CN205371758U - 电磁球阀 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电磁球阀，其阀体包括进液口、出液口、控制油道以及连通进液口和出液口的连接通道，其中球芯安装在连接通道内，连接通道的锥形内壁具有一圈与球芯外壁匹配的球面形连接部，球芯与球面形连接部形成面密封。该连接部可与球形阀芯的外表面贴合密封，该密封结构的灵敏性、密封性、可靠性及耐用性能都相对现有技术有所提高，可满足常压、高压、超高压甚至超超高压液压***成套设备的实际需求和技术要求。

Description

电磁球阀

技术领域

本申请涉及一种控制阀类，尤其是涉及一种电磁球阀。

背景技术

控制阀类是液压***主要原器件之一，其中电磁球阀是控制阀类的一种。电磁球阀就是阀芯为球形的电磁控制阀，它除具备电磁阀所有特点外，还有其独有的一些特性。其以电磁铁的推力为驱动力推动钢球来实现油路通断的球式电磁换向阀，适用于以各种矿物油为工作介质的二通插装阀组件，以实现无泄漏的先导控制。在满足降压——流量特性要求时，也可作为其他执行机构的方向控制。其中的超高压电磁球阀主要用作直接控制油液的开启、停止和流动方向。

现有电磁球阀主要是金属的球芯和阀体(阀座)配合，其接触或碰撞的是同材质或接近材质，这就使得球芯容易磨损、局部碰撞而失效损坏，关键是其密封副是一种线密封，这种线性密封接触面窄细，密封等级低，密封不严，容易造成调压失灵，使得单阀芯容易损坏。

正是由于现有电磁球阀密封结构的限制，使得其无法适应高压、超高压液压***的要求，从而导致目前市面上缺少适用于高压、超高压液压***的溢流阀产品。

发明内容

本申请提供一种新型的电磁球阀。

本申请提供的电磁球阀，包括：

阀体，所述阀体包括进液口、出液口、控制油道以及连通进液口和出液口的连接通道；

活塞套，所述活塞套安装在阀体上，其具有前活塞腔；

螺盖，所述螺盖安装在阀体上，其具有后活塞腔，所述前活塞腔和后活塞腔分别连通于连接通道的两侧，所述进液口与前活塞腔通过控制油道连通；

球芯，所述球芯安装在连接通道内，所述连接通道的锥形内壁具有一圈与球芯外壁匹配的球面形连接部，所述球芯与球面形连接部形成面密封；

前活塞，所述前活塞安装在前活塞腔内，其作用于球芯的一端，用于将球芯推离连接通道的球面形连接部；

后活塞，所述后活塞安装在后活塞腔内，其作用于球芯的另一端，用于将球芯推向连接通道的球面形连接部；

以及电磁铁组件，所述电磁铁组件包括电磁铁和传动机构，所述传动机构的输出端可驱动前活塞推动球芯，打开连接通道。

作为所述电磁球阀的进一步改进，所述球芯为特陶材料制成的特陶球。

作为所述电磁球阀的进一步改进，所述阀体采用合金钢或特种不锈钢制成。

作为所述电磁球阀的进一步改进，在活塞套和前活塞之间还设置有密封件，所述密封件为聚氨酯材料制成的密封件。

作为所述电磁球阀的进一步改进，φ6-φ10通径的前活塞与活塞套的配合间隙为0.050mm-0.100mm。

作为所述电磁球阀的进一步改进，φ12-φ18通径的前活塞与活塞套的配合间隙为0.060mm-0.130mm。

作为所述电磁球阀的进一步改进，φ20-φ25通径的前活塞与活塞套的配合间隙为0.080mm-0.160mm。

作为所述电磁球阀的进一步改进，所述后活塞与螺盖之间设置有用于推动后活塞向球芯移动的弹性件。

作为所述电磁球阀的进一步改进，所述弹性件为弹簧。

作为所述电磁球阀的进一步改进，所述传动机构为杠杆，所述电磁铁作用于杠杆的一端，所述杠杆的另一端作用于前活塞。

本申请的有益效果是：

本申请提供的电磁球阀，其阀体包括进液口、出液口、控制油道以及连通进液口和出液口的连接通道，其中球芯安装在连接通道内，连接通道的锥形内壁具有一圈与球芯外壁匹配的球面形连接部，球芯与球面形连接部形成面密封。该连接部可与球形阀芯的外表面贴合密封，该密封结构的灵敏性、密封性、可靠性及耐用性能都相对现有技术有所提高，可满足常压、高压、超高压甚至超超高压液压***成套设备的实际需求和技术要求。

附图说明

图1为本申请电磁球阀一种实施例的结构示意图；

图2为图1中球芯和连接通道配合示意图；

图3为图2中连接通道的球面形连接部示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚透彻的理解，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。

然而，本领域的技术人员可能会意识到其中的一个或多个的具体细节描述可以被省略，或者还可以采用其他的方法、组件或材料。在一些例子中，一些实施方式并没有描述或没有详细的描述。

此外，本文中记载的技术特征、技术方案还可以在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合。对于本领域的技术人员来说，易于理解与本文提供的实施例有关的方法的步骤或操作顺序还可以改变。因此，附图和实施例中的任何顺序仅仅用于说明用途，并不暗示要求按照一定的顺序，除非明确说明要求按照某一顺序。

实施例一：

本实施例提供一种电磁球阀。

请参考图1，该电磁球阀包括阀体100、活塞套200、螺盖300、球芯400、前活塞500、后活塞600以及电磁铁组件。

该阀体100包括进液口P、出液口T、控制油道110以及连通进液口P和出液口T的连接通道120。活塞套200安装在阀体100上，其具有前活塞腔，用于安装前活塞500，该前活塞腔与连接通道120相通。螺盖300安装在阀体100上，其具有后活塞腔，用于安装后活塞600，其与连接通道120相通。前活塞腔和后活塞腔分别连通于连接通道120的两侧，进液口P与前活塞腔通过控制油道110连通。

请参考图2和3，球芯400安装在连接通道120内，连接通道120的锥形内壁121具有一圈与球芯400外壁匹配的球面形连接部122，球芯400与球面形连接部122形成面密封。

请参考图1，前活塞500安装在前活塞腔内，其作用于球芯400的一端，用于将球芯400推离连接通道120的球面形连接部122。后活塞600安装在后活塞腔内，其作用于球芯400的另一端，用于将球芯400推向连接通道120的球面形连接部122。该连接部122可与球芯400的外表面贴合密封，该密封结构的灵敏性、密封性、可靠性及耐用性能都相对现有技术有所提高，可满足常压、高压、超高压甚至超超高压液压***成套设备的实际需求和技术要求。

请参考图1，电磁铁组件包括电磁铁710和传动机构，传动机构的输出端可驱动前活塞500推动球芯400，打开连接通道120。

具体地，请参考图1，该传动机构为杠杆720，阀体100上可设置后盖730罩盖住杠杆720。电磁铁710作用于杠杆720的一端，杠杆720的另一端作用于前活塞500。

为了使后活塞600能够及时复位，后活塞600与螺盖300之间设置有用于推动后活塞600向球芯400移动的弹性件800，例如弹簧。

进一步地，关于该球面形连接部122，请参考图3，连接部纵向(即流体介质进出方向)截面上的弧线的曲率半径与球芯400的半径相同。

所示连接部可由以下方法制成，方法包括：

连接部可选择球芯400挤压连接通道120内壁而制成。

具体地，对球芯400施以预紧力，使球芯400抵压连接通道120上的锥形内壁，形成与球芯400外表面相贴合的连接部。

其中，球芯400材料的硬度高于阀体100材料的硬度，例如球芯400采用特陶材料(又称为特种陶瓷、精细陶瓷)制成，本实施例采用如氧化铝、氧化锆、氮化硅或碳化硅等制成的特陶材料。该特陶材料可采用现有高精度(圆度10G以上)，高硬度和高韧性特陶瓷球，或者，在其他实施例中，球芯400也可以采用硬质合金等球芯400材料，阀体100则相应采用硬度较低的材料制成。在球芯400选用特陶材料时，阀体100采用合金钢或特种不锈钢制成。

而在制作连接部的过程中，具体说来，制作原理如下：

将压机作用于球芯400，压机大吨位超高单位压力转化为夹紧球面和锥面的预紧力，在预紧力的作用下，球表面和锥形孔内壁相互贴合、相互压缩，逐渐形成接触面。

从宏观上来看，两个面在初始接触后，即可形成一弧形的密封连接部。但从微观上来看，金属表面都有许多不同形状的凸峰和凹谷组成，初始接触只发生在表观面积的极小部分，要实现表面接触的紧密接触，需要一个逐渐压紧和磨合的过程。根据表面接触的粘合理论，在简单载荷作用下，真正接触点上的接触应力足以产生塑性变形，形成小平面接触，直到接触面增大到承受全部载荷为止。

本申请采用的高精度、高硬度的特陶材料屈服强度很大，难以屈服，锥面材料(合金、特种不锈钢)屈服强度较低，易于发生塑性变形。

对于接触密封而言，要保证密封的可靠性，应使球面和锥面之间的微观空隙完全消失。要达到这一效果，就要让较软材料(合金、特种不锈钢)表面整体充分发生塑性变形，这样既能让软材料表面的凸凹之处被充分压平，又能通过软材料微观塑性流动填满球面表面的微观空隙。因此，根据高压、超高压、超超高压不同压力等级，不同的球阀球面密封阀副，不同大小的通径，不同的阀体材料，合理设计专机施压的压力和施压工艺曲线，使锥形孔内壁整体充分发生塑性变形和强化。

经计算，球面与锥面压合形成的接触面是一条轴对称的斜环面(该连接部纵向截面实际为弧形，这里为了方便计算，计算时将其展平，视为简单斜面)，连接部区域位于锥面中间偏上部分。随着预紧力的逐渐增大，密封段宽度逐渐变宽，密封应力逐渐增大。在环向同一圆环上各点受接触应力大小相同，但在球面切向方向，各点应力有一定的变化。在密封段中点附近压力最大，在临近区域应力大小也只是略有波动，变化平缓。直到接触区域的边缘部分，接触应力骤然下降到很小。因此，密封性能依靠密封区域的除去两端外的中间区域来保证。

在施压的过程中，密封宽度和密封面积从零开始逐渐增大。密封段宽度越宽，密封性能相对较好，相对较大的预紧力将有利于密封。

在很多密封结构设计方法中都将接触应力作为密封性能的评价标准，接触面压力越大，密封连接越紧密，密封性能越好。在预紧力施压过程中，在密封面积增大的同时，接触应力也在逐渐增大，当预紧力增加，应力达到锥面材料屈服极限时，开始发生塑性变形。应力的增长和面积增大联合作用，能使密封性能在施压加工中快速增强。同时随预紧力增大的应力增长速度逐渐减缓，能使接触面处于相对安全的应力范围内，避免因应力过大导致本申请阀副开闭灵敏性降低。

对于球面材料来说，在施压过程和使用过程球面密封结构各部分都在承受力的作用，而球面上端面转角位置发生应力集中，本申请球面密封阀芯的设计研制及加工施压的最大值，不可能选择接近到球面材料的屈服极限，而是远小于球面材料强度极限，施压过程和使用过程整个变形都是在弹性变形范围内。而锥面部分除在接触位置附近发生塑性变形、应力较大外，其余位置应力很小，小于屈服极限强度。

综上所述，采用不同材料、大硬度差的阀芯和阀体100(阀座)基材组成球面密封结构阀副，不单单在理论上有坚实依据，在实际应用也得到可靠验证。

本申请可根据不同功能用途、不同通径、不同压力等级，选择不同的球面材料和锥面材料，不同的加工施压曲线，将本申请技术应用于系列产品中。

除本实施例所示直接利用球芯挤压锥形孔壁形成连接部外，还可通过其他工艺，如机械加工，在锥形孔壁上加工成连接部。

针对现有电磁球阀的问题，本申请还采用了特种陶瓷材料来制作电磁球阀的阀芯，即特陶球阀芯和金属阀体(阀座)组成密封阀副。由于该特种陶瓷材料的优异工程特性，120℃以下膨胀基本为零密封性不受影响，所以本申请的特陶球阀芯是稳定的，在液压***可能出现的高温范围内(一般不会超过90℃)球阀芯尺寸可保持稳定不变，所以本电磁球阀的密封阀副只需考虑阀体(阀座)的受热变形。本申请的阀体(阀座)经前述加工工艺已形成一个有一定宽度的与阀芯球相适配的球形环面，该球形环面部分是被挤压塑变的痕迹带，其材料性质有较大改变，即更加致密和稳定，在受热时热胀性自弧边沿向弧底有减缓趋势，而该球形弧面是有一定宽度的，热涨性至多是让与特陶球阀芯相适配的球形弧带宽度有些许变化，阀副依然有能保证超高压密封所需要的密封带宽度，所以完全可以满足200MPa以内超高压液压***的工况；本申请采用特制的特种陶瓷材料，解决了耐磨度、寿命、硬度、密度、耐压度都大幅提高的问题，满足超高压液压***用电磁球式换向阀的技术需求；特陶阀芯完全可以达到G10及以上的高圆度和高精度要求，完全不用另外的密封材料，直接利用形成的球形密封环带起密封作用；由于配合阀副之间是球体和球形凹环带的面密封，所以摩擦阻力小，高灵活性，开闭方便，发热少，寿命长，不用任何密封材料，所以结构简单紧凑成本低，尺寸小；特陶阀芯耐温很高，可在高温环境中使用，由于特陶材料的自润滑性，只要更换阀体、通路等处的材质，就能用于各种流体介质，还因为其很好的抗蚀性，可广泛应用到酸碱盐等腐蚀性环境中，如海洋、化工、石油等领域；由于特陶阀芯的特种陶瓷材料较小的热胀冷缩性能、较高的硬度和弹性模量，因而加工热胀变形和冷塑性都较小。所以，不单可以达到极高要求的精度，还有利于在线配合检测和超精尺寸控制，可以做到通配，适合批量生产；以本申请技术工艺特陶球阀芯与金属阀体(阀座)组成的阀副制成的电磁球阀，其换向性能、压力损失、内泄露量、换向和复位时间、换向频率、使用寿命等性能指标相对现有金属阀副制成的电磁球阀都明显优异，关键是实现了在超高压70MPa以上至200MPa以上正常使用。

进一步地，在活塞套200和前活塞500之间还设置有密封件900，常压范围内常用的密封件为O形圈等成型填料密封圈。如O形橡胶圈的密封件，它是一种简单而通用有效的密封类型，成本低廉，密封性能良好。而且在通常情况下，用作往复密封时比唇形密封有较低的摩擦。但是，在超高压液压环境中就完全不同了，其无法满足较高的液压环境。

对此，本实施例采用的密封件900为聚氨酯材料制成，它有很好的耐磨损和抗挤出性能，非常适合用作高压密封件或微型密封件。聚胺酯材料，具有低摩擦系数、高耐磨性能、尺寸稳定、公差紧凑、抗挤出损坏、耐磨损，其工作周长拉伸和压缩变形较小，很难出现永久变形，硬度范围比较适合超高压。现代热塑性聚胺酯(TPU)密封件的工作温度已从-40℃～+120℃，并且对化学性强的介质也可适应。同时，也保持了高抗挤出能力和耐磨性好等基本性能。具有一点的自润滑性，即使在没有润滑的情况下，活塞杆密封件也可以在10MPa的压力下以0.05m/s的速度往复运动。通过对ISO标准油缸活塞密封件的长期测试表明，聚胺酯材料密封件的寿命是同样形状尺寸丁腈橡胶材料密封件的5～6倍。

进一步地，本申请前活塞500两端的滑动密封，经长时期实验，设计出系列的超高压电磁球阀的前活塞500密封方案：

前活塞500与活塞套200之间选择较小的配合间隙，以有利于超高压密封，根据通径规格设计φ6-φ10通径的前活塞500与活塞套200的配合间隙(也就是密封件900的最大挤出间隙)为0.050mm-0.100mm；φ12-φ18通径前活塞500与活塞套200的配合间隙(最大挤出间隙)为0.060mm-0.130mm；φ20-φ25通径前活塞500与活塞套200的配合间隙(最大挤出间隙)为0.080mm-0.160mm。

相对密封件900运动表面即活塞套200的两个配合内孔面粗糙度控制在Ra0.2-0.8μm，其表面硬度控制在HRc42-HRc55；因尺寸规格偏小密封件900采用非组合单体设计，密封圈截断面为矩形底部顶部带圆弧面的截面设计；密封材料选择高硬度聚氨酯PU，硬度范围选择邵氏硬度48D-63D，如采用PU57D高硬度聚氨酯或PU63D超高硬度聚氨酯材料；压缩率设计为3％-18％，密封圈内径小于φ8的取3％-8％，φ8-φ30的取8％-18％等。

请参考图1，本实施例所示电磁球阀工作过程简述如下：

本申请电磁球阀处于常闭状态，在弹簧800和后活塞600的作用下，球芯400贴合在阀体100锥孔内面的球面形连接部122内，高压液压油从油口P进入阀体100右腔并通过控制油道110进入活塞套200内前活塞500两端密封件900之间的左腔体，此时右腔通过后活塞600作用于球芯400的面积大于左腔体前活塞500作用于球芯400的面积，也就是存在作用力差，形成一个向左的作用力，从而是球芯400更加紧密地压合在其球面形连接部122内，这就是电磁球阀的密封状态即闭合状态。

由于本申请电磁球阀采用了前述的环形球面密封，同时采用高圆度高精度特种陶瓷材料球做阀芯，加上特有设计的推杆两端高硬度车削密封，使得形成以完整的密闭空间，该空间由阀体100的内空腔与螺盖300及其密封件、球芯400、活塞套200及其密封件、高硬度车削密封900组成，从而满足了70-200MPa超高压液压油的密封要求，实现有效密封。

当需要开启时，电磁铁710线圈得电，衔铁711向左运动作用于位于后盖730内的杠杆720，杠杆720将衔铁711向左推力放大后通过杠杆720底部的钢球作用于前活塞500左端面上，推动前活塞500向右运动，前活塞500右端面推动中间杆130再推动球芯400，此时由于左腔体内是与进油口P一样的高压油，这就提供了一个向右作用的抵消力，即杠杆720放大后向右的推力只需克服前活塞500、中间杆130、后活塞600的摩擦阻力和弹簧800的阻力及右腔体与左腔体作用面积压差即可，而不是需要克服摩擦阻力、弹簧力和全部超高压作用在球芯400上的阻力，所以，经放大的电磁铁710推力足以满足要求，从而做到超高压电磁球阀开启灵活可靠。需关闭时，电磁铁710线圈失电，球芯400立即恢复到原始的常闭状态。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种电磁球阀,其特征在于，包括：

阀体，所述阀体包括进液口、出液口、控制油道以及连通进液口和出液口的连接通道；

活塞套，所述活塞套安装在阀体上，其具有前活塞腔；

螺盖，所述螺盖安装在阀体上，其具有后活塞腔，所述前活塞腔和后活塞腔分别连通于连接通道的两侧，所述进液口与前活塞腔通过控制油道连通；

球芯，所述球芯安装在连接通道内，所述连接通道的锥形内壁具有一圈与球芯外壁匹配的球面形连接部，所述球芯与球面形连接部形成面密封；

前活塞，所述前活塞安装在前活塞腔内，其作用于球芯的一端，用于将球芯推离连接通道的球面形连接部；

后活塞，所述后活塞安装在后活塞腔内，其作用于球芯的另一端，用于将球芯推向连接通道的球面形连接部；

以及电磁铁组件，所述电磁铁组件包括电磁铁和传动机构，所述传动机构的输出端可驱动前活塞推动球芯，打开连接通道。

2.如权利要求1所述的电磁球阀，其特征在于，所述球芯为特陶材料制成的特陶球。

3.如权利要求2所述的电磁球阀，其特征在于，所述阀体采用合金钢或特种不锈钢制成。

4.如权利要求2所述的电磁球阀，其特征在于，在活塞套和前活塞之间还设置有密封件，所述密封件为聚氨酯材料制成的密封件。

5.如权利要求3所述的电磁球阀，其特征在于，φ6-φ10通径的前活塞与活塞套的配合间隙为0.050mm-0.100mm。

6.如权利要求3所述的电磁球阀，其特征在于，φ12-φ18通径的前活塞与活塞套的配合间隙为0.060mm-0.130mm。

7.如权利要求3所述的电磁球阀，其特征在于，φ20-φ25通径的前活塞与活塞套的配合间隙为0.080mm-0.160mm。

8.如权利要求1至7中任一项所述的电磁球阀，其特征在于，所述后活塞与螺盖之间设置有用于推动后活塞向球芯移动的弹性件。

9.如权利要求8所述的电磁球阀，其特征在于，所述弹性件为弹簧。

10.如权利要求8所述的电磁球阀，其特征在于，所述传动机构为杠杆，所述电磁铁作用于杠杆的一端，所述杠杆的另一端作用于前活塞。