CN104315187A - 一种球阀陶瓷球芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球阀陶瓷球芯，是由球芯体、球芯通孔和阀杆孔组成，球芯体外径与球芯通孔直径的比值a≥1.8，本发明具有突破常规球外径与球芯通孔的比值观念、密封可靠、扭矩轻盈、耐腐蚀和耐磨损性能高、使用寿命长、稳定性高的特点。

Description

一种球阀陶瓷球芯

技术领域

本发明属于通用机械阀门技术领域，特别是涉及一种用于球阀的陶瓷球芯。

背景技术

随着科技的日新月异，工业技术的高速发展，传统的硬质合金球芯已不能适应越来越高磨损、强冲刷等恶劣工况的需求，特别是对于硬度较高的无机非金属盐此类流体介质，对球芯的磨损就会相当严重。同时，由于密封副采用的是同种材质，造成摩擦系数很大，因此金属球芯普遍存在扭矩大，不耐腐蚀，易泄漏等问题。

为了克服上述现有技术的不足，市场上出现了许多的陶瓷球阀及球芯，这些球芯的形状，基本上是所有规格的球芯外径与球芯通孔的比值a≤1.6，陶瓷材料也是多种多样，虽然在低压状态下使用不错，但是在高压场合应用时，却又会出现球芯碎裂的情况，严重影响了陶瓷球阀的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于改进已有技术的不足而提供一种突破常规球外径与球芯通孔的比值观念、密封可靠、扭矩轻盈、耐腐蚀和耐磨损性能高、使用寿命长、稳定性高的球阀陶瓷球芯。

本发明的目的是这样实现的，一种球阀陶瓷球芯，是由球芯体、球芯通孔和阀杆孔组成，其特点是球芯体外径与球芯通孔直径的比值a≥1.8。

为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的球芯体为氧化锆结构陶瓷。

为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的球芯体的上、下端为平面。

为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的阀杆孔为矩形盲孔。

本发明与现有技术相比具有以下显著特点和积极效果：本发明球芯体的球芯外径与球芯通孔直径的比值a≥1.8，颠覆现有技术设计球芯外径与球芯通孔直径的比值a≤1.6的理论，目前球芯体的性能设计没有规律性，很难控制，发展势必缓慢，本发明限定了球芯体的形状、规律了球尺寸的设计，为陶瓷球的设计提供理论性的指导，为以后的技术优化与累积奠定基础，本发明的设计以述数学模型为依据，从理论计算上研究其尺寸的最佳取值，从实际使用反馈是行研究其结构方案，具体如下：

F：球体施加在阀座上的推力；

Fn：分解力，F在阀座上的正压力；

Ft：分解力，F在阀座上的分解力;

a:  密封角；

R: 球半径；

L：密封水线直径（假设先密封）；

P：施加压差；

S：有效压力面积；

根据推力F=P*S，S=0.25πL², 0.5L=R*sina ； Fn=F*cosa； f=F_n·k；

f : 摩擦力；

k : 摩擦系数； 

得f=πR²·P·k·(sina)²·cosa =0.5πR²·P·k·sin2a·sina； --①

注：sina·cosa=0.5·sin2a；

再分析力矩，参照图3：对于密封水线的所有点，S=R·cosa ；

S： 每个点力矩；

a： 每个点与球心的连线跟水平面所成的夹角；

R： 球半径；

现在求从a=0°到a=密封角时所有力矩的平均值，从图4余弦曲线可以看出，在a取值范围0-90°时，随着a的增大，其平均值降低。故这里可以假设：

S平均=m·R·cosa ,            --②

m: 系数（这里认为是个常数）；

另因为填料对阀杆的摩擦力矩跟密封副出的摩擦力矩相比可忽略，所以

T≈密封副摩擦力矩=f·S平均       --③

T：球体转动时需要克服的摩擦力矩

由①②③可得 T= f·S平均=0.5πR²Pk·sin2a·sina · mR·cosa

              = 0.25πkm R³·P·sin²2a       -④

根据《球阀设计与选用》（章华友）北京科学技术出版社 P350(二、浮动球球阀阀杆与球体连接部分的计算)有公式：

安全系数α=T/0.12b²h                        --⑤

b:阀杆头宽度；

h：阀杆头部***球体的深度；

将④带入⑤得：

α=2.08π·sin²2a· kmP/b²·R³/h;             --⑥

h最大取值为R- r，这里要求阀杆孔为盲孔，所以有   h=c·（R- r）                         --⑦

c：常数；

R：球外径的半径；

r: 球口径的半径；

A:球外径与口径比值

设球外径与球口径的关系为R=A·r ；  --⑧

则⑦、⑧带入⑥得

α=2.08π·sin²2a· kmP/b²·A³·r³/ [c·r·(A-1)]  --⑨

对于口径、公称压力、密封角度、材质确定的阀门，

2.08π·sin²2a· kmP/b²·r²/ c可以认为是个常数，这里用B代替，故⑨可简化为

α=B·A³ / (A-1)=B·{A²+A+1+[1/(A-1)]}                --⑩

对方程式A²+A+1+[1/(A-1)]作图分析，见图5、图6，很明显，在大约A=1.5位置处，A²+A+1+[1/(A-1)]有最小值。从球本身整体抗压强度来考虑，A取值不宜在1.5以下，否则壁厚较小，容易碎裂。

所以本发明要求所有规格球芯的球外径与球芯通孔的比值a≥1.8的球芯。

为方便装配，球芯体的上下平面均磨平，阀杆孔为矩形盲孔。球芯体上下平面均磨平的益处是，利于阀杆孔加工，且下平面可作为阀杆孔备用面。阀杆孔设计为矩形的好处是可以在长度方向上以相对较小的尺寸提供最大的阀杆转动力矩，以降低球的挤压应力。设计为盲孔的目的是为了降低介质对阀杆的冲蚀，及降低浮动球因阀杆下装而可能产生的旋转偏移问题。

附图说明

    下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

    图1为本发明的一种结构示意图。

    图2为本发明的剖视图。

    图3为球与阀座每个接触点的力矩与这个点与球心的连线跟水平面所成的夹角的关系示意图。

图4为y=cosα, α取值0～90°的余弦曲线图。

图5为函数y=A2+A+1+[1/(A-1)]，A＞1的曲线示意图。

图6为图5的局部放大图。

具体实施方式

    实施例，一种球阀陶瓷球芯，参照图1、图2，是在球芯体1上设有球芯通孔2和阀杆孔3，球芯体1外径Q与球芯通孔2直径D的比值a≥1.8。

    球芯体1为氧化锆结构陶瓷，利用氧化锆的自润滑性能，可使得应用此球芯体1的球阀获得密封可靠，扭矩轻盈，耐腐蚀和耐磨损性能均极高的特点，使用寿命长、稳定性高，可以适应越来越高磨损、强冲刷等恶劣工况的需求。

    为方便装配，球芯体1的上下端为平面，阀杆孔3为矩形盲孔。

Claims (4)

1.一种球阀陶瓷球芯，是由球芯体（1）、球芯通孔（2）和阀杆孔（3）组成，其特征是球芯体（1）外径与球芯通孔（2）直径的比值a≥1.8。

2.根据权利要求1所述的一种球阀陶瓷球芯，其特征是所述的球芯体（1）为氧化锆结构陶瓷。

3.根据权利要求1所述的一种球阀陶瓷球芯，其特征是所述的球芯体（1）的上、下端为平面。

4.根据权利要求1所述的一种球阀陶瓷球芯，其特征是所述的阀杆孔（3）为矩形盲孔。