航天用低温球阀的研究

    球阀作为一种重要的阀门种类，在管线设计部门得到广泛的选用，主要原因是其流阻系数小，在同压力级的阀门种类中质量相对较轻，重心低，抗震好。作为埋藏管线，其埋深浅。阀门启闭和开度标识位置好，视觉明显，可快速启闭。普通球阀启闭密封副的必须密封比压，有依靠非金属阀座的材料弹性，在产品装配或设备修理时预先调整对球体夹紧的预紧力来产生必须密封比压，这样的结构一般是浮动球球阀。有采用在金属阀座与阀体配合部位之间内置金属弹性元件，当然也要预先调整对球体夹紧的预紧力来获得必须密封比压，这样的结构一般是固定球球阀。这些球阀在启闭过程中，预紧力始终作用在启闭密封副的摩擦面上，致使普通球阀启闭力矩大于其他类型的阀门。

    1 技术发展分析

    近年来出现了一些球阀的新结构，在解决球阀启闭力矩大和使启闭件密封副必须密封比压由外力施加等问题上采取了一些措施。结构形式有如下几种：①预先压紧密封（采用聚四氟乙烯等软质材料阀座，安装时预先压紧球面，形成密封）；②弹性平动贴紧密封（以弹性阀座或弹性元件推动阀座向球面平行移动，贴紧球面而形成密封）；③球体摆动压紧密封（如轨道球阀，专利申请号为9724263818的“一种阀门”，即以球体或球瓣下端的方向节或链为支点，通过阀杆上的凸轮机构或撑拢盘等机构，将球体或球瓣以一定角度向阀座倾斜摆动，压紧阀座并形成密封）；④斜面撑开球瓣平行推动压紧密封（如专利号为92109430.2的“高温高压球阀蝶阀”，即以组合球中间带斜面的楔球体的下行，撑开与楔球体作斜面配合的球瓣，向两阀座平行移动，压紧阀座后并形成密封）；⑤滚动球球阀密封（如专利号为99124153.3的“滚动球阀”是一种球体或球瓣向阀座平行滚动压紧阀座而形成密封的球阀）。球阀阀腔中球体或组合密封面旋转到与阀座密封面相对应的位置时，密封面间还存有间隙，球体或组合球球瓣在推拉旋装置上阀杆传递外力的推动下，沿阀座中心轴线向阀座滚动一段距离，如同一只球放在平台上滚动，并压紧阀座，形成密封，阀门关闭。反之，球体或组合球球瓣沿阀座中心轴线拉向阀腔中心回滚到原来的位置，密封面间形成间隙，进出口介质压力处于平衡状态。球体或组合球再旋转到开启位置，球阀开启。

    这些新结构从不同程度上解决了传统球阀启闭过程中球体始终与阀座发生摩擦，启闭力矩大，操作费时费力，能耗大，密封副寿命短等问题，但是这些结构的球阀如果用在航天低温系统中，基本还是满足不了液氢温度下的内外密封要求，因为这些结构在低温下变形后没有相应的调节机械力施加满足密封比压要求。也解决不了用传统的填料密封在低温下带来的外漏问题，这些壳体一般只能为上下组合结构，这样就不利于球阀的真空绝热夹套设计要求。为达到氢这种危险介质的严格内外密封要求，通过对低温球阀关键技术的学习研究，提出了一种新型气动真空绝热低温球阀结构设计。

    2 结构

    新型气动真空绝热低温球阀阀体为一体式加工成型，便于真空绝热结构设计，球体与阀座和阀体密封部位组合的楔式启闭结构，球体与阀杆连接上端设计有与一级密封座在球阀开启时组成第一道防外漏的密封副的阀瓣结构，上下阀杆螺旋副与运动转换机构里的牙嵌离合器组合实现操作功能要求，波纹管第二道防外漏结构，气动及行程控制结构，弹簧自密封封结构等，如图1所示。

1.阀体 2.压紧块 3.密封底 4.球体 5.真空外壳

6.一级密封座 7.下阀杆 8.运动方式转换机构 9.真空接口

10.波纹管 11.O型圈 12.支架 13.气缸组合体 14.低压密封弹簧

15.活塞 16.上阀杆 17.阀盖

图1 新型真空低温球阀

    3 工作原理

    阀门的开启和关闭通过气动执行机构和运动转换机构来完成。开启时，气缸操纵气以一定的压力从活塞下面的进口加入使活塞带动阀杆往上移动，这时运动转换机构要实现动作的三次变换：第一步是上下阀杆带动球体上移，使球体与阀座至松开位置；第二步运动转换机构中主动与被动零件啮合，活塞带动上阀杆继续上移，下阀杆在啮合后在限位措施作用下实现90°旋转，阀门流道导通；第三步运动转换机构中主动与被动零件脱开啮合，上下阀杆带动球体继续上移，至球体阀瓣结构与一级外漏密封座接触并密封。关闭时，气缸操纵气以一定的压力从活塞上面的进口加入使活塞带动阀杆往下移动，这时运动转换机构也要实现动作的三次变换：第一步运动转换机构中主动与被动零件没啮合，上下阀杆带动球体下移，至球体阀瓣结构与一级外漏密封座脱开；第二步运动转换机构中主动与被动零件啮合，活塞带动上阀杆继续下移，下阀杆在啮合后在限位措施作用下实现90°旋转，阀门处于关闭状态；第三步运动转换机构中主动与被动零件脱开啮合，上下阀杆下移并推动球体与阀座至楔紧密封位置。系统工作状态下气动执行器能够提供可调节的机械密封力使球体与阀座紧密结合保证密封。系统不工作时，依靠自密封弹簧提供的机械里保证系统在低压下球阀照样处于密封状态。

    4 性能特点

    该阀门在启闭的时候，球体与阀座密封副和阀体与一级防外漏密封座密封副都是处于松开位置，因此启闭力矩小，操作省力，能耗小，球体与阀座摩擦小，密封副寿命长。

    阀门不是靠调整对球体夹紧的预紧力来产生必须密封比压，启闭密封副的必须比压由气动执行机构和运动方式转换机构配合实现一个向下压紧的机械力提供，保证双向密封。在系统非工作下，球阀由自密封弹簧提供机械力保证球体与密封副能够有足够的密封比压，解决了传统球阀因为靠介质压力在高压下推动滑动阀座与球体压紧密封而在介质低压下阀座与球体密封副密封比压不够而泄露的问题。

    该球阀的气动执行机构与运动转换机构配合作用，在阀门的整个启闭过程中，上阀杆只做上下移动，这样实现了用波纹管代替填料防外漏，解决了填料在低温下泄露的问题。在球体转到开启角度时能继续上移，使球体阀瓣结构与一级防外漏密封座接触并密封，防止大量低温介质进入阀杆腔。可以说该球阀在防止外漏方面有双保险。

    该球阀阀体一体式加工成型，方便的与外壳体组成真空夹层，解决了因为阀门漏热而带来的低温液体性质改变的问题。该球阀与管路系统可以方便安装和拆卸，便于维护。

    5 结束语

    通过研究，进行深度设计，把球体与阀座密封副的关键结构设计加工好，运动转换机构技术深入研究开发，把密封材料和主体材料的合理搭配，该球阀在低温下的应该是工作可靠，性能优越，在航天地面试验系统和航天发射场的设施系统中将有广泛的用途。