一种超高压大流量增压式液控截止阀及其应用

摘要

本发明涉及一种超高压大流量增压式液控截止阀，包括阀座、低压阀体和超高压阀体，所述的阀座与所述低压阀体的一端密封连接，所述低压阀体的另一端与所述超高压阀体相连；在所述阀座、低压阀体内贯通设置有活塞，所述的活塞将阀座和低压阀体组成的内腔分为Ⅰ油腔和Ⅱ油腔，在所述超高压阀体内设置有与所述活塞相连的活塞杆，在所述阀座上设置有进油口，在所述低压阀体上设置有回油口，在所述超高压阀体的前端设置有III油腔，在所述超高压阀体的前部设置有系统油出口；在所述Ⅲ油腔的一侧设置有卸荷口。本发明承压压力为125MPa的超高压大流量增压式截止阀，通过液压系统输出压力和流量对超高压大流量增压式截止阀进行控制，实现截止阀开关和保压，满足大流量和超高压要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高压大流量增压式液控截止阀及其应用，属于截断液流的控制元件的 技术领域。

背景技术

截止阀是液压系统中用以截断液流的控制元件，阀座通口的变化是与阀瓣行程成正比例 关系，属于强制密封式阀门，应用于工业技术领域，如注水泵站、高压气体动力系统、管路 清洗试压机、超高压试验台等液压系统中。

现有截止阀类型包括手动截止阀、电动截止阀和法兰闸阀。手动截止阀大都采用手动螺 纹机械调节阀口开度的方式，共同特点是人力旋转手轮，控制截止阀的关闭和开启，调节压 力一般在16MPa以下，通径在500mm以下，长期使用中发现，手动截止阀最大的缺点是启闭 力矩大、较费力，启闭时间较长，调节性能较差，动力消耗大且极易损坏手轮、转杆等零件， 致使阀失灵。电动截止阀和法兰闸阀由电动执行机构或气动执行机构和截止阀两部分组成， 电动截止阀适用于公称压力6～16MPa，只许介质单向流动，安装时有方向性，长期运行时， 密封可靠性不强。法兰闸阀主要用来接通或截断管路中的介质，通径可达600mm，承压达到 20MPa,但是不适用于调节介质流量。国外类似产品重载型气控阀工作压力达100MPa，但节 流口直径都在7/16英寸（11mm）以下，且压力越高口径越小。液体通过产生节流作用，节 流控制是一种不可逆的能量变化过程，存在较大的能量损失，不利于系统的高效利用，同时 价格昂贵。

目前国内所研究的主要针对采用手动开关阀调制开关方式的高压阀，缺少对压力高于 15Mpa的电控和液控超高压大流量截止阀的设计。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种超高压大流量增压式液控截止阀。

本发明还提供上述超高压大流量增压式液控截止阀的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种超高压大流量增压式液控截止阀，包括阀座、低压阀体和超高压阀体，所述的阀座 与所述低压阀体的一端密封连接，所述低压阀体的另一端与所述超高压阀体相连；在所述阀 座、低压阀体内贯通设置有活塞，所述的活塞将阀座和低压阀体组成的内腔分为Ⅰ油腔和Ⅱ 油腔，在所述超高压阀体内设置有与所述活塞相连的活塞杆，在所述阀座上设置有进油口， 在所述低压阀体上设置有回油口，在所述超高压阀体的前端设置有III油腔，在所述超高压 阀体的前部设置有系统油出口；在所述Ⅲ油腔的一侧设置有卸荷口；此处设计的优点在于， 如图4所示，超高压油液经过卸荷口卸荷以减小超高压引起的冲击；

在所述活塞靠近进油口的一端设置有节流口，在所述活塞杆的前端为锥台形，在所述活 塞杆的前端还通过螺柱、第一螺母固定设置有锥形密封圈。如图3所示，采用变节流面积的 方式进行缓冲。截止阀活塞在缓冲过程中，其节流口(缝隙)的通流面积，随行程而自动改变， 使Ⅰ油腔内的缓冲压力保持均匀或呈一定的规律变化，而取得满意的缓冲效果。

根据本发明优选的，所述锥形密封圈为铍青铜锥形密封圈。所述铍青铜是一种含铍铜基 合金（Be0.2～2.75%wt%），在所有的铍合金中是用途最广的一种，其用量在当今世界已超过 铍消费总量的70%。铍青铜是沉淀硬化型合金，固溶时效处理后具有很高强度、硬度、弹性 极限和疲劳极限，弹性滞后小，并具有耐蚀（铍青铜合金在海水中耐蚀速度：（1.1-1.4） ×10-2mm/年。腐蚀深度：（10.9-13.8）×10-3mm/年。）腐蚀后，铍青铜合金强度、延伸率均 无变化，故在海水中可保持40年以上，铍铜合金是海底电缆中继器构造体不可替代的材料。 在硫酸介质中：铍青铜在小于80%浓度的硫酸中（室温）年腐蚀深度为0.0012-0.1175mm，浓 度大于80%则腐蚀稍加快。

本发明超高压动密封结构采用往复式的密封。本发明在活塞上开槽放入密封件等达到密 封效果。密封材料选择铍青铜，采用圆筒衬套结构的密封方式，要依靠油液的粘性流动在衬 套两端产生压差使衬套抱紧在轴上，可是使密封效果达到700MPa。

根据本发明优选的，在所述阀座和低压阀体之间通过设置第一O型密封圈和第一O型密 封圈挡圈密封连接。本发明中采用O型密封圈的密封能力可以达到25Mpa，与O型密封圈挡 圈配合使用密封能力达30Mpa。考虑活塞杆回程缓冲时会使Ⅰ油腔压力瞬时增加，故选用O 型密封圈与O型密封圈挡圈组合使用。

根据本发明优选的，在所述活塞杆和超高压阀体之间通过设置第二O型密封圈和第二O 型密封圈挡圈密封连接。本发明当低压阀进油口停止通油时，活塞杆后退，高压大流量的油 液通过活塞杆11与超高压阀体8的间隙通过系统油出口流出，但高压油液会通过活塞杆与超 高压阀体内壁的间隙流入Ⅱ油腔；同时，当活塞回程到终点时，Ⅲ腔油液压力很小，低压阀 回油口继续供油时，油液可能倒流到Ⅲ油腔内，所以需要在超高压阀体活塞杆上设置第二O 型密封圈和第二O型密封圈挡。

根据本发明优选的，所述活塞和活塞杆之间通过设置第三O型密封圈和第三O型密封圈挡 圈密封连接。

根据本发明优选的，所述活塞与所述低压阀体之间设置有导向支撑环，在所述导向支撑 环的两边设置有Y型密封圈，使所述活塞与所述低压阀体密封连接。由于活塞尺寸较大，需 要导向支撑环导向支撑。Y型密封圈广泛应用于往复动密封装置中，其使用寿命高于O型密 封圈。Y型密封圈的适用工作压力达40MPa，密封性能可靠，摩擦阻力小，运动平稳，工作温 度为-30～80℃。Ⅰ油腔和Ⅱ油腔都是中低压，故选用Y型密封圈双向密封。

根据本发明优选的，阀座与所述低压阀体的一端通过内六角圆柱头螺钉和第二弹簧垫圈 密封连接。如图1所示，为保证装配体活塞杆与阀底的同轴度，结构简单、便于拆装，采用 法兰连接。

根据本发明优选的，所述低压阀体的另一端与所述超高压阀体通过锥形螺纹密封相连。

根据本发明优选的，所述低压阀体和超高压阀体的表面粗糙度Ra=0.2～0.4μm；所述低 压阀体和超高压阀体内径圆度公差按9级精度选取；所述低压阀体和超高压阀体端面垂直度 公差按7级精度选取；所述锥形螺纹密封连接采用6级精度的米制螺纹；在低压阀体和超高 压阀体的内表面镀以厚度为30～40μm的铬层。镀后珩磨或抛光，可以防止腐蚀和提高寿命。 锥形密封管螺纹的内外螺纹配合紧密，具有非锥度螺纹没有的密封性能，同时连接结构紧凑。 螺纹配合涂装密封胶保证很好的密封性能。

根据本发明优选的，对所述活塞杆加工后调质到硬度229～285HB。

根据本发明优选的，在对活塞杆加工后调质到硬度229～285HB后，再经过高频淬火， 硬度达45～55HRC；圆度公差值按9级精度选取；端面垂直度公差值按7级精度选取；活塞 杆上螺纹按照6级精度加工；活塞杆表面镀铬，镀层厚度0.05mm，镀厚抛光。

根据本发明优选的，所述低压阀体的横截面直径是超高压阀体横截面直径的5倍。此设 计一种超高压大流量增压式截止阀，保证低压腔直径是高压腔的5倍，是使高压腔承受125Mpa 压力，设计大管径阀口满足大流量需要。根据截止阀性能仿真：设低压阀体端代号1，超高 压阀体端代号2。Ⅰ油腔缸径为D₁，活塞受力面积为S₁，受力为F₁，压力为P₁；III油腔缸径 为D₂，活塞杆受力面积为S₂，受力为F₂，压力为P₂。根据力平衡原理,活塞杆两端受力相等则设 计应满足低压阀体直径是超高压阀体直径的5倍。

根据本发明优选的，所述阀座、低压阀体、活塞和活塞杆的材质均为45号钢,热处理温 度为740～760℃，保温时间4～6h，以50～100℃/h的冷速，随炉降至温度≤600℃，出炉空 冷，处理前硬度≤197HBS，处理后硬度≤156HBS。由于阀座、低压阀体、活塞和活塞杆承受 压力较小，但是需要一定的抗冲击性能。45号钢是常用中碳调质结构钢，具有较高的强度和 较好的切削加工性,经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性,材料来源方便， 所以阀底、低压阀体、活塞和活塞杆采用45号钢。

根据本发明优选的，所述超高压阀体的材质为40Cr合金钢，调质处理，淬火温度850℃ ±10℃，油冷调质，硬度在HRC32-36之间。由于超高压阀体需承受125Mpa的超高压，因此 对超高压阀体的强度要求很高，对材料缺口很敏感，40Cr合金钢调质处理后具有良好的综合 力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性，因此，截止阀的超高压阀体采用40Cr合 金钢。

根据本发明优选的，所述阀座端面与轴线垂直度公差值按7级精度选取；阀座内导向孔 表面粗糙度Ra=1.25μm。

一种如上述超高压大流量增压式液控截止阀的应用，包括如下步骤：

启动电机带动齿轮泵对系统供油，三位四通换向阀电磁铁1YA通电，电磁阀芯处于左位， 进入工作，油液经过液控单向阀对超高压大流量增压式液控截止阀进油口P，推动活塞移动， 使得活塞杆上的铍青铜密封圈紧密贴合在阀体锥面上。电磁铁1YA断电，电磁阀芯处于中位， 主阀芯两端都不通压力油，在弹簧作用下主阀芯处于中位，超高压大流量增压式液控截止阀 进油口、回油口T被封闭。接系统油路的高压油被超高压大流量增压式液控截止阀截断，产 生超高压，对液压管路进行超高压试压和爆破；

如果系统产生的超高压油直接通过活塞杆间隙卸荷，对截止阀部件造成很大冲击，因此， 需要通过如图4所示的卸荷口预卸荷。如图5所示，重载常闭气控单向阀37能够承受160Mpa 的压力，通过重载常闭气控单向阀37控制卸荷口的开关，超高压油经过卸荷口预卸荷后压力 能降到30Mpa；

三位四通换向阀的电磁铁2YA通电，电磁阀芯处于右位，进入工作，油液经过超高压大 流量增压式液控截止阀回油口T供油，液控单向阀处于关闭状态，对活塞杆具有一定的缓冲 能力,当回油口T进入的油液压力达到液控单向阀的开启压力时，液控单向阀打开，活塞杆后 退，系统油液经活塞杆与超高压阀体内壁的大间隙的系统油出口流出，达到油液大流量冲洗 的目的。

本发明的优点在于：

本发明在详细分析现有截止阀的缺点的基础上，设计了一种克服上述缺点且能实现超高 压大流量的增压式液控截止阀。在超高压下，靠介质压力使密封件与阀座紧密贴合实现有效 密封。现有的技术难题问题包括结构设计不合理造成材料失效、密封性能不足导致泄漏量过 大、缓冲卸荷冲击过大。

本发明承压压力为125MPa的超高压大流量增压式截止阀，其关键是设计阀芯、阀座的结 构以满足强度、大流量和缓冲要求，以及合适的密封结构和材料满足密封要求。超高压大流 量增压式截止阀的设计主要有四方面：增压式结构设计、密封结构设计、缓冲结构设计、阀 开关控制设计。超高压大流量增压式截止阀主要由阀体、阀开关控制部分组成，通过液压系 统输出压力和流量对超高压大流量增压式截止阀进行控制，实现截止阀开关和保压，满足大 流量和超高压要求。

附图说明

图1超高压大流量增压式液控截止阀装配图；

图2铍青铜密封圈的结构图；

图3活塞杆缓冲节流口的结构图；

图4卸荷口的结构图；

图5超高压大流量增压式液控截止阀开关控制系统的原理图；

图6为利用solidworks软件绘制的低压阀体三维模型图；

图7为利用ansys有限元软件对低压阀体网格划分图；

图8为利用ansys有限元软件分析低压阀体应力分布图；

图9为利用ansys有限元软件分析低压阀体位移分布图；

图10为利用solidworks软件绘制的超高压阀体三维模型图；

图11为利用ansys有限元软件对超高压阀体网格划分；

图12为利用ansys有限元软件分析超高压阀体应力分布；

图13为利用ansys有限元软件分析超高压阀体位移分布。

在图1-5中，1-阀座；2-低压阀体；3-第一O型密封圈；9-第二O型密封圈；16-第三O 型密封圈；4-第一O型密封圈挡圈；10-第二O型密封圈挡圈；17-第三O型密封圈挡圈； 5-活塞；6-导向支撑环；7-Y型密封圈；8-超高压阀体；11-活塞杆；12-铍青铜密封圈；13- 螺柱；14-第一螺母、19-第二螺母；20-第三螺母；15-第一弹簧垫圈；18-内六角圆柱头螺钉； 19-第二弹簧垫圈；21-第三弹簧垫圈；22-节油口；23-进油口；24-回油口；25-锥螺纹；26- 系统油出口27-卸荷口；I为I油腔；II为II油腔；III为III油腔；31-电机；32-齿轮泵； 33-三位四通换向阀；34-液控单向阀；35-本发明的截止阀；36-溢流阀；37-重载常闭气控单 向阀；38-接系统油路；39-接回油路。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1-5所示。

一种超高压大流量增压式液控截止阀，包括阀座1、低压阀体2和超高压阀体8，所述 的阀座1与所述低压阀体2的一端密封连接，所述低压阀体1的另一端与所述超高压阀体8 相连；在所述阀座1、低压阀体2内贯通设置有活塞5，所述的活塞5将阀座1和低压阀体2 组成的内腔分为Ⅰ油腔和Ⅱ油腔，在所述超高压阀体8内设置有与所述活塞5相连的活塞杆 11，在所述阀座1上设置有进油口23，在所述低压阀体2上设置有回油口24，在所述超高压 阀体8的前端设置有III油腔，在所述超高压阀体8的前部设置有系统油出口26；在所述Ⅲ 油腔的一侧设置有卸荷口27；

在所述活塞5靠近进油口23的一端设置有节流口22，在所述活塞杆11的前端为锥台形， 在所述活塞杆11的前端还通过螺柱13、第一螺母14固定设置有锥形密封圈。

所述锥形密封圈为铍青铜锥形密封圈12。

在所述阀座1和低压阀体2之间通过设置第一O型密封圈3和第一O型密封圈挡圈4密 封连接。

在所述活塞杆11和超高压阀体8之间通过设置第二O型密封圈9和第二O型密封圈挡圈 10密封连接。

所述活塞5和活塞杆11之间通过设置第三O型密封圈16和第三O型密封圈挡圈17密封 连接。

所述活塞5与所述低压阀体2之间设置有导向支撑环6，在所述导向支撑环6的两边设 置有Y型密封圈7，使所述活塞5与所述低压阀体2密封连接。

阀座1与所述低压阀体2的一端通过内六角圆柱头螺钉18和第二弹簧垫圈19密封连接。

所述低压阀体2的另一端与所述超高压阀体8通过锥形螺纹密封相连。

所述低压阀体2和超高压阀体8的表面粗糙度Ra=0.2～0.4μm；所述低压阀体2和超高 压阀体8内径圆度公差按9级精度选取；所述低压阀体2和超高压阀体8端面垂直度公差按 7级精度选取；所述锥形螺纹密封连接采用6级精度的米制螺纹；在低压阀体2和超高压阀 体8的内表面镀以厚度为30～40μm的铬层。

对所述活塞杆11加工后调质到硬度229～285HB。

实施例2、

如实施例1所述的一种超高压大流量增压式液控截止阀，其区别在于，在对活塞杆11 加工后调质到硬度229～285HB后，再经过高频淬火，硬度达45～55HRC；圆度公差值按9级 精度选取；端面垂直度公差值按7级精度选取；活塞杆上螺纹按照6级精度加工；活塞杆表 面镀铬，镀层厚度0.05mm，镀厚抛光。

实施例3、

如实施例1所述的一种超高压大流量增压式液控截止阀，其区别在于，所述低压阀体的 横截面直径是超高压阀体横截面直径的5倍。

所述阀座、低压阀体、活塞和活塞杆的材质均为45号钢,热处理温度为740～760℃，保 温时间4～6h，以50～100℃/h的冷速，随炉降至温度≤600℃，出炉空冷，处理前硬度≤ 197HBS，处理后硬度≤156HBS。

所述超高压阀体的材质为40Cr合金钢，调质处理，淬火温度850℃±10℃，油冷调质， 硬度在HRC32-36之间。

所述阀座端面与轴线垂直度公差值按7级精度选取；阀座内导向孔表面粗糙度 Ra=1.25μm。

实施例4、

一种如实施例1-3所述超高压大流量增压式液控截止阀的应用，包括如下步骤：

启动电机31带动齿轮泵32对系统供油，三位四通换向阀33电磁铁1YA通电，电磁阀芯 处于左位，进入工作，油液经过液控单向阀34对超高压大流量增压式液控截止阀进油口P23， 推动活塞5移动，使得活塞杆11上的铍青铜密封圈12紧密贴合在阀体锥面上。电磁铁1YA 断电，电磁阀芯处于中位，主阀芯两端都不通压力油，在弹簧作用下主阀芯处于中位，超高 压大流量增压式液控截止阀进油口23、回油口T24被封闭。接系统油路的高压油被超高压大 流量增压式液控截止阀截断，产生超高压，对液压管路进行超高压试压和爆破；

三位四通换向阀33的电磁铁2YA通电，电磁阀芯处于右位，进入工作，油液经过超高压 大流量增压式液控截止阀回油口T24供油，液控单向阀34处于关闭状态，对活塞杆11具有 一定的缓冲能力,当回油口T24进入的油液压力达到液控单向阀34的开启压力时，液控单向 阀34打开，活塞杆11后退，系统油液经活塞杆11与超高压阀体8内壁的大间隙的系统油 出口流出，达到油液大流量冲洗的目的。

对本发明所述截止阀结构有限元分析

对本发明所述超高压截止阀体进行结构分析能够为我们确定结构尺寸提供依据，并根据 强度分析结果优化截止阀的基本尺寸。

本发明所述截止阀低压阀体材料为45号钢，该材料的弹性模量为210GPa，密度为 抗拉强度600MPa；超高压阀体材料为40Cr，该材料的弹性模量为201GPa， 密度为抗拉强度980MPa。

重点检验截止阀阀体的变形和应力，所以建模时对阀体单独考虑。在不考虑活塞变化的 情况下，对阀体进行结构静力分析。

阀体的三维模型如图6、10。有限元分析主要检测载荷对模型结构的作用。网格划分如 图7、11。网格划分后对模型施加约束模拟实际工程情况，为其指定边界和载荷。

实际应用中，阀底部受力和变形均较小，可以在阀底部施加轴向位移约束。在阀内壁加 载荷时只在收液压力作用的部分施加压力。阀体施加载荷后如图8、12，低压阀体最大应力 为39.142MPa，超高压阀体最大应力为390.88MPa。所以阀体的设计满足条件。

从图9、13可以看出，阀体内壁承受超高压的部分产生的位移很小，不会影响到密封效 果。