉換機構要實現動作的三次變換：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；第二步運動轉換機構中主動與被動零件嚙合，活塞帶動上閥桿繼續上移，下閥桿在嚙合后在限位措施作用下實現90°旋轉，閥門流道導通；第三步運動轉換機構中主動與被動零件脫開嚙合，上下閥桿帶動球體繼續上移，至球體閥瓣結構與一級外漏密封座接觸并密封。關閉時，氣缸操縱氣以一定的壓力從活塞上面的進口加入使活塞帶動閥桿往下移動，這時運動轉換機構也要實現動作的三次變換：第一步運動轉換機構中主動與被動零件沒嚙合，上下閥桿帶動球體下移，至球體閥瓣結構與一級外漏密封座脫開；第二步運動轉換機構中主動與被動零件嚙合，活塞帶動上閥桿繼續下移，下閥桿在嚙合后在限位措施作用下實現90°旋轉，閥門處于關閉狀態；第三步運動轉換機構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。系統工作狀態下氣動執行器能夠提供可調(diao)節的(de)機(ji)械(xie)密(mi)封力使(shi)球體與(yu)閥座緊(jin)密(mi)結合保證密(mi)封。系(xi)統不工(gong)作時(shi)，依(yi)靠自密(mi)封彈簧提供的(de)機(ji)械(xie)里保證系(xi)統在低壓下球閥照樣處于密(mi)封狀態。

    4 性能特點

    該閥(fa)門(men)在啟(qi)閉(bi)的時候，球(qiu)體與閥(fa)座(zuo)密(mi)封(feng)(feng)副和(he)閥(fa)體與一級(ji)防外漏(lou)密(mi)封(feng)(feng)座(zuo)密(mi)封(feng)(feng)副都是(shi)處于松開位置，因此啟(qi)閉(bi)力(li)矩小(xiao)(xiao)，操作省力(li)，能耗小(xiao)(xiao)，球(qiu)體與閥(fa)座(zuo)摩擦小(xiao)(xiao)，密(mi)封(feng)(feng)副壽命長。

    閥門不(bu)是靠(kao)調整對球(qiu)體(ti)夾緊(jin)的(de)預緊(jin)力(li)來(lai)產生必須密(mi)封比壓，啟(qi)閉(bi)密(mi)封副的(de)必須比壓由氣動執行機構(gou)和運動方式轉換機構(gou)配合實現一個(ge)向(xiang)下壓緊(jin)的(de)機械力(li)提供，保證雙(shuang)向(xiang)密(mi)封。

    在系統非工作下(xia)，球(qiu)(qiu)閥由(you)自密(mi)(mi)(mi)封彈簧(huang)提(ti)供機械力保證球(qiu)(qiu)體與密(mi)(mi)(mi)封副能(neng)夠有足夠的(de)密(mi)(mi)(mi)封比壓，解決了傳統球(qiu)(qiu)閥因為(wei)靠介質壓力在高壓下(xia)推動滑動閥座(zuo)與球(qiu)(qiu)體壓緊密(mi)(mi)(mi)封而(er)在介質低(di)壓下(xia)閥座(zuo)與球(qiu)(qiu)體密(mi)(mi)(mi)封副密(mi)(mi)(mi)封比壓不夠而(er)泄露的(de)問題。

    該(gai)球(qiu)閥(fa)的(de)氣動執行機構與運動轉換機構配合作用，在閥(fa)門的(de)整個(ge)啟(qi)閉過程中(zhong)，上閥(fa)桿(gan)只做(zuo)上下移(yi)(yi)動，這(zhe)樣實現了用波(bo)紋管代替(ti)填料(liao)防外(wai)漏(lou)(lou)，解決了填料(liao)在低(di)溫下泄露的(de)問題。在球(qiu)體(ti)轉到開啟(qi)角度時能繼(ji)續上移(yi)(yi)，使球(qiu)體(ti)閥(fa)瓣(ban)結構與一(yi)級(ji)防外(wai)漏(lou)(lou)密封(feng)座接觸并密封(feng)，防止大量低(di)溫介質進入(ru)閥(fa)桿(gan)腔。可以說該(gai)球(qiu)閥(fa)在防止外(wai)漏(lou)(lou)方面有雙(shuang)保(bao)險。

    該球閥(fa)閥(fa)體一體式加工成型，方便的(de)與外殼(ke)體組成真空夾層，解決了因為閥(fa)門漏熱而帶來的(de)低溫液體性質改變的(de)問題(ti)。該球閥(fa)與管路系統可以方便安(an)裝和(he)拆卸，便于維護。

    5 結語

    通過研(yan)究，進(jin)行(xing)深度設(she)計(ji)，把球(qiu)體與(yu)閥座密封副的(de)(de)關鍵結構(gou)設(she)計(ji)加工好(hao)，運動轉換機構(gou)技術深入研(yan)究開發，把密封材料和(he)(he)主體材料的(de)(de)合(he)理搭配，該(gai)球(qiu)閥在(zai)低(di)溫(wen)下的(de)(de)應該(gai)是工作可靠，性能優(you)越(yue)，在(zai)航天地(di)面試驗系(xi)統(tong)和(he)(he)航天發射(she)場的(de)(de)設(she)施(shi)系(xi)統(tong)中(zhong)將有廣泛的(de)(de)用途。