專利名稱：按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)的球閥座和球閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬流體動力傳遞與介質(zhì)輸送工程領(lǐng)域，涉及用作流體開關(guān)與控制的球閥及其閥座。
技術(shù)背景球閥，是一個中央有個通孔的球作開關(guān)的閥門，現(xiàn)時有浮動球閥和軸耳固定球閥兩種。 開關(guān)球，經(jīng)閥座密封對接在閥體中轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動到通孔與通道口對準時為全通，轉(zhuǎn)動到通孔與通道口成90°時為全閉。浮動球閥的開關(guān)球，通過槽與操作閥桿相連，在介質(zhì)壓力作用下， 可相對閥桿或閥體浮動在下游閥座上實現(xiàn)關(guān)閉密封；軸耳固定球閩的開關(guān)球，通過包括閥桿 作軸的軸耳固定在閥體上，在介質(zhì)壓力作用下，不可相對閥體浮動，只能通過上游閥座的浮 動實現(xiàn)關(guān)閉密封；因此，浮動球閩的閥座可叫固定閥座，軸耳固定球閥的閥座可叫浮動閥座。 球閥座的任務是完成開關(guān)球與閩體的斜角對接和密封，因此，球閥座至少有也可只有三 個互成角度的表面 一個對開關(guān)球的密封面、 一個對閥體的密封面和一個求閥體的力平衡文 承面。如果只有這三個表面，則意味著球閥座是無表面裸露的或封閉起來受壓的以三角形為 截面的。等邊三角截面球閥座，其三面相等受力和不等受力面積(因回轉(zhuǎn)半徑差異)正好理想地滿 足各面不等應力的需要應力稍大的球密封面正好滿足其對球的動密封，應力稍小的體密封 面正好滿足其對體的靜密封，應力再稍小的支承面正好滿足其在支承環(huán)上的滑動；再者，只 有等邊三角截面才能避免閥座出現(xiàn)小于60。的弱尖角；因此，如果球閥座以三角形為截面， 則應以等邊三角形為截面。高分子聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE),是最常用的閥座材料，是典型的粘彈體，既有粘 稠液體的粘性(其應變滯后應力變化)又有固體的彈性(其應變隨應力成比例變化)。閥座材料的 粘性，決定非密閉壓縮狀態(tài)下的閥座必然發(fā)生爬行變形(密封應力松弛)或慢慢地發(fā)生縫隙擠 出流動變形，引起密封失效。因此，如果將閥座材料視著有最高粘稠度的液體，則將閥座封 閉起來壓縮，就象將液壓油密閉在油缸中壓縮一樣，只要泄漏縫隙足夠小，既難于發(fā)生壓縮 變形又難于發(fā)生縫隙擠出流動變形或被擠"破"，還無爬行余地，乃至其實際承載能力遠髙于 其材料的許用承載能力。一般來說，用作閥座的高分子聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE),有著鋼的10余倍的熱脹冷 縮溫度系數(shù)。因此，閥座的用料越多或尺寸越大，閥座相對閥體的熱脹冷縮變化越大，越易 引起密封失效。也就是說，取球閥座的截面為等邊三角形，可最大限度地減少閥座的用料或 尺寸，進而可最大限度地降低溫度變化對閥門可靠性的影響。但是，迄今為止，人們既沒有考慮釆用等邊三角截面的閥座，也沒有考慮以等邊三角形 為截面要素地設(shè)計或決定閥座尺寸，更沒有考慮將閥座盡可能地置于封閉腔中壓縮。普通球閥座有兩處封閉不起來或有兩處棵露于傳輸介質(zhì)中， 一處是裸露于介質(zhì)通道中的 通道棵露面——該裸露面直接接受通道中的介質(zhì)壓縮，另一處是裸露于閥體和球間空腔的中 腔裸露面——該棵露面直接接受閥體中腔中的介質(zhì)壓縮。為避免通道裸露面上的介質(zhì)壓力將處在快打開瞬間的上游閥座局部擠入開關(guān)球的通孔口 中，US6948699專利提出，在閥座的安裝孔壁增加止口或O形止環(huán)，以把閥座鎖在其安裝孔 內(nèi)。為降低球閥座材料于中腔裸露面處的擠出流動變形，US3721425、 US4410165和 US6969047專利提出，在閥座的中腔裸露面上增加擠出阻尼擋環(huán)。US2930576和US4385747專利證明，現(xiàn)有技術(shù)普遍在閥座外圓柱表面上開幾條軸向通 氣槽，使一旦進入上游閥座端密封面的介質(zhì)能沿柱面槽通閥體中腔，使端密封面與中腔詞壓， 以解除浮動球閥通過上游閥座端密封面地對球和下游閥座附加壓力而增加下游閥座的載荷和閥門操作力矩；但是，當球閥開至快打開而未打開時，閥座的水平部位正好面對球的中央通孔口而局部失去球的表面支承，如果此時有介質(zhì)沿上游閥座端密封面和柱面槽流通，則勢必將閥座局部沖入球口而致閥座損壞；為此，現(xiàn)有技術(shù)不得不增加閥座截面的尺寸或閥座的外 徑和厚度以增加閥座強度，結(jié)果導致現(xiàn)有技術(shù)更多的閥座表面裸露。總之，現(xiàn)有技術(shù)一直沒有意識到，閥座的裸露面對浮動球閥的開關(guān)球的自動浮動有影響， 而一直以為，浮動球閥的開關(guān)球是無條件地隨介質(zhì)壓力增加而自動浮向下游閥座地加強開關(guān) 密封的。對于浮動球閥，如圖5所示，As是球的介質(zhì)作用面積(直徑Ds對應的圓面積)，p是介質(zhì) 壓強，Ws-Asp是球的浮動密封力(介質(zhì)對球的推力)，W2是座對球的安裝夾持力；可想而知， 當Ws^A/2時，下游閥座與開關(guān)球間的作用力是W2(此時的Ws至多是全部取代上游閩座對球 的安裝夾持力W2，并不增加開關(guān)球與下游閥座間的作用力)，當W》W2時，下游閥座與開關(guān) 球間的作用力是Ws而不是W2(此時的W2已被Ws全部取代)。也就是說，對于浮動球閥，開 關(guān)球與閥座間的密封作用力不是W2就是Ws,或者說，浮動球閥的開關(guān)密封不是靠閥座對球 的安裝夾持力W2就是靠開關(guān)球的浮動密封力Ws實現(xiàn)，不可能靠二者同時起作用。但無論哪個起作用，根據(jù)美國《ASME鍋爐與壓力容器法規(guī)VIII卷1冊附錄2》的基本理念，二者都 必須是m倍座的介質(zhì)去密封力(介質(zhì)對座的推力)，即W2和Ws都必須等于m(Ae+Ac)p,浮動球閥才能實現(xiàn)可靠密封，其中Ae-座的中腔裸露面積，A^座的球覆蓋面積，Ae+Ac-Au座的介質(zhì)作用面積，m(座的密封維持系數(shù))-密封作用力/去密封作用力?？梢哉f，浮動球閥的開 關(guān)球的浮動密封工作是有條件的。如果按自密封考慮浮動球閥的開關(guān)密封，則按美國《ASME鍋爐與壓力容器法規(guī)VIII巻 l冊附錄2》的自密封理念，需要閥座的密封維持系數(shù)m=[(WrH)/AcP]2 0，即只要W22H=AeP (參見圖5),其中W2-座對球的安裝夾持力H-座的中腔裸露面上介質(zhì)作用力AePAcp-座的球覆蓋面上介質(zhì)作用力Ae-座的中腔裸露面積Ac-座的球覆蓋面積(包括接觸面積和非接觸面積Aep) 卩=介質(zhì)壓強也就是說，只要閥座對球的安裝夾持力W2不小于閩座中腔裸露面上的介質(zhì)作用力AeP，浮動 球閥就能靠球的浮動密封力而始終維持開關(guān)密封。但是，實際上，當W2^AeP時，浮動球閥卻不一定能靠球的浮動維持開關(guān)密封。例如， 如圖5所示，當Ws(介質(zhì)對球的推力)-W2(座對球的安裝夾持力)時，有W2(=Ws=Asp) AeP—— 因為無論如何設(shè)計都有As(球的介質(zhì)作用面積)》Ae(座的中腔裸露面積)，已滿足W尸AsP"AeP;然而，此時剛好完全脫離上游閥座夾持的開關(guān)球，在受到不可避免和無力克服的偏心轉(zhuǎn)動干擾時，將再失去同下游閥座的關(guān)閉密封當脫離同上游閥座親密接觸的開關(guān)球遇到偏心轉(zhuǎn)動 干擾時，轉(zhuǎn)動干擾力可部分或全部抵消球的浮動密封力Ws而致使開關(guān)球疏遠下游闊座，使工 作介質(zhì)越來越不斷浸入下游閥座的球覆蓋環(huán)Ac而輸出一干擾作用力AcP地推開關(guān)球離開下游閥座；此時在中腔裸露環(huán)Ae上的作用力AeP越大，越能阻止被Ws替代的閥座對球的安裝夾持力W2的復活，越有利干擾作用力Acp瞬間將開關(guān)球再剝離下游閥座；當開關(guān)球一旦同時脫 離同上下游閥座的親密接觸，無論介質(zhì)壓強p多高，介質(zhì)在開關(guān)球上的作用力都是平衡的， 乃至開關(guān)球只能在座間漂浮，再也無力恢復同座的親密接觸，甚至壓強p越高，介質(zhì)對座的推力(Ae+Ac)p越大，越有利為開關(guān)球提供更充足的座間漂浮空間。也就是說，浮動球閥，按開關(guān)自密封考慮(保證其閥座對球的安裝夾持力w2不小于其中腔裸露面上的介質(zhì)作用力AeP),不能排除其固有的偏心轉(zhuǎn)動干擾，不能保證其開關(guān)密封的可靠性，是行不通的。由上述分析可知，座的中腔裸露面積Ae和球覆蓋面積Ac明確涉及浮動球閥的開關(guān)球的
偏心轉(zhuǎn)動干擾的放大輸出，但是，按開關(guān)自密封考慮又明確把球覆蓋面上的介質(zhì)干擾作用力 AcP從概念和關(guān)系式中抹去和甩掉了，因此，按開關(guān)自密封考慮浮動球閥，根本求不出抑制 其偏心轉(zhuǎn)動干擾與座的中腔裸露面積Ae和球覆蓋面積Ac的關(guān)系。如果不按自密封考慮浮動球閥的開關(guān)密封，則按美國《ASME鍋爐與壓力容器法規(guī)VIII 巻1冊附錄2》的非自密封理念，需要閥座密封維持系數(shù)(參見圖5): m=Ws/W^2 =Asp/(Ae+Ac)p^2Ds2 、，其中Ws-Asp球的浮動密封力(介質(zhì)對球的推力)Wu-(Ae+Ac)p座的介質(zhì)去密封力(介質(zhì)對座的推力)Af球的介質(zhì)作用面積Ae-座的中腔裸露面積Ac-座的球覆蓋面積(包括接觸面積和非接觸面積Aep) Ae+Ac-Au座的介質(zhì)作用面積卩=介質(zhì)壓強，D。-座外徑，D^座的球作用直徑，Df座內(nèi)徑 即只要保證W^2Wu(球的浮動密封力不小于2倍座的介質(zhì)去密封力)，或As^2(Ae+Ac)(球的介質(zhì)作用面積不小于2倍座的介質(zhì)作用面積)，就可保證浮動球閥座在 任何介質(zhì)壓力下受到?jīng)_擊干擾時，特別是在受到球的偏心轉(zhuǎn)動沖擊時，都能維持關(guān)閉密封。其實，任何浮動球閥座都是一個干擾脈沖放大器，球的偏心轉(zhuǎn)動作用力是干擾脈沖輸入， 介質(zhì)在座的球覆蓋面上的作用力AcP是干擾脈沖輸出，介質(zhì)在座中腔裸露面上的作用力AeP 相當于脈沖放大器的直流輸出~AeP越大、越有利于脈沖信號的大幅輸出——實際上，AeP 越大、到時候越能阻止被介質(zhì)對球的推力Ws所替代的閥座對球的安裝夾持力W2的復活、越有利千擾作用力Acp瞬間將開關(guān)球剝離閥座；介質(zhì)對座的推力Wu-(Ae+Ac)p為介質(zhì)的去密封 或密封干擾作用力——(Ae+Ac)p越大、越能撐大座間距離、越有利球在座間漂浮(不密封)； 介質(zhì)對球的推力W^AsP為介質(zhì)的密封作用力~~Asp越大、越有利開關(guān)球抵抗球的偏心轉(zhuǎn)動 干擾(維持密封)；因此，m-Ws/Wu-As/(Ae+Ac)為閥座的固有特性指數(shù)(閥座的抗干擾系數(shù)或 密封維持系數(shù))——m值越大、座的抗干擾能力越強；如果閥座的抗干擾能力不足(抗千擾系 數(shù)m值低)，則意味著球在下游閥座上的浮動壓力無法克服球的偏心轉(zhuǎn)動干擾，致使開關(guān)球 只有靠兩座的對夾安裝力才能維持關(guān)閉密封。實際上，這種球被閥座對夾安裝得不能浮動的 結(jié)構(gòu)似球浮動的球閥，應該叫閩座固定球閥或形式浮動球閥。如圖5所示，形式浮動球閥的 開關(guān)密封工作條件是W2>Ws=Asp=m(Ae+Ac)p,真浮動球閥的開關(guān)密封工作條件是 Ws=Asp=m(Ae+Ac)p>W2。由于現(xiàn)有技術(shù)遠離上述球閥座的密封科學，不能保證浮動球閥靠介質(zhì)對球的推力Ws而只能無奈地簡單靠閥座對球的安裝夾持力W2〉Ws實現(xiàn)開關(guān)密封，因此，在整個工作壓力范圍內(nèi)， 現(xiàn)有技術(shù)浮動球閥都是開關(guān)球被雙閥座夾得不能浮動的形式浮動球閥。對浮動球閥座而言，由于其座的抗干擾系數(shù)m-As/(Ae+Ac)(-球的介質(zhì)作用面積/座的介 質(zhì)作用面積)，因此，至關(guān)重要的是， 一定要在不超過材料的許用強度前提下，盡可能減少座的介質(zhì)作用面積(Ae+Ac)、特別是減少其中無任何用處的裸露面積、降低對偏心轉(zhuǎn)動干擾信號的放大輸出以求獲得更可靠的浮動關(guān)閉密封，而不是糾纏由經(jīng)驗確定的閥座的抗干擾系數(shù)m 值是否還可稍小于2。根據(jù)《ASME法規(guī)》的理念，浮動球閥座對球的安裝夾持力，只負責提供無介質(zhì)壓力時 的閥座所需的最小密封應力y (與材料和密封接觸結(jié)構(gòu)相關(guān))；對于某種模式的密封接觸結(jié)構(gòu) 而言，閥座的最小密封應力y就只與閥座材料的屈服強度(yield)有關(guān)，可以理解為材料因屈
服流動而填平補齊凸凹不平的結(jié)合面時的應力，其理論大小應逼近材料的屈服強度，其實際 大小只是材料屈服強度的一個較大百分數(shù)——因為實際接觸面積僅僅是應力計算面積的一個 較大百分數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的研究，只要密封接觸是"微觀線后跟面中線接觸"或微觀鋸齒接 觸，即線接觸后緊跟面接觸、面接觸中始終有線接觸，則密封接觸始終是以線接觸提供材料 所必須的微觀變形應力、以面接觸保證材料所必須的宏觀強度或許用應力、保護線接觸永不 消失。如果閥座密封按"微觀線后跟面中線接觸"結(jié)構(gòu)設(shè)計，則無論什么非金屬還是金屬閥 座，都相對要求小至可忽略不計的安裝夾持力——因為對接觸面積趨于零的線接觸，任意小 的接觸壓力就可產(chǎn)生趨于無窮大的接觸應力。也就是說，如果不按自密封考慮和使用"微觀 線后跟面中線接觸"密封結(jié)構(gòu)，則浮動球閥可使用小至可忽略不計的安裝夾持力，乃至介質(zhì) 對球的一個較小的推力就可替代上游閥座對球的安裝夾持力，使開關(guān)球脫離上游閥座，使球 的工作轉(zhuǎn)動約束力和閥座的工作載荷均源自下游閥座上的介質(zhì)對球的推力Ws,球的非工作轉(zhuǎn) 動約束力和閥座非工作載荷均源自閥座對球的安裝夾持力(可小至忽略不計)。如US7243900 (CN27132鄰)、US20030111631、 US6948699、 US4658847、 US4557鄰1、 US4502663、 US4457491、 US4236691、 US4235418、 US2963263、 US2945666等專利所示， 現(xiàn)有技術(shù)對浮動球閥還一直停留在按自密封思維基礎(chǔ)上，既不考慮閥座的介質(zhì)作用面積、特 別是不考慮閥座裸露的介質(zhì)作用面積對自密封的影響，也不考慮閥座對球的安裝夾持力W2與自密封的關(guān)系，導致現(xiàn)有技術(shù)浮動球閥座擁有相當?shù)慕橘|(zhì)作用面積(Ae+Ac),即擁有足夠的偏心轉(zhuǎn)動干擾放大條件，致使現(xiàn)有技術(shù)浮動球閥僅是結(jié)構(gòu)似球浮動的形式浮動球閥，只能靠閩座對球的安裝夾持力W2而不能靠球的浮動密封力Asp實現(xiàn)開關(guān)密封。由于形式浮動球閥的 開關(guān)密封工作條件是W^Ws-AsP，因此，為了通過標準規(guī)定的l.l倍額定工作壓力的關(guān)閉密 封測試，現(xiàn)有技術(shù)浮動球閥必須保證座對球的安裝夾持力W2>l.lAspw,其中A^球的介質(zhì)作 用面積，Pw二額定工作介質(zhì)壓強。所以，簡單地說，迄今為止的浮動球閥的開關(guān)球的極限轉(zhuǎn) 動約東力矩至少是由雙座力2d.lAsPw產(chǎn)生的，不是由最大單座力1.1AsPw產(chǎn)生的。綜上所述，對于浮動球閥，通過運用ASME法規(guī)理念的分析可知，如果按開關(guān)自密封考 慮，則無疑從理念到結(jié)構(gòu)都不考慮其它因素對開關(guān)球的浮動影響，自然不能排除普遍存在的 開關(guān)球的偏心轉(zhuǎn)動干擾，結(jié)果開關(guān)密封遠離自密封優(yōu)勢，無意識地完全廢棄介質(zhì)對球的自然 推力而另用額外的閥座對球的安裝夾持力；如果不按開關(guān)自密封考慮，則始終以減少閥座介 質(zhì)作用面或降低對偏心轉(zhuǎn)動干擾信號的放大作用為前提，結(jié)果開關(guān)密封充分獲得自密封優(yōu)勢， 用介質(zhì)對球的自然推力充分取締多余的閥座對球的安裝夾持力；無疑，對浮動球閥的開關(guān)密 封行為的認識，從現(xiàn)有技術(shù)的"自密封"理念到本發(fā)明的"非自密封"理念，是180°的大轉(zhuǎn) 向，是一次思維革命，自然引起結(jié)構(gòu)革命，當然，結(jié)果是令人難于置信的，但是，是可證實 的產(chǎn)生開關(guān)球的最大轉(zhuǎn)動約束力的力和閥座的最大負載從至少2".lAsPw到至多AsPw，至 少減少l.l倍。浮動球閥，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，易于維修；相對而言，軸耳固定球閥，結(jié)構(gòu)復雜， 制造成本高，難于維修。用軸耳固定球閥替代浮動球閥的初衷是，用軸承替代下游閥座去承 擔介質(zhì)對球的推力，以使較軟的材料可承擔更高壓力的開關(guān)密封任務，或使高壓大規(guī)格球閥 不受閥座材料強度限制。用軸耳固定球閥替代浮動球閥的附加效果是轉(zhuǎn)動操作力矩小。由于 本發(fā)明的閥座可以降低現(xiàn)有技術(shù)的浮動球閥的開關(guān)球的操作轉(zhuǎn)矩一半以上，因此，如果本發(fā) 明的閥座還能提高抗壓能力，那豈不是可在更大的范圍內(nèi)，用廉價可靠的浮動球閥替代昂貴 的軸耳固定球閥嗎？ISO 14313/API 6D規(guī)定，球閥(因開啟或關(guān)閉而陷在閥體中腔內(nèi)的介質(zhì)會受熱膨脹而滋 生高壓)應有自動卸壓裝置，保證陷在中腔內(nèi)的介質(zhì)壓力不超過1.33倍額定工作壓力；防火 結(jié)構(gòu)閥，應按ISO 10497 (API 6FA)通過防火檢測。為了滿足標準規(guī)定的球閥中腔卸壓要求， US4557461、 US4385747、 US4236691、 US3鄰8033、 GB2023773等專利提出了 一些復雜的 卸壓閥座結(jié)構(gòu)；為了通過標準規(guī)定的球閩的防火測試要求，W082/03898專利提出了復雜的 防火閥座結(jié)構(gòu)。如果本發(fā)明的封閉受壓的三角截面閥座能夠自然達到ISO 14313/API6D規(guī)定
的球閥中腔卸壓要求和防火要求，那豈不是可省去這些專用結(jié)構(gòu)閥嗎？金屬閥座球閥，是高溫應用不可缺少的閥門，但是如US4940208、 US4502663、 US4262688、 US4235418、 US4147327等專利所示，浮動球閥的金屬閥座結(jié)構(gòu)，與非金屬閥 座結(jié)構(gòu)，有著完全不同的結(jié)構(gòu)；如US7032880、 US4601308、 US4318420、 US3752178、 US3164362、 US3269691等專利所示，軸耳固定球閥的浮動閥座總成中始終有一個難達髙溫 要求的O型密封圈，幾乎導致軸耳固定球閥與高溫用金屬閥座結(jié)構(gòu)無緣。如果本發(fā)明的三角 截面閥座，能夠把浮動球閥的金屬閥座閥和非金屬閥座結(jié)構(gòu)統(tǒng)一起來，又能夠結(jié)構(gòu)出不用0 型密封圈的浮動閥座來，那豈不美哉！發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提出球閥座結(jié)構(gòu)原理和方法，并據(jù)之提出一系列理想球閥座。本發(fā)明提出的球閥座結(jié)抅原理和方法的要點是① 球閥座，應盡可能是無表面裸露的并逼近以球密封玄為邊長的等邊三角形為截面。② 浮動球閥的開關(guān)球的浮動密封工作是有條件的，如圖5所示，只有當 Ws-m(Ae+Ac)p〉W2而且m足夠大時，浮動球閥才能靠開關(guān)球的浮動實現(xiàn)可靠的關(guān)閉密封， 否則只能靠閥座對球的安裝夾持力W2，其中Ws-球的浮動密封力(介質(zhì)對球的推力)，Wf座 對球的安裝夾持力，Ae-座的中腔裸露面積，Ac-座的球覆蓋面積(包括接觸面積和非接觸面 積Aep), Ae+Ac-Au座的介質(zhì)作用面積，p-介質(zhì)壓強，m(座的密封維持系數(shù)或抗干擾系數(shù))-密封作用力/去密封作用力。③ 任何球閥的關(guān)閉密封都有不可避免的球的偏心轉(zhuǎn)動干擾，任何球閥座都是一個干擾脈 沖放大器并擁有一個固有的抗千擾系數(shù)m;如圖5所示，浮動球閥座的抗干擾系數(shù) m二Asp/(Ae+Ac)p:D力(D。、D卩)決定閥座密封的抗干擾能力，其中A^球的介質(zhì)作用面積，Ae=座的中腔裸露面積，A^座的球覆蓋面積(包括接觸面積和非接觸面積Aep), Ae+A^Au座的介質(zhì)作用面積，卩=介質(zhì)壓強，AsP-球的浮動密封力(介質(zhì)對球的推力)，(Ae+Ac)p-座的介質(zhì)去 密封力(介質(zhì)對座的推力)，00=座外徑，Ds二座的球作用直徑，Df座內(nèi)徑；閥座的密封維持 系數(shù)m值越大，結(jié)構(gòu)的抗干擾能力越強；也就是說，浮動球閥用固定閥座， 一定要以不超過 材料的許用強度為前提，盡可能減少介質(zhì)作用面積(Ae+Ac)、特別是減少其中無任何用處的裸 露面積、降低對偏心轉(zhuǎn)動干擾信號的放大輸出，才能使浮動球閥的開關(guān)密封更可靠。 閥座抗干擾能力不足的浮動球閥，只能靠陶座對球的安裝夾持力W2而不能靠介質(zhì)對 球的推力Ws維持球的開關(guān)密封性，實際上，僅僅是結(jié)構(gòu)似球浮動的形式浮動球閥。⑤只要密封接觸是"微觀線后跟面中線接觸"或微觀鋸齒接觸，即線接觸后緊跟面接觸， 面接觸中始終有線接觸，則密封接觸始終是以線接觸提供材料所必須的微觀變形應力、以面 接觸保證材料所必須的宏觀強度或許用應力、保護線接觸永不消失；如果閥座密封按"微觀 線后跟面中線接觸"結(jié)抅設(shè)計，則無論什么非金屬還是金屬閥座，都相對要求小至可忽略不 計的安裝夾持力——因為對接觸面積趨于零的線接觸，任意小的接觸壓力就可產(chǎn)生趨于無窮 大的接觸應力；也就是說，為了降低球閥座對球的安裝夾持力而更有效地利用浮動球或浮動 座的浮動自密封性，對于高強度材料閥座，特別是金屬閥座，應當使用"微觀線后跟面中線 接觸"密封結(jié)構(gòu)。圖1和圖2所示的是一個分別處在全開和全閉狀態(tài)的普通浮動球閥，由閥座02負責提 供開關(guān)球03在閥體01中的安裝對接、轉(zhuǎn)動支承和關(guān)閉密封，由體端蓋05與閥體的螺紋連 接負責提供開關(guān)球和閥座在閥體中的安裝緊固，由體密封墊04負責提供閥體連接的密封，由 閥桿06負責提供開關(guān)球的轉(zhuǎn)動搡作，由一套閥桿密封總成負責提供閥桿的密封。由于本發(fā)明 僅涉及用不同截面的閥座實現(xiàn)開關(guān)球在閥體中的安裝對接、轉(zhuǎn)動支承及關(guān)閉密封，因此，只 需用一些與圖l和圖2相對應的僅涉及閥體01、閥座02和開關(guān)球03的局部視圖或局部放大 視圖，就可足以對普通業(yè)內(nèi)技術(shù)人員清楚表達本發(fā)明的各種技術(shù)方案，包括清楚表達軸耳固 定球閥中的浮動閥座方案。在文字表達中，所用到的"固定閥座"是指浮動球閩常用球閥座， 實際上是可微微浮動的；所用到的"浮動閥座"是指固定球閥常用球閥座，實際上其開關(guān)球也可微微浮動；所用到的"投影"是指在以開關(guān)球中央通孔軸線為X軸定義的相關(guān)坐標系面 或相關(guān)坐標系軸上的投影；所用到的"按(等邊)三角截面法"、"以(等邊)三角形為截面要素、 為截面成分和為截面輪廓"和"逼近以(等邊)三角形為截面輪廓"有時意義相同。如圖7a(圖la中的X放大圖)所示，在普通固定閥座02的截面中都包括一個固有的截面 結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC,其邊AB是座的球密封面決定邊(即AB是密封弧所對的玄或是座的球 密封玄)，其邊BC可是座的端密封面決定邊(即可取BC的投影CF'為截面的端密封邊)，其邊 CA可是座的圓柱支承面決定邊(即可取CA的投影CD為座的柱面母線)，其球密封玄長決定 選用材料閥座的許用載荷，其輪廓線交點C決定閥座表面裸露程度，其三個頂點的回轉(zhuǎn)直徑 Ds(為座的球作用直徑)、Di(為座內(nèi)徑)和D。(為座外徑)決定閥座的抗千擾系數(shù)m=Ds2/(D。2-Di2) 或浮動球閥的可靠性。其實， 一切球閥座，無論它們的截面形狀或結(jié)構(gòu)細節(jié)如何不同，都可 用一個等邊三角形為截面基礎(chǔ)來結(jié)構(gòu)和發(fā)展，并控制閥門的基本性能，所以，本發(fā)明提出按 等邊三角截面法設(shè)計球閥座。如圖6(圖la中的開關(guān)球03及其座截面結(jié)抅三角形)所示，球閥座的截面密封弧或結(jié)構(gòu) 三角形ABC的球密封玄AB,應對稱地在位置相差90°的開關(guān)球端面和端面球小圓d'限定的基 準邊圖A'B'內(nèi)，以確保開關(guān)球在全開和全關(guān)位置時，閥座的球密封面AB都能全壓在開關(guān)球表 面地維持密封形態(tài)；當密封玄端A超出端面球小圓d'的切線B"A'時，處在全閉位置的開關(guān)球 的端面(圖2b中的虛線端面)就會進入座的球密封面內(nèi)而戳致閥座變形地入球的通孔口內(nèi)；當 密封玄端B超出球端面限制時，就可導致閥座內(nèi)徑縮小，或是導致介質(zhì)對上游閥座的有害沖 刷或擠壓變形，或是導致增加下游閥座的球覆蓋面積Aep(如圖5b所示)而降低閥座的抗干擾 能力。由于無論球直徑d和端面球小圓d'取大或取小，始終都有B〃0'=B"0=r'，因此，球 閥座截面結(jié)構(gòu)三角形ABC的球密封玄AB與開關(guān)球的中央通孔軸線成45。角。所以，本發(fā)明 提出一種以等邊三角形為截面要素的浮動球閥用固定閥座(參見圖7a),其特征是閥座截面結(jié) 構(gòu)等邊三角形ABC的邊AB是座的球密封玄，邊BC的投影邊或投影延長邊回轉(zhuǎn)形成面是座 的端密封面，邊CA的投影邊回轉(zhuǎn)形成面是座的柱支承面，點C是座輪廓線交點；所述球密 封玄AB，即閥座截面密封弧所對的玄，與所述球的中央通孔軸線成45。角，或閥座的球密封 面可以預制成與閥座同軸的并與所述球相截的90°錐面或預制成所述90°錐面截出來的所述 球的弧面；所述球密封玄長和輪廓線交點位置由閥座材料許用強度及需要的閩座抗干擾系數(shù) m確定。上述僅以等邊三角形為截面要素而不以等邊三角形為截面輪廓的普通固定閥座，主要控 制的是閥座結(jié)構(gòu)三角形ABC的球密封玄AB的方位和長短以及閥座的表面裸露程度或閥座的 抗干擾系數(shù)m，旨在提高普通固定閥座開關(guān)的密封性，降低普通固定閥座開關(guān)的轉(zhuǎn)動操作力 矩，有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等特點，但未解決閥座材料的裸露問題或經(jīng)裸露面的爬行變形 或擠出流動變形問題，無法滿足某些特殊應用要求，如滿足API6D的防火要求。防火球閥是 指正常環(huán)境下靠開關(guān)球與閥座間的金屬-非金屬接觸實施開關(guān)密封、火災環(huán)境下靠開關(guān)球與閥 體間的金屬-金屬接觸實施開關(guān)密封的球閥，也就是說，防火球閥需要一個正常工作中緊逼而 又不緊貼開關(guān)球表面的閥體密封唇口，以便非金屬閥座材料燒毀后立即進入開關(guān)球與閥體間 的金屬-金屬密封。所以，為了滿足API 6D的防火要求，本發(fā)明提出一種以等邊三角形為截 面成分的浮動球閥用固定閥座(參見圖8a)，其特征是閥座截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的邊AB 是座的球密封玄，邊BC回轉(zhuǎn)形成面是座的端密封面，邊CA的投影邊回轉(zhuǎn)形成面是座的柱支 承面，點C是座輪廓線交點；所述球密封玄AB,即閥座截面密封弧所對的玄，與所述球的中 央通孔軸線成45°角，或閥座的球密封面可以預制成與閥座同軸的并與所述球相截的90°錐 面或預制成所述90°錐面截出來的所述球的弧面；所述球密封玄長和輪廓線交點位置由閥座 材料許用強度及需要的閥座抗干擾系數(shù)m確定。上述以等邊三角形為截面成分的固定閩座僅僅避免了閥座的通道裸露，并未避免閥座的 中腔裸露。為同時避免球閥座的通道裸露和中腔棵露，本發(fā)明提出一種以等邊三角形為截面輪廓的浮動球閥用固定閥座(參見圖9a),其特征是所述固定閥座由有配合的內(nèi)密封環(huán)(簡稱內(nèi) 環(huán))和外支承環(huán)(簡稱外環(huán))兩件組合而成，所述內(nèi)環(huán)以等邊三角形ABC為截面輪廓，其邊AB 是固定閥座的球密封玄，其邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是固定閥座的端密封面，其邊CA的回轉(zhuǎn)形成 面是內(nèi)環(huán)的受支承面；所述外環(huán)的截面為梯形，以梯形高為母線的柱面是固定閥座的柱面并 與閥體上的閥座接納孔為間隙配合，以梯形斜腰為母線的錐面是對所述內(nèi)環(huán)的支承面；開關(guān) 球，在介質(zhì)壓力的作用下，同時壓在相互支承的所述內(nèi)環(huán)和外環(huán)上，使其相互爭搶相互保護 地受壓；所述內(nèi)環(huán)材料強度低于外環(huán)材料強度。如圖9b所示，介質(zhì)對開關(guān)球的推力 (nDs2p/4=)Fs=Fcosa+Fsinp (由內(nèi)環(huán)承擔Fcosa，由外環(huán)承擔Fsinp,其中F是內(nèi)環(huán)面上受到 的正壓力，a=45°, p=15°, p是介質(zhì)壓強，Ds是座的球作用直徑)，而內(nèi)環(huán)和外環(huán)徑向受到 的總正壓力為Fs/cosa,內(nèi)環(huán)徑向受到的正壓力僅為F，因此，以等邊三角形為截面輪廓的雙 環(huán)固定閥座的密封材料的承載能力是單環(huán)閥座材料的(Fs/cosa)/F=l+sine/cosa=1.366倍。 實際上，本發(fā)明的內(nèi)環(huán)用兩面、而單環(huán)閥座只用一面承受開關(guān)球的壓力，因此，不難理解， 以等邊三角形為截面輪廓的固定閥座的承載能力是單環(huán)閥座的1.366倍。加之，內(nèi)密封環(huán)， 幾乎在封閉腔中受壓，就象密閉在油缸中的液壓油一樣，既難于發(fā)生壓縮變形又難于發(fā)生縫 隙擠出流動變形或被擠"破"，還無爬行變形，擁有比材料本身的許用承載能力更高的承載能 力，所以，本發(fā)明的復合閥座可確保使用密封性能優(yōu)異的軟材料于很高壓力極限，并獲得更 長壽命和更高可靠性。高壓應用，要求高強度非金屬和金屬材料閥座；高溫應用，要求金屬材料閥座。為了提 髙高強度材料閥座、特別是金屬材料閥座對開關(guān)球的密封性和降低開關(guān)球的轉(zhuǎn)動操作力矩， 特提出 一種以等邊三角形為截面要素的浮動球閥用硬固定閥座(參見圖7a和7c),其特征是閥 座截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的邊AB的回轉(zhuǎn)形成面是座的球密封錐面，邊BC的投影邊或投 影延長邊回轉(zhuǎn)形成面是座的原始端密封面，邊CA的投影邊回轉(zhuǎn)形成面是座的原始柱支承面； 在所述回轉(zhuǎn)形成的原始閥座基礎(chǔ)上，根據(jù)賦予所述閥座的彈性變形需要，同時部分車切小和 車切短所述原始柱支承面和端密封面地使所述原始柱支承面變成一臺階柱面，并使新車出的 柱面和端面相貫圓隨車切量加大而沿所述三角形的高離開所述三角形的頂點C，必要時再車 切一個底面與所述相貫圓相切并平行于所述球密封錐面的環(huán)形凹槽；在所述球密封錐面上有 兩個相對其AB部分對稱的由凹切錐面形成的鋸齒環(huán)，所述凹切錐面平行所述球密封錐面、 并差Zt才與通過所述鋸齒環(huán)頂?shù)拈_關(guān)球面相切，即相對開關(guān)球面所述鋸齒環(huán)高Zt;在所述車 切小和車切短的最終端密封面上可制至少兩個齒高為Zt的鋸齒環(huán)也可不制，如果不制，則需 要一個與切除部分形狀和體積相當?shù)能浢芊鈮|。鋸齒環(huán)的齒頂皆為刃，刃尖角或齒頂角約為 90°~120°,齒高Zt約為10 20倍密封表面粗糙度Ra值，齒距Xs/齒髙Zt約為20~500(對應 輪廓元較寬的表面粗糙度和輪廓元較窄的表面波紋度的輪廓元寬度Xs/高度Zt),確保變形密 封刃后面緊跟一個逼近球面或平面的受力保護面，保護密封接觸面中始終有線接觸，因此， 可輕松實現(xiàn)對精加工表面的密封，無需任何研磨加工。齒高Zt決定線接觸的變形量，齒距Xs/ 齒髙Zt決定線后跟面的速度或決定對線接觸的提供和保護程度。對同一個密封面而言，如果 取較小的齒距Xs/齒高Zt值，則分攤力的齒數(shù)多，單齒線后跟面的速度慢；如果取較大值， 則分攤力的齒數(shù)少，單齒線后跟面的速度快；雖然齒多齒少的單齒線后跟面的速度不一樣， 但總的線后跟面的速度有可能還是大體一樣，或總的密封效果有可能還是大體一樣；如果線 后跟面的速度不一樣，則速度快的，密封接觸面積大，接觸應力小，致轉(zhuǎn)動阻力和密封性同 時下降，反之亦然。還提出一種以等邊三角形為截面成分的浮動球閥用硬固定閥座(參見圖8a和8c),其特征 是閥座截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的邊AB的回轉(zhuǎn)形成面是座的球密封錐面，邊BC的回轉(zhuǎn)形 成面是座的原始端密封面，邊CA的投影邊回轉(zhuǎn)形成面是座的原始柱支承面；在所述回轉(zhuǎn)形 成的原始閥座基礎(chǔ)上，根據(jù)賦予所述閥座的彈性變形需要，同時部分車切小和車切短所述原 始柱支承面和端密封面地使所述原始柱支承面變成一臺階柱面，并使新車出的柱面和端面相 貫圓隨車切量加大而沿所述三角形的高離開所述三角形的頂點C,必要時再車切一個底面與所述相貫圓相切并平行于所述球密封錐面的環(huán)形凹槽；在所述球密封錐面上有兩個相對其AB 部分對稱的由凹切錐面形成的鋸齒環(huán)，所述凹切錐面平行所述球密封錐面、并差Zt才與通過 所述鋸齒環(huán)頂?shù)拈_關(guān)球面相切，即相對開關(guān)球面所述鋸齒環(huán)高Zt;在所述車切小和車切短的 最終端密封面上可制至少兩個齒高為Zt的鋸齒環(huán)也可不制，如果不制，則需要一個與切除部 分形狀和體積相當?shù)能浢芊鈮|。鋸齒環(huán)的齒頂皆為刃，刃尖角或齒頂角約為90°~120°，齒 高Zt約為10 20倍密封表面粗糙度Ra值，齒距Xs/齒高Zt約為20 500(對應輪廓元較寬的 表面粗糙度和輪廓元較窄的表面波紋度的輪廓元寬度Xs/高度Zt),確保變形密封刃后面緊跟 一個逼近球面或平面的受力保護面，保護密封接觸面中始終有線接觸，因此，可輕松實現(xiàn)對 精加工表面的密封，無需任何研磨加工。齒高Zt決定線接觸的變形量，齒距Xs/齒髙Zt決定 線后跟面的速度或決定對線接觸的提供和保護程度。對同一個密封面而言，如果取較小的齒 距Xs/齒髙Zt值，則分攤力的齒數(shù)多，單齒線后跟面的速度慢；如果取較大值，則分攤力的 齒數(shù)少，單齒線后跟面的速度快；雖然齒多齒少的單齒線后跟面的速度不一樣，但總的線后 跟面的速度有可能還是大體一樣，或總的密封效果有可能還是大體一樣；如果線后跟面的速 度不一樣，則速度快的，密封接觸面積大，接觸應力小，致轉(zhuǎn)動阻力和密封性同時下降，反 之亦然。還提出一種以等邊三角形為截面輪廓的浮動球閥用硬固定閥座(參見圖9a和9e)，其特 征是所述固定閥座由有配合的內(nèi)密封環(huán)(簡稱內(nèi)環(huán))和外支承環(huán)(簡稱外環(huán))兩件組合而成，所述 內(nèi)環(huán)以等邊三角形ABC為截面輪廓，其邊AB的回轉(zhuǎn)形成面是固定閥座的球密封錐面，邊BC 的回轉(zhuǎn)形成面是固定閥座的原始端密封面，邊CA的回轉(zhuǎn)形成面是內(nèi)環(huán)的原始受支承面；所 述外環(huán)的截面為梯形，以梯形髙為母線的柱面是固定閥座的柱面并與闊體上的閩座接納孔為 間隙配合，以梯形斜腰為母線的錐面是對所述內(nèi)環(huán)的支承面；開關(guān)球，在介質(zhì)壓力的作用下， 同時壓在相互支承的所述內(nèi)環(huán)和外環(huán)上，使其相互爭搶相互保護地受壓；所述內(nèi)環(huán)材料強度 低于外環(huán)材料強度；在所述回轉(zhuǎn)形成的原始內(nèi)環(huán)基礎(chǔ)上，根據(jù)賦予所述內(nèi)環(huán)的彈性變形需要， 同時部分車切小和車切短所述原始受支承面和端密封面地形成一柱面和一端面，并使新車出 的柱面和端面相貫圓隨車切量加大而沿所述三角形的高離開所述三角形的頂點C,必要時再 車切一個底面與所述相貫圓相切并平行于所述球密封錐面的環(huán)形凹槽；在所述球密封錐面上 有兩個相對其AB部分對稱的由凹切錐面形成的鋸齒環(huán)，所述凹切錐面平行所述球密封錐面、 并差Zt才與通過所述鋸齒環(huán)頂?shù)拈_關(guān)球面相切，即相對開關(guān)球面所述鋸齒環(huán)髙Zt;在所述車 切小和車切短的最終端密封面上可制至少兩個齒高為Zt的鋸齒環(huán)也可不制，如果不制，則需 要一個與切除部分形狀和體積相當?shù)能浢芊鈮|。鋸齒環(huán)的齒頂皆為刃，刃尖角或齒頂角約為 90°~120°，齒高Zt約為10 20倍密封表面粗糙度Ra值，齒距Xs/齒高Zt約為20~500(對應 輪廓元較寬的表面粗糙度和輪廓元較窄的表面波紋度的輪廓元寬度Xs/高度Zt)，確保變形密 封刃后面緊跟一個逼近球面或平面的受力保護面，保護密封接觸面中始終有線接觸，因此， 可輕松實現(xiàn)對精加工表面的密封，無需任何研磨加工。齒高Zt決定線接觸的變形量，齒距Xs/ 齒髙Zt決定線后跟面的速度或決定對線接觸的提供和保護程度。對同一個密封面而言，如果 取較小的齒距Xs/齒髙Zt值，則分攤力的齒數(shù)多，單齒線后跟面的速度慢；如果取較大值， 則分攤力的齒數(shù)少，單齒線后跟面的速度快；雖然齒多齒少的單齒線后跟面的速度不一樣， 但總的線后跟面的速度有可能還是大體一樣，或總的密封效果有可能還是大體一樣；如果線 后跟面的速度不一樣，則速度快的，密封接觸面積大，接觸應力小，致轉(zhuǎn)動阻力和密封性同 時下降，反之亦然。如圖10所示，現(xiàn)有技術(shù)的浮動閥座，由密封環(huán)02a、支承環(huán)02b、 O型密封環(huán)02c和預 載彈簧02d組成，始終有一個難達高溫要求的O型密封圈，幾乎導致軸耳固定球閥與髙溫用 金屬閥座結(jié)構(gòu)無緣。對現(xiàn)有技術(shù)浮動閥座，當介質(zhì)壓力大到一定程度時，預載彈簧02d將失 去對支承環(huán)02b的作用；在預載彈簧失去作用的介質(zhì)壓力下，由于閥座的介質(zhì)密封作用面積
始終等于閥座的介質(zhì)去密封作用面積ApnD。V4-nDi2/4,即閩座的前后介質(zhì)作用面積相等(后 介質(zhì)作用面積為介質(zhì)密封作用面積，前介質(zhì)作用面積為介質(zhì)去密封作用面積)，亦即閥座的抗 干擾系數(shù)m始終為l，因此，上游閥座在受到干擾而脫離同開關(guān)球的密封接觸后，又可被預 載彈簧再推向開關(guān)球，乃至導致浮動閥座和開關(guān)球在轉(zhuǎn)動操作時產(chǎn)生來回振動。為避免操作 振動，只能使閥座的彈簧預載力大于極限介質(zhì)密封作用力(等于提高閥座的抗干擾系數(shù))，結(jié) 果導致密封環(huán)和開關(guān)球始終受極限壓力，致使密封材料的爬行變形最大化，致使開關(guān)球的轉(zhuǎn) 動阻力始終最大化。為改善球閥用浮動閥座的性能，特提出一種以等邊三角形為截面輪廓的固定球閥用浮動 閥座(參見圖ll)，其特征是所述閥座由密封環(huán)、支承環(huán)、壓緊環(huán)、密封墊和預載彈簧組成； 所述密封環(huán)是閥座的浮動密封元，以等邊三角形ABC為截面輪廓，其邊AB所對的弧回轉(zhuǎn)形 成面是閥座的球密封面，其邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是所述密封環(huán)的受壓緊面，其邊CA的回轉(zhuǎn)形 成面是所述密封環(huán)的受支承面；所述支承環(huán)通過螺紋和所述密封墊完成同閥體端蓋的緊固和 密封連接后，負責對所述受支承面提供密封支承；所述預載彈簧，通過所述壓緊環(huán)，對所述 密封環(huán)施加初始密封壓緊力；介質(zhì)壓力，可通過也可不通過所述壓緊環(huán)，對所述密封環(huán)施加 密封壓緊力。如果受壓緊面與壓緊面間有密封性，則介質(zhì)只能通過壓緊環(huán)地間接壓密封環(huán)； 如果受壓緊面與壓緊面間無密封性，則介質(zhì)可自由進入接觸面而直接壓密封環(huán)。介質(zhì)直接壓 密封環(huán)，無摩擦損失，介質(zhì)作用力效率更高。為進一步突破軸耳固定球閥的高溫和高壓應用限制，特再提出一種以等邊三角形為截面 輪廓的固定球閥用硬浮動閥座(參見圖lla和llh)，其特征是所述閥座由密封環(huán)、支承環(huán)、 壓緊環(huán)、密封墊和預載彈簧組成；所述密封環(huán)是閥座的浮動密封元，以等邊三角形ABC為截 面輪廓，其邊AB的回轉(zhuǎn)形成面是閩座的球密封錐面，其邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是所述密封環(huán)的 原始受壓緊面，其邊CA的回轉(zhuǎn)形成面是所述密封環(huán)的原始受支承面；在所述回轉(zhuǎn)形成的原 始密封環(huán)的基礎(chǔ)上，根據(jù)賦予所述密封環(huán)的彈性變形需要，同時部分車切小和車切短所述原 始受壓緊面和受支承面地形成一柱面和一端面，并使新車出的柱面和端面相貫圓隨車切量加 大而沿所述三角形的髙離開所述三角形的頂點C,必要時再車切一個底面與所述相貫圓相切 并平行于所述球密封錐面的環(huán)形凹槽；在所述球密封錐面上有兩個相對其AB部分對稱的由 凹切錐面形成的鋸齒環(huán)，所述凹切錐面平行所述球密封錐面、并差Zt才與通過所述鋸齒環(huán)頂 的開關(guān)球面相切，即相對開關(guān)球面所述鋸齒環(huán)高Zt;在所述車切小和車切短的最終受支承面 上可制至少兩個齒高為Zt的鋸齒環(huán)也可不制，如果不制，則需要一個與切除部分形狀和體積 相當?shù)能浢芊鈮|。鋸齒環(huán)的齒頂皆為刃，刃尖角或齒頂角約為90°~120°，齒高Zt約為10 20 倍密封表面粗糙度Ra值，齒距Xs/齒高Zt約為20 500(對應輪廓元較寬的表面粗糙度和輪廓 元較窄的表面波紋度的輪廓元寬度Xs/高度Zt),確保變形密封刃后面緊跟一個逼近球面或平 面的受力保護面，保護密封接觸面中始終有線接觸，因此，可輕松實現(xiàn)對精加工表面的密封， 無需任何研磨加工。齒高Zt決定線接觸的變形量，齒距Xs/齒高Zt決定線后跟面的速度或決 定對線接觸的提供和保護程度。對同一個密封面而言，如果取較小的齒距Xs/齒髙Zt值，則 分攤力的齒數(shù)多，單齒線后跟面的速度慢；如果取較大值，則分攤力的齒數(shù)少，單齒線后跟 面的速度快；雖然齒多齒少的單齒線后跟面的速度不一樣，但總的線后跟面的速度有可能還 是大體一樣，或總的密封效果有可能還是大體一樣；如果線后跟面的速度不一樣，則速度快 的，密封接觸面積大，接觸應力小，致轉(zhuǎn)動阻力和密封性同時下降，反之亦然。所述支承環(huán) 通過螺紋和所述密封墊完成同閥體端蓋的緊固和密封連接后，負責對所述受支承面提供密封 支承；所述預載彈簧，通過所述壓緊環(huán)，對所述密封環(huán)施加初始密封壓緊力；介質(zhì)壓力，可 通過也可不通過所述壓緊環(huán)，對所述密封環(huán)施加密封壓緊力。如果受壓緊面與壓緊面間有密 封性，則介質(zhì)只能通過壓緊環(huán)地間接壓密封環(huán)；如果受壓緊面與壓緊面間無密封性，則介質(zhì) 可自由進入接觸面而直接壓密封環(huán)。介質(zhì)直接壓密封環(huán)，無摩擦損失，介質(zhì)作用力效率更髙。如圖lla所示，以等邊三角形為截面輪廓的浮動閥座，由于其介質(zhì)密封作用面積 As=nD。2/4-nDi2/4,其介質(zhì)去密封作用面積Au=nDu2/4-nDi2/4,即其閥座的抗干擾系數(shù)m:As/A(D-D (D-D。対(因為D0>DU),因此，比圖10所示的現(xiàn)有技術(shù)的浮動閥座，不僅 避免了O形密封環(huán)的使用，而且因有更高的抗干擾能力而可用較低的彈簧壓緊力，既能降低 開關(guān)球的操作轉(zhuǎn)動力矩又不致引發(fā)操作振動。以等邊三角形為截面輪廓的浮動閥座，其支承環(huán)既方便選用適合金屬-金屬密封的材料制 造又方便安裝調(diào)整到同開關(guān)球達到似接觸非接觸的狀態(tài)，因此，其對應的開關(guān)球，除可通過 包括閥桿作軸的軸耳來固定外，還可通過其支承環(huán)來固定。如果浮動閥座對應的開關(guān)球通過 閥座的支承環(huán)來固定，則開關(guān)球也需要微微浮動——開關(guān)球微微浮向下游閥座的支承環(huán)口實 現(xiàn)一次密封，上游閥座浮向開關(guān)球?qū)崿F(xiàn)二次密封。這樣的閥座和開關(guān)球同時浮動的球閥，既 可提供更可靠的開關(guān)密封性又可達到雙斷又泄(DBB)要求。這樣的座和球都浮動的球閥最適合 提供金屬閩座球閥。由于球閥座的任務是要完成開關(guān)球與閩體的對接和密封，而球閥座對開關(guān)球的密封錐面 或密封基面又與閥座和閥體的安裝加工方向成45°，因此，球閥座至少有也可只有三個互成 角度的表面 一個對開關(guān)球的密封面、 一個對閥體的密封面和一個求閥體的力平衡支承面； 如果只有這三個表面，則意味著球閥座是無表面裸露的并以三角形為截面；而如果無表面裸 露，則密封性能優(yōu)異的軟閥座，可象密閉在油缸中壓縮的液壓油一樣，既難于發(fā)生壓縮變形 又難于發(fā)生縫隙擠出流動變形或被擠"破"，還無爬行，擁有比材料本身的許用承載能力更高 的承載能力，可達到很高壓力應用極限、更長壽命和更高可靠性；而如果以等邊三角為截面， 則三面相等受力和不等受力面積(因回轉(zhuǎn)半徑差異)正好理想地滿足各面不等應力的需要應 力稍大的球密封面正好滿足其對球的動密封，應力稍小的體密封面正好滿足其對體的靜密封， 應力再稍小的支承面正好滿足其在支承環(huán)上的滑動；再者，只有等邊三角截面才能避免閥座 出現(xiàn)薄弱尖角；因此，理論上，球閩座應盡可能是無表面裸露的并以等邊三角形為截面；所 以，本發(fā)明的以等邊三角形為截面輪廓的球閩座是按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)的最理想的球閥座， 以等邊三角形為截面成分的球閥座是按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)的逼近等邊三角截面的次廉價理 想球閥座，以等邊三角形為截面要素的球閥座是按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)的次逼近等邊三角截 面的最廉價理想球閥座。由于可用不同強度的密封材料滿足不同壓力級別閥座的需要，可用不同齒距的微觀鋸齒 密封結(jié)構(gòu)調(diào)整不同強度材料閥座的安裝力，還可保持閥座外徑不變地微調(diào)截面結(jié)構(gòu)三角形邊 長地調(diào)整不同強度材料閥座的安裝壓縮量，還可部分切除閥座后部地賦予高強度閥座材料的 彈性和安裝壓縮量，因此，無論是非金屬還是金屬閥座，無論是浮動球閥用固定閥座還是固 定球閥用浮動閥座，對于同尺寸規(guī)格和不同壓力級別的各種閥座，都可用同一個結(jié)構(gòu)三角形 來結(jié)構(gòu)。所以，按本發(fā)明的等邊三角截面法結(jié)構(gòu)球閥座，可統(tǒng)一同尺寸規(guī)格的各種閥座的體 上安裝結(jié)構(gòu)尺寸和相關(guān)開關(guān)球的結(jié)構(gòu)尺寸，有效促進球閥的標準化生產(chǎn)。例如，對于用等邊 三角截面法結(jié)構(gòu)的抗干擾系數(shù)m=2的單環(huán)球閥座，lOMPa級的閥門可用33MPa強度的聚四 氟乙烯(PTFE), 15MPa級的閥門可用45MPa強度的聚甲醛(POM)，25MPa級的閥門可用90MPa 強度的聚醚醚酮(PEEK), 42MPa級的閥門可用207MPa強度的聚對苯(PPP)。特別指出，對于抗干擾系數(shù)01=1的浮動閥座，在干擾消除后介質(zhì)不能自動恢復閥座同球 的密封，但可靠預載彈簧自動恢復閥座同球的密封；對于抗干擾系數(shù)巾>1的浮動閥座，只要 預載彈簧能為密封環(huán)的受支承面提供一點所需的初始密封，則在干擾消除后介質(zhì)就可自動恢 復閥座同球的密封；對于固定閩座，因干擾而剝離同閥座親密接觸的浮動球無力自動恢復同 固定閥座的密封(只能永遠漂浮在閥座間)，因此，固定閥座需要比浮動閥座具有更大的抗干 擾系數(shù)；理論計算證實，現(xiàn)有技術(shù)浮動閥座的抗干擾系數(shù)m只能是l;實際計算證實，用抗 干擾系數(shù)m-2的固定閥座密封環(huán)作浮動閥座密封環(huán)，其抗干擾系數(shù)m只能是^";然而，固 定閥座的抗干擾系數(shù)是可按需指定的，而介質(zhì)通過開關(guān)球?qū)潭ㄩy座產(chǎn)生的密封作用力又大 于介質(zhì)通過浮動座對開關(guān)球產(chǎn)生的密封作用力，因此，許用應力和抗干擾系數(shù)滿足固定閥座 要求的三角密封環(huán)，也能滿足浮動閥座的要求。所以，可用固定閥座的結(jié)構(gòu)三角形，結(jié)構(gòu)同 規(guī)格的浮動閥座，統(tǒng)一浮動閥座和固定閥座的基本結(jié)構(gòu)。
由于浮動球閥的開關(guān)密封不是靠阓座對球的安裝夾持力就是靠開關(guān)球的浮動壓緊力維持，不可能靠二者同時起作用，甚至抗干擾系數(shù)還決定其不能一先一后起作用；而如果靠閥 座對球的安裝夾持力維持，則閥座材料磨損后或經(jīng)裸露面爬行變形和擠出流動變形后，閥門 的關(guān)閉密封將立即失效；而如果靠開關(guān)球的浮動壓緊力維持，則閥座材料的磨損或經(jīng)裸露面 的爬行變形和擠出流動變形將不影響閥門的關(guān)閉密封；再由于本發(fā)明的等邊三角截面結(jié)構(gòu)法 可確保開關(guān)球靠其浮動推力維持關(guān)閉密封，因此，按等邊三角截面法結(jié)抅球閥座，可使浮動 球閩座的使用壽命從"有限"到"無限"。浮動球閥座的使用壽命理應是"無限"的，而現(xiàn)有 技術(shù)的浮動球閥座的使用壽命，如US20030111631 (典型的形式浮動球閥)所示，是十分有限 的，因此，可以說，現(xiàn)有技術(shù)的浮動球閥不是真浮動球閥。由于按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)固定閥座，可確保浮動球閥靠介質(zhì)對球的推力而不靠閥座對 球的安裝夾持力實現(xiàn)開關(guān)密封，因此，座對球的安裝夾持力可小至忽略不計，乃至關(guān)閉狀態(tài) 中的球始終浮壓在下游閥座上，球的轉(zhuǎn)動阻力僅來自下游閥座單座，最大值為極限壓力時的 球在下游座上的壓力對應的轉(zhuǎn)動摩擦阻力；如果按現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計，則浮動球閥只能靠比介質(zhì) 對球的極限推力還大的閥座對球的安裝夾持力實現(xiàn)開關(guān)密封，因此，最大操作轉(zhuǎn)矩由更大的 雙座對球的安裝夾持力偶的摩擦阻力產(chǎn)生；所以，簡單地說，按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)浮動球 閥，開關(guān)球的最大操作力矩，可至少比現(xiàn)有技術(shù)的最大操作力矩降低一半。由于以等邊三角形為截面要素和截面成分設(shè)計的球閥座，可以避免不必要的表面裸露， 最大限度地避免閥座材料的爬行變形(密封應力松弛)(蠕變)或擠出流動變形；以等邊三角形為 截面輪廓的球閥座，可將閥座封閉到相當程度地壓縮，就象將液壓油密閉在油缸中壓縮一樣， 既難于發(fā)生壓縮變形又難于發(fā)生縫隙擠出流動變形或被擠"破"，還無爬行變形，擁有比材料 本身的許用承載能力更高的承載能力；因此，按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)的球閥座可確保使用密 封性能優(yōu)異的軟材料于很高壓力極限，并獲得更長壽命和更高可靠性。由于按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)固定閥座，可以大幅降低浮動球閥的極限搡作力矩和大幅提 高閥座材料的許用強度，因此，可在更大的范圍內(nèi)，用廉價可靠的浮動球閥替代昂貴的軸耳 固定球閥。特別指出，"微觀線后跟面中線接觸"或微觀鋸齒接觸密封結(jié)構(gòu)，可有效以刃線接觸提供 材料所必須的密封應力，以刃后面接觸保證材料所必須的許用應力，既能始終提供密封所需 的足夠變形又能始終確保刃線不至于被壓壞，既能提高閥座對開關(guān)球的密封性又能降低閥座 對球的安裝夾持力或預壓力、降低操作轉(zhuǎn)動力矩，不僅適合做高強度材料的密封結(jié)構(gòu)也適合 做低強度材料的密封結(jié)構(gòu)，例如，將閥座的開關(guān)球用密封面預制成90。錐面而不預制成球面， 則可以線接觸開始地滿足低壓密封要求、以自動變形球面接觸隨后地滿足高壓密封要求，避 免閥座無謂受壓蠕變；但是，只有按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)球閥座，才能確保其對球的安裝夾 持力和預壓力可小到有線接觸生存余地；所以，可以說，球閥座的等邊三角截面結(jié)構(gòu)法與"微 觀線后跟面中線接觸"結(jié)構(gòu)法，是相互支承和依賴的。在球閥的閥體中腔內(nèi)，因開啟或關(guān)閉會陷入介質(zhì)，而陷在閥體中腔內(nèi)的介質(zhì)會受熱膨脹 而滋生高壓，因此，IS014313/API6D規(guī)定，球閥中腔應有自動卸壓裝置，保證中腔相對大 氣的陷壓強度不超過1.33倍額定工作壓力強度。如圖5a所示，浮動球閥中腔相對大氣(即 Ws-O時)的陷壓強度是由閥座對球的安裝夾持力W2的強度決定的，如圖10和lla所示，固 定球閥中腔相對大氣(即端口通大氣時)的陷壓強度是由閥座對球的彈簧壓緊力強度決定的； 座對球的安裝夾持力或彈簧壓緊力強度越大，球閥中腔相對大氣的陷壓能力就越強，或者說， 球閥中腔的陷壓高低是座對球的安裝夾緊程度標志；因此，降低閥座對球的安裝夾持力或彈 簧壓緊力是解決球閥中腔陷壓的根本手段。為維持現(xiàn)有技術(shù)浮動球閥的關(guān)閉密封，如圖5所示，需要W2(閥座對球的安裝夾持力)二 m(Ae+Ac)p (m倍座的介質(zhì)去密封力)，即需要W2的強度等于m倍介質(zhì)壓力強度p,而標準 規(guī)定球間的關(guān)閉密封必須通過1.1倍額定工作壓力強度測試，因此，為通過測試，現(xiàn)有技術(shù) 的固定閥座對球的安裝夾持力W2的強度至少需要l.lm倍額定介質(zhì)壓力強度；同樣，現(xiàn)有技
術(shù)浮動閥座對球的彈簧壓緊力強度也至少需要l.lm倍額定介質(zhì)壓力強度；所以，不難理解， 現(xiàn)有技術(shù)球閥都是中腔至少可陷l.l倍額定工作壓力強度的球閥，IS014313/API6D也就有 富余地規(guī)定球閥中腔相對大氣的陷壓強度極限為1.33倍額定工作壓力強度。由于本發(fā)明的球閥座是按等邊三角截面法設(shè)計的，無論是固定閥座還是浮動閥座，都可 確保開關(guān)密封不靠閥座對球的安裝夾持或彈簧壓緊維持，而"微觀線后跟面中線接觸"密封 結(jié)構(gòu)又能確保無論什么材料質(zhì)的閥座都可用較小的安裝夾持力或彈簧壓緊力提供所必需的初 始密封應力，因此，固定閥座對球的安裝夾持力強度和浮動閥座對球的彈簧壓緊力強度可以 很低——實驗證實，幾乎不會超出數(shù)巴(Bar)或不超出閥門額定工作壓力強度的1/15;也就是 說，按本發(fā)明的球閥，其中腔相對大氣的陷壓不會超出閥門額定工作壓力強度的1/15,根本 無需考慮球閥中腔的陷壓問題。所以，按照本發(fā)明，ISO 14313/API 6D關(guān)于球閥中腔的泄壓要求是多余的；根據(jù)ISO 14313/API6D關(guān)于球閥中腔的泄壓規(guī)定可斷定，現(xiàn)有技術(shù)的浮動球閥只不過是一種結(jié)構(gòu)似球 浮動的形式浮動球閥；可以說，凡是中腔陷1.1倍額定工作壓力強度不泄的球閥都是現(xiàn)有技 術(shù)的球閥，凡是中腔陷顯著低于額定工作壓力強度的球閥都是本發(fā)明的球閥。


圖la和圖2a是同一個分別處在全開和全閉狀態(tài)的普通浮動球閥，由閥座02負責提供 開關(guān)球03在閥體01中的安裝對接、轉(zhuǎn)動支承和關(guān)閉密封，由體端蓋05與閩體的螺紋連接 負責提供開關(guān)球和閥座在閥體中的安裝緊固，由體密封墊04負責提供閥體連接的密封，由閥 桿06負責提供開關(guān)球的轉(zhuǎn)動操作，由一套閥桿密封總成負責提供閥桿的密封。其中閥座02 是符合本發(fā)明的以等邊三角形為截面要素的固定閥座。由于本發(fā)明僅涉及用不同截面的閥座實現(xiàn)開關(guān)球在閥體中的安裝對接、轉(zhuǎn)動支承及關(guān)閉 密封，因此，只需用一些與圖la和圖2a相對應的僅涉及閥體01、閥座02和開關(guān)球03的 局部視圖或局部放大視圖，就可足以對普通業(yè)內(nèi)技術(shù)人員清楚表達本發(fā)明的各種技術(shù)方案， 包括清楚表達軸耳固定球閥中的浮動閥座方案。為便于各視圖的理解，特在相關(guān)視圖中加注 "中腔"作方位標志。圖lb是圖la的A-A局部剖面視圖，圖2b是圖2a的B-B局部剖面視圖，用于結(jié)合困 la和圖2a充分展示球閥的全開和全閉，以備用局部視圖披露不同截面的閥座結(jié)構(gòu)。圖2b的 虛線不是圖2a中的隱藏結(jié)構(gòu)線，是指閥座尺寸超出圖6a所示的A'B"界限時會出現(xiàn)的不理想情況。圖3與圖2b對應，圖2b所示為閥門全閉時的座02與球03,圖3所示為閥門快打開瞬 間的座02與球03,圖4a和4b是圖3的Y'局部放大視圖，圖4a中的閥座端密封面和閥座 內(nèi)徑是由截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的點B決定的，圖4b中的閩座端密封面和閩座內(nèi)徑是由 截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的AB延長點E決定的。相對而言，圖4a的閥座02無延長段BE， 在閥快打開瞬間，介質(zhì)就有可能進入未充分壓緊的閥座端密封面而將閥座材料擠入開關(guān)球的 通孔口內(nèi)地致閥座損壞；圖4b閥座02有延長段BE，在閥快打開瞬間的延長段BE上的介質(zhì) 壓力就會阻止介質(zhì)進入閥座端密封面而不致擠閎座入開關(guān)球的通孔口內(nèi)。圖5a是從圖2a中取出來的閥座02和開關(guān)球03,圖5b是圖5a的Z局部放大視圖，圖 中p-閥中介質(zhì)壓強，W2-座對球的安裝夾持力(代表圖2a中的閥體01), Ws-球的浮動密封 力(介質(zhì)對球的推力)Asp， A^球的介質(zhì)作用面積(直徑Ds對應圓面積)，Ae-座的中腔裸露面 積(裸露環(huán)的流通面積)，Ac-座的球覆蓋面積(覆蓋環(huán)的流通面積)，Ds-座的球作用直徑，D0= 座外徑，Df座內(nèi)徑，De二座的通道裸露環(huán)流通面積Aep對應直徑；其中，被球覆蓋的閥座流 通面積Ac是干擾拾起面積，包括與球接觸和不接觸兩部分，與球接觸部分承擔密封載荷但拾擾，與球不接觸部分Aep既不承擔密封載荷還拾擾，應嚴格控制。按照本發(fā)明，如圖5b所示，閥座直徑Ds、 D。和Di及相關(guān)流通面積As、 Ae和Ac隨截面 結(jié)構(gòu)等邊三角形的大小和方位而定，并決定閥座對球的密封性或抗干擾系數(shù)m=Asp/(Ae+Ac)p (m-介質(zhì)對球的推力/介質(zhì)對座的推力)<formula>formula see original document page 16</formula>如圖5a所示，當W^W2時，下游閥座與開關(guān)球間的作用力是W"此時的Ws至多是全部取 代上游閥座對球的安裝夾持力W2，并不增加開關(guān)球與下游閥座間的作用力)，當WpW2時，下游閥座與開關(guān)球間的作用力是Ws而不是W2(此時的W2已被Ws全部取代)。也就是說，對于浮動球閥，開關(guān)球與閥座間的密封作用力不是W2就是Ws,或者說，浮動球閥的開關(guān)密封不是靠閥座對球的安裝夾持力W2就是靠開關(guān)球的浮動密封力Ws實現(xiàn)，不可能靠二者同時起作用。但無論哪個起作用，根據(jù)美國《ASME鍋爐與壓力容器法規(guī)VIII卷1冊附錄2》的基 本理念，二者都必須是m倍座的介質(zhì)去密封力(介質(zhì)對座的推力)，即W2和Ws都必須等于 m(Ae+Ac)p,浮動球閥才能實現(xiàn)可靠密封。所以，球閥座的設(shè)計在于對閥座截面結(jié)構(gòu)等邊三 角形設(shè)計。圖6a和6b是本發(fā)明的閥座截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的設(shè)計說明圖，圖6b是圖6a的X' 局部放大視圖。開關(guān)球03的中央通孔直徑Dn是由相關(guān)閩門標準給定的，開關(guān)球端面球小圓 直徑d'是根據(jù)球孔口強度參數(shù)"孔口壁厚/孔口直徑"由設(shè)計給定的，可按d'-1.04Dn給定; 在已知d'后，根據(jù)設(shè)計需要m值的對應角ao，按d二d'/sinao給定開關(guān)球大圓直徑d—理論 上ao準確對應m，實際計算證明，巾=2對應00=38°, m=1.8對應a0=37。， m=1.5對應 a0=35.5°;然后，按線段d'、圓d'和圓d畫圖確定截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的基準邊圖A'B'; 最后，根據(jù)圖A'B',畫圖確定截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的邊圖AB (使AB與A'B'平行對稱地 在d圓上，對應邊長a=0.9a')。不難看出，截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的方位角0=45°是由直 徑為d'的圓切線段r'和圓半徑r'確定的。圖7a(圖la的X局部放大視圖)，是按本發(fā)明的以等邊三角形為截面要素的固定閥座02 與開關(guān)球03和閥體01的局部對接視圖，圖7b是從圖7a中取出的固定閥座02的截面局部 視圖，圖7c是圖7b示閥座的替代閥座的截面局部視圖，圖7d是圖7c的端密封面上的鋸齒 環(huán)m和F的夸大畫視圖，圖7e是圖7c的球密封錐面AB上的鋸齒環(huán)刃a'及b'的局部放大視 圖。圖7b示截面適合于低強度材料，圖7c示截面適合于高強度材料。圖8a(對應圖la的X局部放大視圖)，是按本發(fā)明的以等邊三角形為截面成分的固定閥 座02與開關(guān)球03和閥體01的局部對接視圖，圖8b是從圖8a中取出的固定閥座02的截面 局部視圖，圖8c是圖8b示閩座的替代閥座的截面局部視圖，圖8c的端密封面上的鋸齒環(huán)見 圖7d的夸大畫m和F，圖8c的球密封錐面AB上的鋸齒環(huán)刃a'及b'見圖7e的局部放大視 圖。圖8b示截面適合于低強度材料，圖8c示截面適合于高強度材料。圖9a(對應圖la的X局部放大視圖)和圖9b(對應圖2b的Y局部放大視圖)，是按本發(fā)明 的以等邊三角形為截面輪廓的固定閥座02(由有配合的內(nèi)密封環(huán)02a和外支承環(huán)02b組合而 成)與開關(guān)球03和閥體01的局部對接視圖，圖9c是從圖9a和圖9b中取出的內(nèi)密封環(huán)02a 的截面局部視圖，圖9d是從圖9a和圖9b中取出的外支承環(huán)02b的截面局部視圖，圖9e是 圖9c示內(nèi)密封環(huán)的替代環(huán)的截面局部視圖，圖9e的端密封面上的鋸齒環(huán)見圖7d的夸大畫m 和F，圖9e的球密封錐面AB上的鋸齒環(huán)刃a'及b'見圖7e的局部放大視圖。圖9c示截面適 合于低強度材料，圖9e示截面適合于高強度材料。由圖9b可知，介質(zhì)對開關(guān)球的推力 F^Fcosa+Fsinp(由內(nèi)環(huán)承擔Fcosa,由外環(huán)承擔Fsinp,其中F是內(nèi)環(huán)面上受到的正壓力， a=45°, P=15°),而內(nèi)環(huán)和外環(huán)徑向受到的總正壓力為Fs/cosa，內(nèi)環(huán)徑向受到的正壓力僅 為F,因此，相當于雙環(huán)結(jié)構(gòu)閥座的密封材料的承載能力是單環(huán)閥座材料的(Fs/cosa)/F-1.366仵?？趫DIO(對應圖la的X局部放大視圖)，是現(xiàn)有技術(shù)的軸耳固定球閥用浮動閥座，其中件 05a是類似于圖la件05的另一種閥體端蓋。如圖10所示，現(xiàn)有技術(shù)的浮動閩座，由密封環(huán) 02a、支承環(huán)02b、 O型密封環(huán)02c和預載彈簧02d組成，始終有一個難達高溫要求的0型 密封圏，幾乎導致軸耳固定球閥與高溫用金屬閩座結(jié)構(gòu)無緣；閥座的介質(zhì)密封作用面積始終 等于閥座的介質(zhì)去密封作用面積Au-nD^/4-nDi2/4,即閥座的抗干擾系數(shù)m=l,導致預載彈
簧的預載力必須大于極限壓力的介質(zhì)密封作用力才能避免操作引發(fā)的密封環(huán)振動。圖lla(對應圖la的X局部放大視圖)，是按本發(fā)明的以等邊三角形為截面輪廓的浮動閥 座02(由密封環(huán)02a、支承環(huán)02b、壓緊環(huán)02c、密封墊02d和預載彈簧02e組成)與開關(guān)球 03和閥體端蓋05a的局部對接視圖，其中閥體端蓋05a(如圖llb所示)是類似于圖la件05 的另一種閥體端蓋，通過螺紋和密封墊完成同浮動閥座組件的緊固和密封連接，通過另外的 螺栓組完成同閥體的連接；圖llc、圖lld、圖lle、圖llf和圖llg分別是從圖lla中取 出的支承環(huán)02b、密封墊02d、預載彈簧02e、壓緊環(huán)02c和密封環(huán)02a的截面局部視圖； 圖llh是圖llg示密封環(huán)的替代環(huán)的截面局部視圖，圖llh的受支承面上的鋸齒環(huán)見圖7d 的夸大畫m和F,圖llh的球密封錐面AB上的鋸齒環(huán)刃a'及b'見圖7e的局部放大視圖。 與圖10的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的浮動閥座，不僅結(jié)構(gòu)避免使用O形密封圏，而且還有大 于1的抗干擾系數(shù)而可用較低的彈簧壓緊力，既能降低開關(guān)球的操作轉(zhuǎn)動力矩又不致引發(fā)操 作振動；獲得大于l的抗干擾系數(shù)的原因在于結(jié)構(gòu)上，現(xiàn)有技術(shù)的拾擾面積Au中包括有只拾擾而不承擔密封載荷的多余的中腔裸露面積Aec(對應直徑De)。
具體實施方式
圖7a和7b所示的是以等邊三角形為截面要素的固定閥座02,其球密封面是截面結(jié)構(gòu)等 邊三角形ABC的邊AB所對的弧回轉(zhuǎn)形成的，其柱支承面是截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的邊CA 的投影邊CD回轉(zhuǎn)形成的，其端密封面，本來應當是截面結(jié)構(gòu)等邊三角形的邊BC的投影邊 CF'回轉(zhuǎn)形成的，但是考慮到上游閥座在閥快打開瞬間的特別需要，特用投影邊CF'的延長邊 CF回轉(zhuǎn)形成，點F是AB的延長點E投影；如果不延長，則如圖3的Y'局部放大視圖4a 所示，在閥快打開瞬間，介質(zhì)就有可能進入未充分壓緊的座的端密封面而將閥座材料擠入開 關(guān)球的通孔口內(nèi)地致閥座損壞；如果延長，則如圖3的Y'局部放大視圖4b所示，在閥快打 開瞬間的BE段上的介質(zhì)壓力就會阻止介質(zhì)進入座的端密封面而不致擠閥座入開關(guān)球的通孔 口內(nèi)一此時的介質(zhì)只能經(jīng)點B處的縫隙擠入中腔而將閥座緊緊地永遠地壓在閥體上，因此， 可叫BE段為座的壓力中繼面；如圖4所示，如果在靠近點B的開關(guān)球03的端面球小圓緣上 增加一道提前泄漏小口，則在閥快打開瞬間的介質(zhì)就可提前通過該泄漏小口進入中腔而一直 維持閥座端密封，此時甚至可以不用壓力中繼面BE。閥座的球密封玄AB與開關(guān)球的中央通 孔軸線成45。角，閥座的球密封面可以預制成以AB為母線的9(T錐面、然后在工作中自動變 形為球面，閥座的安裝壓縮余量可保持閥座外徑不變地微增等邊三角形ABC的邊長獲得。為 避免介質(zhì)將閩座密封端面沖離閥體而將處在閥快打開瞬間的閥座擠入開關(guān)球的通孔口內(nèi)，第 一，閥座的內(nèi)徑應稍大于閥門通道直徑，即圖7中的EF不得超出GH;第二，可通過適當平 行移動座密封端面(即適當平行移動圖7b中端面形成邊CF至虛線位置)地增加弱質(zhì)材料閥座 的厚度。座的壓力中繼面(AB的延長段BE)的增加，將增加閥座的通道裸露拾擾面積Aep和減 少閥座內(nèi)徑，但受極限限制，對閥座的密封性能或抗干擾系數(shù)影響甚微；閥座通過端密封面 平行移動(CF段的平行移動)的厚度增加，也未改變閥座的密封性能或抗干擾系數(shù)；因此，雖 然閥座壓力中繼面和厚度的增加，表面改變了結(jié)構(gòu)三角形的等邊性，但并未改變原始結(jié)構(gòu)等 邊三角形決定的閥座的基本性能，但卻改善了閥座的加工性和安裝維護性。圖7c所示的是以等邊三角形為截面要素的硬固定閥座02，其材料強度高，但其原始結(jié) 構(gòu)尺寸與對應圖7b不加厚的低強度材料的閥座相同。對于高強度材料閥座，如聚對苯(PPP) 或金屬材料閩座，為了賦予其彈性和裝配壓縮量，需要切短原始柱支承面CD至qD或部分切 小原始柱支承面Cq至ms，或切短原始端密封面CF至mF或部分切低原始端密封面Cm至 qs,使原始柱支承面變成一臺階柱面，并使新車出的柱面ms和端面qs的相貫圓s隨車切量 加大而沿截面結(jié)構(gòu)三角形ABC的高離開其頂點C,必要時再車切一個底面與相貫圓相切并平 行于球密封錐面AB的環(huán)形凹槽k。在球密封錐面上有兩個相對其AB部分對稱的由凹切錐面 a"b"形成的鋸齒環(huán)，凹切錐面a"b〃平行球密封錐面AB、并差Zt才與通過鋸齒環(huán)刃a'及b'的 開關(guān)球面03相切(參見圖7e)，即相對開關(guān)球面，鋸齒環(huán)刃a'及b'高Zt(凹切錐面a〃b"與球密 封錐面AB間的直線距離僅僅是鋸齒環(huán)的形式齒高)。在車切小和車切短的最終端密封面mF 上可至少有兩個以其輪廓緣m和F為齒刃的鋸齒環(huán)，也可無鋸齒環(huán)；如果無鋸齒環(huán)，則需要 一個與切除部分Cmsq相當?shù)能浢芊鈮|；如果多于兩個鋸齒環(huán)，則其齒刃與齒刃m及F—樣， 都在最終端密封面mF上。如圖7c、 7d和7e所示，端密封鋸齒環(huán)m和F以及開關(guān)球密封鋸 齒環(huán)a'和b'的齒頂皆為刃，刃尖角或齒頂角約為90° 120°,齒高Zt約為10 20倍密封表面 粗糙度Ra值，齒距Xs/齒髙Zt約為20 500(對應輪廓元較寬的表面粗糙度和輪廓元較窄的表 面波紋度的輪廓元寬度Xs/高度Zt),確保變形密封刃后面緊跟一個逼近平面或球面的受力保 護面，保護密封接觸面中始終有線接觸，因此，可輕松實現(xiàn)對精加工表面的密封，無需任何 研磨加工。閩座切除部分Cmsq的多少由閥座端密封面和柱支承面的強度許用富余量決定， 環(huán)形凹槽的寬度k由所需的彈性決定，k值常為零。閥座的彈性及柱支承面與其孔的配合間 隙適度時，閥座截面的彎曲將有效抑制閥座端密封面的徑向滑動。閥座后部的切除，相當于 減少閥座的外徑D。，增加閥座的抗干擾系數(shù)m值。圖8a和8b所示的是以等邊三角形為截面成分的固定閩座02,其球密封面是截面結(jié)構(gòu)等 邊三角形ABC的邊AB所對的弧回轉(zhuǎn)形成的，其端密封面是截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的邊BC 回轉(zhuǎn)形成的，其柱支承面是截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的邊CA的投影邊CD回轉(zhuǎn)形成的，其 球密封玄AB與開關(guān)球的中央通孔軸線成45。角，其球密封面可以預制成以AB為母線的90。 錐面、然后在工作中自動變形為球面，其安裝壓縮量可保持閥座外徑不變地微增等邊三角形 ABC的邊長獲得。圖8c所示的是以等邊三角形為截面成分的硬固定閥座02,其材料強度高，但其原始結(jié) 構(gòu)尺寸與對應圖8b的低強度材料的閥座相同。對于高強度材料閥座，如聚對苯(PPP)或金屬 材料閥座，為了賦予其彈性和裝配壓縮量，需要切短原始柱支承面CD至qD或部分切小原始 柱支承面Cq至ns,或切短原始端密封面CB或部分切低原始端密封面Cm至qs，使原始柱 支承面變成一臺階柱面，并使新車出的柱面ns和端面qs的相貫圓s隨車切量加大而沿截面 結(jié)構(gòu)三角形ABC的高離開其頂點C,必要時再車切一個底面與相貫圓相切并平行于球密封錐 面AB的環(huán)形凹槽k。在球密封錐面上有兩個相對其AB部分對稱的由凹切錐面a"b"形成的鋸 齒環(huán)，凹切錐面a"b"平行球密封錐面AB、并差Zt才與通過鋸齒環(huán)刃a'及b'的開關(guān)球面03相 切(參見圖7e)，即相對開關(guān)球面，鋸齒環(huán)刃a'及b'高Zt(凹切錐面a〃b"與球密封錐面AB間的 直線距離僅僅是鋸齒環(huán)的形式齒高)。在車切小和車切短的最終端密封面上可至少有兩個以其 輪廓緣為齒刃的鋸齒環(huán)，也可無鋸齒環(huán)；如果無鋸齒環(huán)，則需要一個與切除部分Cmsq相當 的軟密封墊；如果多于兩個鋸齒環(huán)，則其齒刃與輪廓緣齒一樣，都在最終端密封面上。如圖 8c、 7d和7e所示，端密封錯齒環(huán)m和F以及開關(guān)球密封鋸齒環(huán)a'和b'的齒頂皆為刃，刃尖 角或齒頂角約為90°~120°,齒高Zt約為10~20倍密封表面粗糙度Ra值，齒距Xs/齒髙Zt 約為20 500(對應輪廓元較寬的表面粗糙度和輪廓元較窄的表面波紋度的輪廓元寬度Xs/髙 度Zt),確保變形密封刃后面緊跟一個逼近平面或球面的受力保護面，保護密封接觸面中始終 有線接觸，因此，可輕松實現(xiàn)對精加工表面的密封，無需任何研磨加工。閥座切除部分Cmsq 的多少由閥座端密封面和柱支承面的強度許用富余量決定，環(huán)形凹槽的寬度k由所需的彈性 決定，k值常為零。閥座的彈性及柱支承面與其孔的配合間隙適度時，閥座截面的彎曲將有 效抑制閥座端密封面的滑動。閥座后部的切除，相當于減少閥座的外徑D。，增加閩座的抗干 擾系數(shù)m值。圖9a 9d所示的是以等邊三角形為截面輪廓的固定閥座02,由有配合的內(nèi)密封環(huán)(簡稱 內(nèi)環(huán))02a和外支承環(huán)(簡稱外環(huán))02b兩件組合而成；內(nèi)環(huán)以等邊三角形ABC為截面輪廓，其 邊AB所對的弧回轉(zhuǎn)形成面是閥座的球密封面，其邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是閥座的端密封面，邊 CA的回轉(zhuǎn)形成面是內(nèi)環(huán)的受支承面；外環(huán)的截面為梯形，以梯形高D'E'為母線的柱面是閥座 的柱面并與閥體上的閥座接納孔DE為間隙配合，以梯形斜腰CA為母線的錐面是對內(nèi)環(huán)的支 承面。內(nèi)環(huán)負責密封，外環(huán)負責支承，內(nèi)環(huán)材料強度低于外環(huán)材料強度，內(nèi)環(huán)材料強度按球 密封負荷確定，外環(huán)材料和壁厚按承受以內(nèi)環(huán)材料極限強度為介質(zhì)壓力的管道設(shè)計。外環(huán)柱 面與閥體上的閥座接納孔的間隙配合， 一使外環(huán)內(nèi)、外端面介質(zhì)相通而壓力相等地減少閥座
的中腔裸露作用，二使外環(huán)相對內(nèi)環(huán)可自由滑動地相互壓緊和支承。球密封玄AB與開關(guān)球的中央通孔軸線成45°角，球密封面可以預制成以AB為母線的90。錐面、然后在工作中自動 變形為球面，安裝壓縮量可保持內(nèi)環(huán)外緣直徑不變地微增等邊三角形ABC的邊長獲得。開關(guān) 球03,在介質(zhì)壓力的作用下，同時壓在相互支承的內(nèi)環(huán)和外環(huán)上，使其相互爭搶相互保護地 受壓，即介質(zhì)對開關(guān)球的推力Fs-Fcosa+Fsin(3(由內(nèi)環(huán)承擔Fcosa,由外環(huán)承擔Fsinp,其中 F是內(nèi)環(huán)面上受到的正壓力，a=45°, (3=15°),于是內(nèi)環(huán)和外環(huán)徑向受到的總正壓力為 Fs/cosa，內(nèi)環(huán)徑向受到的正壓力僅為F,因此，雙環(huán)閥座的密封材料的承載能力是單環(huán)閥座 材料的(Fs/cosa)/F4.366倍。實際上，本發(fā)明的內(nèi)環(huán)用兩面、而單環(huán)閥座只用一面承受開關(guān) 球的壓力，因此，不難理解，本發(fā)明的雙環(huán)閥座的密封材料的承載能力是單環(huán)閥座的1.366 倍。加之，內(nèi)密封環(huán)，幾乎在封閉腔中受壓，就象密閉在油缸中的液壓油一樣，既難于發(fā)生 壓縮變形又難于發(fā)生縫隙擠出流動變形或被擠"破"，還無爬行變形，擁有比材料本身的許用 承載能力更高的承載能力，所以，以等邊三角形為截面輪廓的固定閥座可確保使用密封性能 優(yōu)異的軟材料于很高壓力極限，并獲得更長壽命和更高可靠性。圖9e所示的是以等邊三角形為截面輪廓的硬固定閥座(圖9a)的內(nèi)環(huán)02a，其材料強度髙， 但其原始結(jié)構(gòu)尺寸與對應圖9c的低強度材料的內(nèi)環(huán)相同。對于高強度材料內(nèi)環(huán)，如聚對苯 (PPP)或金屬材料內(nèi)環(huán)，為了賦予其彈性和裝配壓縮量，需要切短原始受支承面CA至qA或 部分切小原始受支承面Cq形成一柱面ns,或切短原始端密封面CB或部分切低原始端密封面 Cm形成一端面qs,并使新車出的柱面ns和端面qs的相貫圓s隨車切量加大而沿截面結(jié)構(gòu) 三角形ABC的高離開其頂點C,必要時再車切一個底面與相貫圓相切并平行于球密封錐面AB 的環(huán)形凹槽k。在球密封錐面上有兩個相對其AB部分對稱的由凹切錐面a〃b"形成的鋸齒環(huán)， 凹切錐面a〃b"平行球密封錐面AB、并差Zt才與通過鋸齒環(huán)刃a'及b'的開關(guān)球面03相切(參 見圖7e),即相對開關(guān)球面，鋸齒環(huán)刃a'及b'高Zt(凹切錐面a〃b〃與球密封錐面AB間的直線 距離僅僅是鋸齒環(huán)的形式齒高)。在車切小和車切短的最終端密封面上可至少有兩個以其輪廓 緣為齒刃的鋸齒環(huán)，也可無鋸齒環(huán)；如果無鋸齒環(huán)，則需要一個與切除部分Cmsq相當?shù)能?密封墊；如果多于兩個鋸齒環(huán)，則其齒刃與輪廓緣齒一樣，都在最終端密封面上。如圖9e、 7d和7e所示，端密封鋸齒環(huán)m和F以及開關(guān)球密封鋸齒環(huán)a'和b'的齒頂皆為刃，刃尖角或 齒頂角約為90°~120°,齒高Zt約為10 20倍密封表面粗糙度Ra值，齒距Xs/齒高Zt約為 20 500(對應輪廓元較寬的表面粗糙度和輪廓元較窄的表面波紋度的輪廓元寬度Xs/髙度Zt)， 確保變形密封刃后面緊跟一個逼近平面或球面的受力保護面，保護密封接觸面中始終有線接 觸，因此，可輕松實現(xiàn)對精加工表面的密封，無需任何研磨加工。內(nèi)環(huán)切除部分Cmsq的多 少由其端密封面和柱支承面的強度許用富余量決定，環(huán)形凹槽的寬度k由所需的彈性決定，k 值常為零。內(nèi)環(huán)后部的切除，相當于減少閥座的外徑D。，增加閥座的抗干擾系數(shù)m值。圖11a llg所示的是以等邊三角形為截面輪廓的浮動閥座02,由密封環(huán)02a、支承環(huán) 02b、壓緊環(huán)02c、密封墊02d和預載彈簧02e組成；密封環(huán)以等邊三角形ABC為截面輪廓， 其邊AB所對的弧回轉(zhuǎn)形成面是閥座的球密封面，其邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是密封環(huán)的受壓緊面， 其邊CA的回轉(zhuǎn)形成面是密封環(huán)的受支承面；支承環(huán)通過螺紋和密封墊完成同閥體端蓋05a 的緊固和密封連接后，負責對受支承面提供密封支承；預載彈簧，通過壓緊環(huán)，對密封環(huán)施 加初始密封壓緊力；介質(zhì)壓力，可通過也可不通過壓緊環(huán)，對密封環(huán)施加密封壓緊力。如果 受壓緊面與壓緊面間有密封性，則介質(zhì)只能通過壓緊環(huán)地間接壓密封環(huán)；如果受壓緊面與壓 緊面間無密封性，則介質(zhì)可自由進入接觸面而直接壓密封環(huán)。介質(zhì)直接壓密封環(huán)，無摩擦損 失，介質(zhì)作用力效率更高。密封環(huán)負責密封，材料強度低，并按球密封負荷確定。球密封玄 AB與開關(guān)球的中央通孔軸線成45。角，球密封面可以預制成以AB為母線的90。錐面、然后 在工作中自動變形為球面，安裝壓縮量可保持密封環(huán)外緣直徑不變地微增等邊三角形ABC的 邊長獲得。在支承環(huán)端面有扳手孔。圖llh所示的是以等邊三角形為截面輪廓的硬浮動閥座(圖11a)的密封環(huán)02a,其材料強 度高，但其原始結(jié)構(gòu)尺寸與對應圖llg的低強度材料的密封環(huán)相同。對于高強度材料密封環(huán)，
如聚對苯(PPP)或金屬材料密封環(huán)，為了賦予其彈性和裝配壓縮量，需要切短原始受支承面CA至mA或部分切小原始受支承面Cm形成一柱面qs,或切短原始受壓緊面CB或部分切低 原始受壓緊面Cq形成一端面ns,并使新車出的柱面qs和端面ns的相貫圓s隨車切量加大 而沿截面結(jié)構(gòu)三角形ABC的高離開其頂點C,必要時再車切一個底面與相貫圓相切并平行于 球密封錐面AB的環(huán)形凹槽k。在球密封錐面上有兩個相對其AB部分對稱的由凹切錐面a"b〃 形成的鋸齒環(huán)，凹切錐面a"b〃平行球密封錐面AB、并差Zt才與通過鋸齒環(huán)刃a'及b'的開關(guān) 球面03相切(參見圖7e)，即相對開關(guān)球面，鋸齒環(huán)刃a'及b'高Zt(凹切錐面a〃b〃與球密封錐 面AB間的直線距離僅僅是鋸齒環(huán)的形式齒高)。在車切小和車切短的最終受支承面上可至少 有兩個以其輪廓緣為齒刃的鋸齒環(huán)，也可無鋸齒環(huán)；如果無鋸齒環(huán)，則需要一個與切除部分 Cmsq相當?shù)能浢芊鈮|；如果多于兩個鋸齒環(huán)，則其齒刃與輪廓緣齒一樣，都在最終受支承 面上。如圖llh、 7d和7e所示，受支承鋸齒環(huán)m和F以及開關(guān)球密封鋸齒環(huán)a'和b'的齒頂 皆為刃，刃尖角或齒頂角約為90°~120°,齒高Zt約為10~20倍密封表面粗糙度Ra值，齒 距Xs/齒高Zt約為20 500(對應輪廓元較寬的表面粗糙度和輪廓元較窄的表面波紋度的輪廓 元寬度XJ高度Zt),確保變形密封刃后面緊跟一個逼近平面或球面的受力保護面，保護密封 接觸面中始終有線接觸，因此，可輕松實現(xiàn)對精加工表面的密封，無需任何研磨加工。密封 環(huán)切除部分Cmsq的多少由其受支承面和受壓緊面的強度許用富余量決定，環(huán)形凹槽的寬度 k由所需的彈性決定，k值常為零。密封環(huán)的彈性適度時，密封環(huán)截面的彎曲將有效補償密封 環(huán)的浮動性。密封環(huán)后部的切除，雖然相當于減少密封環(huán)外徑D。而減少閥座的介質(zhì)密封作用 面積或降低閩座的抗干擾系數(shù)m值，但閥座的抗干擾系數(shù)m值還是永遠大于l,因為切出點 m永遠不與點A重合?？偲饋碚f，所有球閥座，無論是固定閥座還是浮動閥座，無論是非金屬閥座還是金屬閥 座，無論什么截面形狀，都可用一個截面結(jié)構(gòu)等邊三角形來設(shè)計，使其盡可能是無表面裸露 的并逼近以球密封玄為邊長的等邊三角形為截面?？垢蓴_系數(shù)m=2的(DN25為例)的球閥座的截面結(jié)構(gòu)等邊AABC的設(shè)計(參見圖6):1已知開關(guān)球的通孔直徑Dn(=25mm),決定開關(guān)球的端面球小圓直徑d'=1.04Dn(=26mm) 開關(guān)球的通孔直徑是標準規(guī)定的，如DN25的開關(guān)球的中央通孔直徑Dn=25mm。開關(guān) 球的孔口強度，與"孔口壁厚/孔口直徑"成正比，因此，根據(jù)實踐經(jīng)驗，可統(tǒng)一取"孔口壁 厚/孔口直徑"=0.02，這樣，DN25的開關(guān)球的端面球小圓直徑d'=1.04Dn=26mm。2根據(jù)d'^26mm),決定開關(guān)球直徑d=d'/sin38°(=42mm)如圖6a所示，知道開關(guān)球的端面球小圓直徑d'=26mm后，再知道ao就可依次確定開 關(guān)球直徑c^d'/sinao、閥座的截面結(jié)構(gòu)等邊MBC和抗干擾系數(shù)m。由于m準確對應ao,而 相關(guān)取舍影響又可相互補償，因此，確定的atj實質(zhì)是確定m。實際計算證實(理論計算也可 證實)，取閥座結(jié)構(gòu)等邊MBC的邊長a-0.9a'時，m二2對應ao-38。， m=1.8對應a0=37°， m=1.5對應a0=35.5°。因此，m=2對應d二26/sin38。-42mm(舍0.23), a'=4.94mm, a-4.5mm(進0.054); m=1.8對應d-26/sin37。二43mm(舍0.2), a'=5.83mm, a二5.3mm(進 0.053)， m-1.5對應d-26/sin35.5。-45mm(進0,23)， a'=7.59mm, a-6.8mm(舍0.031)。3根據(jù)d'(-26mm)和d=(=42mm)， CAD畫圖確定截面結(jié)構(gòu)等邊AABC的基準邊圖A'B'如圖6a所示，球密封玄AB,應對稱地在位置相差90°的開關(guān)球端面和端面球小圓d'限 定的圖A'B'內(nèi)，以確保開關(guān)球在全開和全關(guān)位置時，閥座的球密封面AB都能全壓在開關(guān)球表 面地維持密封形態(tài)；當密封玄端A超出端面球小圓d'切線時，處在全閉位置的開關(guān)球的端面(圖 2b中的虛線端面)就會進入座的球密封面內(nèi)而戳致閥座變形地入球的通孔口內(nèi)；當密封玄端B 超出球端面限制時，就可導致閥座內(nèi)徑縮小，或是導致介質(zhì)對上游閥座的有害沖刷或擠壓變 形，或是導致增加下游閥座的球覆蓋面積Aep(如圖5b所示)而降低閥座的抗干擾能力；也就 是說，截面結(jié)構(gòu)等邊AABC的基準邊圖A'B'是由開關(guān)球端面球小圓d'的投影線段和投影圓以 及開關(guān)球直徑d共同決定的，可簡單由CAD畫圖確定。由于下面接著需要的以及最終需要的
都是以圖A'B'為基礎(chǔ)，因此，沒必要追求復雜的公式推導。由于無論球直徑d和端面球小圓d' 取大或取小，始終都有B"0'=B"0=r',因此，球閥座截面結(jié)構(gòu)等邊AABC的球密封玄AB與 開關(guān)球的中央通孔軸線成45°角。4根據(jù)圖A'B'， CAD畫圖確定截面結(jié)構(gòu)等邊MBC的邊圖AB為了確保截面結(jié)構(gòu)等邊AABC的邊長a^都能在其界限A'B'內(nèi)，因此，需要相對A'B'對稱 地確定截面結(jié)構(gòu)等邊AABC的邊AB:首先在A'B'線上對稱畫a=0.9a'=4.5mm,然后將其平行 移到開關(guān)球直徑d圓上。5 CAD畫截面結(jié)構(gòu)等邊MBC，并依據(jù)其三點回轉(zhuǎn)直徑計算驗證m=Ds2/(D。2-Di2)=2如果171>2，則微增AABC的邊長a;如果m<2,則微縮MBC的邊長a。若要一次保證 m逼近2，就需要注意取值技巧如果取c^d'/sin38。是舍，則取3=0.93'時應適當進，反之亦然。由于固定閥座的抗干擾系數(shù)rr^球的介質(zhì)作用面積As/座的介質(zhì)作用面積(Ae+Ac)(參見圖9),即As=m(Ae+Ac), Asp=mp(Ae+Ac),而實際面積計算證明，Ae+Ac Ac/cos45°=^"Ac,因此，Asps^mpAc，即固定閥座的載荷強度-固定閥座材料許用強度as^mp。根據(jù)介質(zhì)壓力強度p通過球?qū)ψa(chǎn)生的徑向載荷[(Fs/cosa^(nD^p/4cosa)]等于閥座材料的許用載荷(nDaaa)條件(參見圖6):nDs2p ^ ^ s K = nDaaa 斗cosa a可精確求出固定閥座材料的許可強度:DS2P :__— DS2P — Pa= 4cosaDaa = 4cosa[(Ds+Di)/2][(Ds-Di)/(2cosa)] "(Ds+Di)(Ds-Di)" 1-Di2/Ds2 = P實際許可強度計算證明，ksKm。所以，對于按本發(fā)明的等邊三角截面法設(shè)計的固定閥座， 可簡單由閥座的抗干擾系數(shù)m和極限介質(zhì)壓力強度p，按c^^mp計算閥座材料的許可強度。設(shè)計實踐證實，按本發(fā)明的等邊三角截面法結(jié)構(gòu)的固定閥座，是以充分避免不必要的表 面裸露為前提的，因此，其抗干擾系數(shù)m值越小，除可提高低強度閥座材料的適用壓力外， 所伴隨的是越大的開關(guān)球、越大的閥座、越大的閥體和越大的開關(guān)搡作力矩，乃至取m〈1.5 時已顯得十分不經(jīng)濟；而試驗證實，m=1.8的固定閥座還能使浮動球閥靠球的浮動實現(xiàn)關(guān) 閉密封，m=2的雙環(huán)固定閥座還能保證聚四氟乙烯(PTFE)閥座材料用于15MPa級壓力時有 富余，所以，固定閥座取巾=2既經(jīng)濟又可靠。由于浮動閥座的載荷低于同規(guī)格的固定閥座的 載荷，因此，按同一個截面結(jié)構(gòu)等邊三角形結(jié)構(gòu)的密封環(huán)既可用于固定閥座，也可用于浮動 閥座；只不過rr^2的密封環(huán)，用于浮動閥座時，m=^"，但浮動閥座本身也只需m>l。以上披露的都是因不需要表面裸露而盡可能避免表面裸露的球閥座，以下格外單獨披露 需要一定表面裸露的閥座固定球閥座，既不難理解，也不易混淆。固定球閥是指開關(guān)球固定在閥體上轉(zhuǎn)動而不能浮動的球閩，而現(xiàn)有技術(shù)的固定球閥都是 靠開關(guān)球上的包括閥桿作軸的兩個同軸耳固定在閩體上的，因而叫軸耳固定球閥。雙斷又泄 閥(double block & bleed valves)(DBB valves)是指處在關(guān)閉位的開關(guān)元購兩側(cè)關(guān)閉密封面可 相對中腔同時關(guān)斷地允許中腔經(jīng)排泄口外泄的閥門(外泄的目的是對管道內(nèi)介質(zhì)取樣或特別 加注)，而現(xiàn)有技術(shù)的雙斷又泄球閥都是大規(guī)格的軸耳固定球閥。既然抗干擾能力不足的形式 浮動球閥無法靠介質(zhì)對球的浮動、只能靠兩閥座對球的安裝對夾實現(xiàn)開關(guān)密封，那么，顯而 易見，這種結(jié)構(gòu)似球浮動的形式浮動球閥，實際就是一種閥座固定球閥， 一種可用作雙斷又 泄閥的閥座固定球閥，其特征是所述球閥的開關(guān)球不是由軸耳而是由閥座固定在閥體上的， 結(jié)構(gòu)上似所述球可浮動，但在整個壓力工作范圍內(nèi)，所述球被夾在所述座中只能轉(zhuǎn)動而不能 浮動；所述座，如圖7a和8a所示，在按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)好后，可在維持所述球的介質(zhì) 作用面積As(直徑Ds對應的圓面積)和所述座的球覆蓋面積Ac不變的基礎(chǔ)上,加大所述座外徑 D。地加大所述座的中腔裸露面積Ae,使所述座的抗干擾系數(shù)m二As/(Ae+Ac)〈1.33。如圖5a所示，閥座固定球閥的關(guān)閉密封工作條件是W2(座對球的安裝對夾力)〉A(chǔ)sP(介質(zhì)對球的推力)二m(Ae+Ac)p，因此，如果在m=2的基準等邊三角截面的基礎(chǔ)上，保持Ac(座的球覆蓋面 積)-As/(2^")-0.35As不變，增大座外徑地使座中腔裸露面積0.40As<Ae<0.65As,則有座的 抗干擾系數(shù)1.33>m=As/(Ae+Ac)=l/(0.75~l)>l或有座對球的安裝夾持力強度 1.33p>mp>lp,既能保證關(guān)閉密封通過l.l倍額定壓力強度p測試又能確保座中腔的陷壓強 度不超出標準規(guī)定的1.33倍額定壓力強度。所以，加大閩座中腔裸露面積Ae的實質(zhì)，是降 低闊座的抗干擾系數(shù)、降低座中腔泄壓力(Ae+Ac)p與座對球的安裝夾持力m(Ae+Ac)p間的大 小差、保證閥座中腔的陷壓強度不超過1.33倍閥門額定工作壓力，同時相對減少球的介質(zhì)浮 動密封力、降低其對開關(guān)球兩側(cè)閥座的同時"雙斷"密封影響。由于本發(fā)明的閥座固定球閥 的極限操作轉(zhuǎn)動力矩是本發(fā)明的浮動球閩的操作轉(zhuǎn)動力矩的2倍，因此，本發(fā)明的閥座固定 球閩只適合提供做小尺寸規(guī)格的雙斷又泄閥，而現(xiàn)有技術(shù)正好沒有這檔用作雙斷又泄閥的球 閥，有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、成本低等特點。需要特別指出，由于靠浮動在下游閥座上實現(xiàn)關(guān)閉密封的開關(guān)球，在受到干擾而剝離同 閥座親密接觸后，無力自動恢復同閥座的密封(只能永遠在閥'座間漂浮)；而靠座的安裝對夾 力實現(xiàn)關(guān)閉密封的開關(guān)球，在受到干擾而剝離同座親密接觸后，其對面座可在干擾消逝后使 其立即恢復同原座的親密接觸；因此，相比之下，靠介質(zhì)對球的浮動實現(xiàn)關(guān)閉密封的浮動球 閥座需要較大的閥座抗干擾系數(shù)，靠兩閥座對球的安裝對夾實現(xiàn)開關(guān)密封的閥座固定球閥座 需要較小的閥座抗干擾系數(shù)；所以，達到相同的關(guān)閉密封效果時，閥座固定球閩座的抗干擾 系數(shù)m^W2(座對球的安裝夾持力)/(Ae2+Ac)P(座的介質(zhì)去密封力)可以小于浮動球閩座的 m^Ws(球的浮動密封力)/(Aes+Ac)p(座的介質(zhì)去密封力)；或者說，當閥座固定球閥的抗干擾 系數(shù)m2較小時，不僅不影響其開關(guān)可靠性，反而可縮小座中腔泄壓力(Ae+Ac)p與座對球的 安裝夾持力m(Ae+Ac)p間的大小差、有效保證閥座既能滿足關(guān)閉密封要求又能滿足中腔的陷 壓要求。還需進一步指出，因為在Wpm2(Ae2+Ac)p和Ws=ms(AeS+Ac)p中，雖然m2〈ms，但Ae2>AeS、 (Ae2+Ac)>(AeS+Ac),所以，雖然形式浮動球閥中的W2>WS、真浮動球閥中的 W2<WS,但形式浮動球閥中的W2和真浮動球閥中的Ws還是相差無幾的；或者說，如果簡單籠統(tǒng)地說，則形式浮動球閥的座對球的對夾安裝力大于真浮動球閥的球?qū)ψ母訅毫?，?果確切地說，則形式浮動球閥的座對球的對夾安裝力至少不小于真浮動球閥的球?qū)ψ母?壓力，可以亳無疑問地說，現(xiàn)有技術(shù)的形式浮動球閥的球的極限操作轉(zhuǎn)動力矩至少是本發(fā)明的真浮動球閥的2倍?？梢哉f，本發(fā)明的閥座固定球閥，以實例證明，現(xiàn)有技術(shù)的浮動球閥往往都是結(jié)構(gòu)似球 浮動的形式浮動球閥。雖然本發(fā)明的閥座固定球閥是現(xiàn)時大量客觀存在的，但是，正如 US4940208和US4815700專利所說，現(xiàn)有技術(shù)浮動球閥的開關(guān)球或多或少都是隨壓力沿通 道軸線浮動至下游閥座實現(xiàn)關(guān)閉密封的，根本沒有意識到有可能會被閥座固定得不可浮動， 因此，現(xiàn)有技術(shù)浮動球閥沒有被增加中腔排泄口地用作雙斷又泄閥。綜上所述，從浮動球閥到軸耳固定球閩和閥座固定球閥的閥座，無論是以等邊三角形為 截面要素、為截面成分或為截面輪廓，都可用等邊三角截面法來結(jié)構(gòu)或發(fā)展實際截面，并以 座參數(shù)m(閥座的抗干擾系數(shù))逼近或脫離基準等邊三角截面座參數(shù)m的程度來控制和衡量閥 門的基本性能。
權(quán)利要求
1一種以等邊三角形為截面要素的浮動球閥用固定閥座，其特征是閥座截面結(jié)構(gòu)等邊三角形ABC的邊AB是座的球密封玄，邊BC的投影邊或投影延長邊回轉(zhuǎn)形成面是座的端密封面，邊CA的投影邊回轉(zhuǎn)形成面是座的柱支承面，點C是座輪廓線交點；所述球密封玄AB，即閥座截面密封弧所對的玄，與所述球的中央通孔軸線成45°角，或閥座的球密封面可以預制成與閥座同軸的并與所述球相截的90°錐面或預制成所述90°錐面截出來的所述球的弧面；所述球密封玄長和輪廓線交點位置由閥座材料許用強度及需要的閥座抗干擾系數(shù)m確定。
2 —種以等邊三角形為截面成分的浮動球閥用固定閥座，其特征是閥座截面結(jié)構(gòu)等邊三角形 ABC的邊AB是座的球密封玄，邊BC回轉(zhuǎn)形成面是座的端密封面，邊CA的投影邊回轉(zhuǎn)形成 面是座的柱支承面，點C是座輪廓線交點；所述球密封玄AB,即閥座截面密封弧所對的玄， 與所述球的中央通孔軸線成45°角，或閩座的球密封面可以預制成與閥座同軸的并與所述球 相截的90°錐面或預制成所述90°錐面截出來的所述球的弧面；所述球密封玄長和輪廓線交 點位置由閥座材料許用強度及需要的閥座抗干擾系數(shù)m確定。
3 —種以等邊三角形為截面輪廓的浮動球閥用固定閥座，其特征是所述固定閥座由有配合的 內(nèi)密封環(huán)(簡稱內(nèi)環(huán))和外支承環(huán)(簡稱外環(huán))兩件組合而成，所述內(nèi)環(huán)以等邊三角形ABC為截 面輪廓，其邊AB是固定閩座的球密封玄，.其邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是固定閥座的端密封面，其 邊CA的回轉(zhuǎn)形成面是內(nèi)環(huán)的受支承面；所述外環(huán)的截面為梯形，以梯形高為母線的柱面是 固定閥座的柱面并與閥體上的閥座接納孔為間隙配合，以梯形斜腰為母線的錐面是對所述內(nèi) 環(huán)的支承面；開關(guān)球，在介質(zhì)壓力的作用下，同時壓在相互支承的所述內(nèi)環(huán)和外環(huán)上，使其 相互爭搶相互保護地受壓；所述內(nèi)環(huán)材料強度低于外環(huán)材料強度。
4 一種以等邊三角形為截面要素的浮動球閥用硬固定閥座，其特征是閥座截面結(jié)構(gòu)等邊三角 形ABC的邊AB的回轉(zhuǎn)形成面是座的球密封錐面，邊BC的投影邊或投影延長邊回轉(zhuǎn)形成面 是座的原始端密封面，邊CA的投影邊回轉(zhuǎn)形成面是座的原始柱支承面；在所述回轉(zhuǎn)形成的 原始閥座基礎(chǔ)上，根據(jù)賦予所述閥座的彈性變形需要，同時部分車切小和車切短所述原始柱 支承面和端密封面地使所述原始柱支承面變成一臺階柱面，并使新車出的柱面和端面相貫圓 隨車切量加大而沿所述三角形的髙離開所述三角形的頂點C，必要時再車切一個底面與所述 相貫圓相切并平行于所述球密封錐面的環(huán)形凹槽；在所述球密封錐面上有兩個相對其AB部 分對稱的由凹切錐面形成的鋸齒環(huán)，所述凹切錐面平行所述球密封錐面、并差Zt才與通過所 述鋸齒環(huán)頂?shù)拈_關(guān)球面相切，即相對開關(guān)球面所述鋸齒環(huán)高Zt;在所述車切小和車切短的最 終端密封面上可制至少兩個齒高為Zt的鋸齒環(huán)也可不制，如果不制，則需要一個與切除部分 形狀和體積相當?shù)能浢芊鈮|。
5 —種以等邊三角形為截面成分的浮動球閥用硬固定閥座，其特征是閥座截面結(jié)構(gòu)等邊三角 形ABC的邊AB的回轉(zhuǎn)形成面是座的球密封錐面，邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是座的原始端密封面， 邊CA的投影邊回轉(zhuǎn)形成面是座的原始柱支承面；在所述回轉(zhuǎn)形成的原始閥座基礎(chǔ)上，根據(jù) 賦予所述閥座的彈性變形需要，同時部分車切小和車切短所述原始柱支承面和端密封面地使 所述原始柱支承面變成一臺階柱面，并使新車出的柱面和端面相貫圓隨車切量加大而沿所述 三角形的髙離開所述三角形的頂點C必要時再車切一個底面與所述相貫圓相切并平行于所 述球密封錐面的環(huán)形凹槽；在所述球密封錐面上有兩個相對其AB部分對稱的由凹切錐面形 成的鋸齒環(huán)，所述凹切錐面平行所述球密封錐面、并差Zt才與通過所述鋸齒環(huán)頂?shù)拈_關(guān)球面 相切，即相對開關(guān)球面所述鋸齒環(huán)高Zt;在所述車切小和車切短的最終端密封面上可制至少 兩個齒高為Zt的鋸齒環(huán)也可不制，如果不制，則需要一個與切除部分形狀和體積相當?shù)能浢?封墊。2
6 —種以等邊三角形為截面輪廓的浮動球閥用硬固定閥座，其特征是所述固定閥座由有配合 的內(nèi)密封環(huán)(簡稱內(nèi)環(huán))和外支承環(huán)(簡稱外環(huán))兩件組合而成，所述內(nèi)環(huán)以等邊三角形ABC為 截面輪廓，其邊AB的回轉(zhuǎn)形成面是固定閥座的球密封錐面，邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是固定閥座 的原始端密封面，邊CA的回轉(zhuǎn)形成面是內(nèi)環(huán)的原始受支承面；所述外環(huán)的截面為梯形，以 梯形髙為母線的柱面是固定閥座的柱面并與閥體上的閥座接納孔為間隙配合，以梯形斜腰為 母線的錐面是對所述內(nèi)環(huán)的支承面；開關(guān)球，在介質(zhì)壓力的作用下，同時壓在相互支承的所 述內(nèi)環(huán)和外環(huán)上，使其相互爭搶相互保護地受壓；所述內(nèi)環(huán)材料強度低于外環(huán)材料強度；在 所述回轉(zhuǎn)形成的原始內(nèi)環(huán)基礎(chǔ)上，根據(jù)賦予所述內(nèi)環(huán)的彈性變形需要，同時部分車切小和車 切短所述原始受支承面和端密封面地形成一柱面和一端面，并使新車出的柱面和端面相貫圓 隨車切量加大而沿所述三角形的高離開所述三角形的頂點C,必要時再車切一個底面與所述 相貫圓相切并平行于所述球密封錐面的環(huán)形凹槽；在所述球密封錐面上有兩個相對其AB部 分對稱的由凹切錐面形成的鋸齒環(huán)，所述凹切錐面平行所述球密封錐面、并差Zt才與通過所 述鋸齒環(huán)頂?shù)拈_關(guān)球面相切，即相對開關(guān)球面所述鋸齒環(huán)高Zt;在所述車切小和車切短的最 終端密封面上可制至少兩個齒高為Zt的鋸齒環(huán)也可不制，如果不制，則需要一個與切除部分 形狀和體積相當?shù)能浢芊鈮|。
7 —種以等邊三角形為截面輪廓的固定球閥用浮動閥座，其特征是所述閥座由密封環(huán)、支承 環(huán)、壓緊環(huán)、密封墊和預載彈簧組成；所述密封環(huán)是閥座的浮動密封元，以等邊三角形ABC 為截面輪廓，其邊AB所對的弧回轉(zhuǎn)形成面是閥座的球密封面，其邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是所述 密封環(huán)的受壓緊面，其邊CA的回轉(zhuǎn)形成面是所述密封環(huán)的受支承面；所述支承環(huán)通過螺紋 和所述密封墊完成同閥體端蓋的緊固和密封連接后，負責對所述受支承面提供密封支承；所 述預載彈簧，通過所述壓緊環(huán)，對所述密封環(huán)施加初始密封壓緊力；介質(zhì)壓力，可通過也可 不通過所述壓緊環(huán)，對所述密封環(huán)施加密封壓緊力。
8 —種以等邊三角形為截面輪廓的固定球閩用硬浮動閥座，其特征是所述閥座由密封環(huán)、支 承環(huán)、壓緊環(huán)、密封墊和預載彈簧組成；所述密封環(huán)是閥座的浮動密封元，以等邊三角形ABC 為截面輪廓，其邊AB的回轉(zhuǎn)形成面是閥座的球密封錐面，其邊BC的回轉(zhuǎn)形成面是所述密封 環(huán)的原始受壓緊面，其邊CA的回轉(zhuǎn)形成面是所述密封環(huán)的原始受支承面；在所述回轉(zhuǎn)形成 的原始密封環(huán)的基礎(chǔ)上，根據(jù)賦予所述密封環(huán)的彈性變形需要，同時部分車切小和車切短所 述原始受壓緊面和受支承面地形成一柱面和一端面，并使新車出的柱面和端面相貫圓隨車切 量加大而沿所述三角形的髙離開所述三角形的頂點C，必要時再車切一個底面與所述相貫圓 相切并平行于所述球密封錐面的環(huán)形凹槽；在所述球密封錐面上有兩個相對其AB部分對稱 的由凹切錐面形成的鋸齒環(huán)，所述凹切錐面平行所述球密封錐面、并差Zt才與通過所述鋸齒 環(huán)頂?shù)拈_關(guān)球面相切，即相對開關(guān)球面所述鋸齒環(huán)高Zt;在所述車切小和車切短的最終受支 承面上可制至少兩個齒高為Zt的鋸齒環(huán)也可不制，如果不制，則需要一個與切除部分形狀和 體積相當?shù)能浢芊鈮|。
9 一種可用作雙斷又泄閥(DBB valves)的閥座固定球閥，其特征是所述球閥的開關(guān)球不是由 軸耳而是由閥座固定在閥體上的，結(jié)構(gòu)上似所述球可浮動，但在整個壓力工作范圍內(nèi)，所述 球被夾在所述座中只能轉(zhuǎn)動而不能浮動；所述座，在按等邊三角截面法結(jié)構(gòu)好后，可在維持 所述球的介質(zhì)作用面積As和所述座的球覆蓋面積Ac不變的基礎(chǔ)上，加大所述座外徑D。地加大 所述座的中腔裸露面積Ae,使所述座的抗干擾系數(shù)rr^As/(Ae+Ac;K1.33。
全文摘要
任何球閥的關(guān)閉密封都有不可避免的球的偏心轉(zhuǎn)動干擾，任何球閥座都是一個干擾脈沖放大器并擁有一個固有的抗干擾系數(shù)m。按本發(fā)明的等邊三角截面法結(jié)構(gòu)球閥座，可確保其有能力抵抗球的偏心轉(zhuǎn)動干擾，使球閥靠球或座的浮動實現(xiàn)關(guān)閉密封，使球的極限轉(zhuǎn)動阻力僅涉及單座與球間的極限介質(zhì)浮動壓力?，F(xiàn)有技術(shù)閥座不能確保球?qū)ψ蜃鶎η蛴凶銐蚩垢蓴_的浮動壓力，使球閥只能靠更大的座對球的安裝夾持力或更大的彈簧對座及球的預壓力實現(xiàn)關(guān)閉密封，因而球的極限轉(zhuǎn)動阻力同時源自更大的雙座與球的極限機械壓力。所以，本發(fā)明的球閥是真正球浮動或座浮動的球閥，其操作轉(zhuǎn)動力矩比現(xiàn)有技術(shù)的形式浮動的球閥的力矩至少分別小一半。
文檔編號F16K5/20GK101398092SQ200810172828
公開日2009年4月1日 申請日期2008年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
發(fā)明者徐長祥, 茅 楊, 陳占基 申請人:浙江華夏閥門有限公司;徐長祥