一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀的制作方法

技术领域：

本实用新型涉及液体火箭发动机阀门技术领域，具体涉及一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀。

背景技术：
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液体火箭发动机的未来发展趋势是降低成本、提高维护性和通用性，这对发动机系统中阀门类产品的设计理念提出了新的要求。传统的液体火箭发动机球阀，多采用一体式结构设计方案，主要零组件如阀座、球体、轴承、动密封和用于驱动的齿轮齿条等，均安装在同一个壳体零件内。这种结构方案的主要缺点为：1.制造成本高：壳体外形结构复杂，内部相贯空腔数量多，加工难度大；2.使用维护性差：一旦阀门内部个别零件发生故障，需要拆卸大量零件，甚至完全分解整个阀门，才能进行维修或更换；3.通用性差：如果产品功能需求、介质种类、主要工作参数等发生变化，则阀门需要重新设计生产。

技术实现要素：
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本实用新型的目的是针对现有技术中液体火箭发动机球阀功能单一、通用性差、维护不便、壳体等主要零件结构复杂且加工困难的缺陷，提供一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀，使加工制造难度降低，使用维护更加方便，并且只需要更换局部零组件，便可通用于不同介质，满足多种功能需求。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀，其组成包括：壳体，所述的壳体一端入口处安装有弹性阀座组件，所述的弹性阀座组件与球体组件连接，所述的球体组件上方与轴动密封组件连接，所述的轴动密封组件与驱动组件连接，所述的驱动组件为气动组件或电机组件，所述的球体组件下方与底轴连接，所述的底轴与下端盖之间具有轴承，所述的下端盖上具有吹除口，所述的端盖与所述的壳体连接。

所述的液体火箭发动机的多功能组合式球阀，所述的弹性阀座组件包括入口法兰，所述的入口法兰、金属波纹管、底座、阀座沿轴线依次排列，所述的金属波纹管外侧绕轴线圆周均布通过螺纹安装有一组弹簧座，所述的弹簧座上的导向轴插入所述的弹簧的一端，所述的弹簧的另一端放置在底座上的沉孔内；所述的弹簧座位于所述的入口法兰和所述的底座之间；所述的入口法兰、所述的金属波纹管、所述的底座之间为焊接；所述的底座和所述的阀座之间具有密封垫片且通过双头螺栓和螺母连接。

所述的液体火箭发动机的多功能组合式球阀，所述的入口法兰的末端外侧和所述的底座的内侧均有带开口的凸台，所述的凸台周向宽度小于开口，数量和布局位置与开口相对应；所述的入口法兰、所述的金属波纹管、所述的底座三者焊接成型前，将所述的入口法兰和所述的底座上的开口与所述的凸台对齐装入，之后绕轴线旋转所述的底座，使所述的入口法兰和所述的底座上的凸台对齐，再进行焊接。

所述的液体火箭发动机的多功能组合式球阀，所述的阀座上、下两侧开有对称的矩形通槽，所述的矩形通槽内放置轴承，所述的轴承和所述的阀座之间通过小轴连接，并设置挡圈以固定小轴；所述的底座和所述的阀座上分别设置一组相同数量的通孔，通孔绕轴线均布；装配完成后，所述的底座和所述的阀座上的通孔一一对齐；所述的通孔保证阀门工作过程中，所述的底座和所述的阀座两侧介质压力相等，减小运动阻力。

所述的液体火箭发动机的多功能组合式球阀，所述的球体组件包括球壳，所述的球壳外表面为球面，所述的球壳内部为空心结构，所述的球壳和导流套之间为过盈配合连接，所述的导流套为圆筒状结构，所述的球壳的上、下端分别通过一组销钉过盈配合连接上凸轮和下凸轮，所述的上凸轮和所述的下凸轮中间有内花键结构，所述的上凸轮、所述的下凸轮的内花键结构分别与所述的轴动密封组件和所述的底轴连接并传递扭矩。

所述的液体火箭发动机的多功能组合式球阀，所述的轴动密封组件包括轴动密封壳体，所述的轴动密封壳体内部具有轴，所述的轴的上下两端的外花键结构分别与所述的驱动组件和球体组件连接并传递扭矩，所述的轴的上下两侧对称套有弹簧蓄能密封圈、挡环，位于上侧所述的挡环与上轴承连接，位于下侧所述的挡环与下轴承连接，所述的轴动密封壳体上方与上端盖连接，所述的上端盖和上轴承之间设有调整垫，所述的下轴承的下方与挡圈连接。

所述的液体火箭发动机的多功能组合式球阀，所述的轴动密封壳体外侧设有对称布置的2个接管嘴，所述的接管嘴上的孔与所述的轴动密封壳体内部斜孔连通，最终通至所述的轴动密封壳体内部、上下两侧对称的所述的弹簧蓄能密封圈之间的位置；2个所述的接管嘴分别作为吹除口和排放口，阀门工作时由吹除口引入隔离气。

所述的液体火箭发动机的多功能组合式球阀，所述的气动组件包括气动壳体，所述的气动壳体为包含齿轮轴腔、开腔、关腔一体成型的壳体，齿轮轴位于所述的齿轮轴腔内，所述的齿轮轴两端均采用轴承支撑；所述的齿轮轴一侧具有顶盖；所述的开腔内具有活塞；齿条一端位于所述的活塞内，所述的齿条另一端位于所述的关腔内；所述的齿条与所述的气动壳体之间具有o形密封圈二，所述的齿条与所述的活塞之间具有o形密封圈二，所述的活塞与气动壳体之间具有o形密封圈二；开腔端盖和关腔端盖分别位于气动壳体的开腔端头和关腔端头，所述的开腔端盖和所述的关腔端盖均带有控制气接管嘴，所述的气动壳体与开腔端盖间具有开腔密封垫片且通过双头螺栓和螺母连接，所述的气动壳体与关腔端盖间具有关腔密封垫片且通过双头螺栓和螺母连接。

所述的液体火箭发动机的多功能组合式球阀，所述的电机组件包括直流伺服电机，所述的直流伺服电机的电机轴输出端连接行星齿轮减速器，所述的行星齿轮减速器的输出轴末端为内花键结构，与轴动密封组件连接并传递扭矩；所述的电机轴另一端连接角位移传感器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型各组件和零件，结构和功能上彼此独立，可分别加工、装配、试验、存放，并可根据产品维护或产品功能变更等要求，迅速更换其中的一个或数个，将单一复杂结构拆分为多个功能组件，显著降低了各零件的加工难度，便于生产、装配、试验和维修，并可通过更换局部功能组件的方式，拓展球阀产品用途，满足不同种类液体火箭发动机系统的需求，从而实现了降低成本、提高维护性和通用性。

本实用新型通用于液体火箭发动机氧化剂路或燃料路；选装气动组件时，可实现发动机启动、转级和关机功能；选装电机组件时，除可实现发动机启动、转级和关机功能外，还可实现推力连续调节功能。

本实用新型球阀可根据发动机系统的不同要求，选装气动组件或电机组件；气动组件的壳体包括齿轮轴腔、开腔和关腔三部分，气动组件内还包含齿轮轴、活塞、限位块和端盖，活塞、齿条和开/关作动腔气缸之间采用橡胶o形圈动密封，套筒设置于开作动腔一侧的活塞和气缸之间，套筒上安装有若干限位块，球阀工作时开/关作动腔安要求分别通、断控制气，可以实现球阀关闭、半开、全开三种工况，且半开角度可通过改变套筒上安装的限位块的数量，在0°~45°的区间内调整；电机组件包含直流伺服电机、行星齿轮减速器和角位移传感器，可根据控制信号实现-10°~90°区间内转动和任意位置的锁止。

附图说明：

附图1是本实用新型的驱动组件选用气动组件时的结构示意图。

附图2是附图1的右视图。

附图3是本实用新型的驱动组件选用电机组件时的结构示意图。

附图4是附图3的右视图。

附图5是根据本实用新型所述的弹性阀座组件的结构示意图。

附图6是附图5中底座刚装入壳体状态时的a-a剖视图。

附图7是附图5中底座装入壳体后旋转45°状态时的a-a剖视图。

附图8是本实用新型球体组件的结构示意图。

附图9是附图8的b-b剖视图。

附图10是本实用新型上凸轮的轮廓线的示意图。

附图11是本实用新型下凸轮的轮廓线的示意图。

附图12是本实用新型轴动密封组件的结构示意图。

附图13是本实用新型气动组件的结构示意图。

附图14是附图13的c-c剖视图。

附图中：1：弹性阀座组件，101:入口法兰，102:金属波纹管，103:底座，104:阀座，105:弹簧座，106:弹簧，107：轴承，108:小轴，109:挡圈，110：密封垫片，110：非金属密封材料；

2：球体组件，201:球壳，202:导流套，203:上凸轮，204:下凸轮，205:销钉；

3：轴动密封组件，301:轴动密封壳体，302:轴，303:上端盖304:挡环，305:调整垫，306:弹簧蓄能密封圈，307：轴承，308：挡圈；

4：气动组件，401:气动壳体，402：齿轮轴，403:齿条，404:活塞，405:开腔端盖，406：关腔端盖，407:开腔密封垫片，408:关腔密封垫片，409:o形密封圈一，410:o形密封圈二，411:限位块，412:轴承，413：顶盖；

5：电机组件，6：壳体，7：下端盖，8：底轴，9：轴承；10：隔离垫。

具体实施方式：

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

本实用新型所述的一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀，结合附图1至附图4所示，弹性阀座组件1位于阀门入口，球体组件2位于其下游的壳体6内部，球体组件2上方依次是轴动密封组件3、隔离垫10、气动组件4/电机组件5（二选一），下方依次是底轴8、轴承9、下端盖7；弹性阀座组件1、球体组件2、轴动密封组件3、气动组件4/电机组件5（二选一）、壳体6、下端盖7之间均采用带双头螺柱和螺母的法兰连接；弹性阀座组件1的轴线与球体组件2流道轴线处于同一平面、当阀门全开时二者处于同一直线；所有做旋转运动的零件，包括球体组件2底轴7、轴动密封组件3中的轴302、气动组件4中的齿轮轴402，其旋转轴均位于同一直线上，且与弹性阀座组件1的轴线垂直；

实施例2：

本实用新型所述的一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀，结合附图5所示，本实用新型所述的弹性阀座组件1组成包括：入口法兰101、金属波纹管102、底座103、阀座104、弹簧座105、弹簧106、轴承107、小轴108、挡圈109、密封垫片110；阀座104上镶嵌有非金属密封材料111；

所述的弹性阀座组件1：入口法兰101、金属波纹管102、底座103、阀座104沿轴线依次排列，若干组弹簧座105和弹簧106绕轴线圆周均布在金属波纹管102外侧、入口法兰101和底座103之间，一般数量为8组，也可根据需要采用6组或10组；入口法兰101、金属波纹管102、底座103之间为焊接；底座103和阀座104之间设置有密封垫片110，并通过若干副双头螺栓和螺母连接，一般为6副或8副，沿圆周均布；弹簧座105和入口法兰101之间为m5或m6的螺纹连接；弹簧座105上的导向轴插入弹簧106的一端，弹簧106的另一端放置在底座103上的沉孔内；阀座104上、下两侧开有对称的矩形通槽，槽内放置轴承107，轴承107和阀座104之间通过小轴108连接，并设置挡圈109以固定小轴108；

再进一步，结合图5所示，底座103和阀座104上设置相同数量通孔，数量可以为6个~12个；通孔绕轴线均布，孔径可以为φ4mm~φ8mm；装配完成后，底座103和阀座104上的通孔一一对齐；这些通孔可以保证阀门工作过程中，底座103和阀座104两侧介质压力相等，减小运动阻力；

再进一步，结合附图6、7所示，入口法兰101的末端外侧和底座103的内侧均有带开口的凸台结构，凸台宽度略小于开口；凸台数量一般为3个、4个或6个，布局沿圆周均布；开口数量和布局应与凸台一一对应；入口法兰101、金属波纹管102、底座103三者焊接成型前，将入口法兰101和底座103上的开口与凸台对齐装入，之后绕轴线旋转底座103，使入口法兰101和底座103上的凸台对齐，再进行焊接；此种设计可以限制金属波纹管102拉伸方向的位移，一般要求拉伸位移≯0.5mm；

弹性阀座组件上采用波纹管动密封结构，阀座组件与球体组件接触的位置镶嵌非金属材料用于密封，阀座组件侧面沿周向设弹簧组以提高密封力；球体组件与壳体间为轴承连接支撑，上下均设有凸轮，开启时凸轮与弹性阀座组件上下两处轴承接触，将阀座从球体上顶起；

再进一步，弹性阀座组件1的通径即为阀门通径，根据产品设计输入确定。

实施例3：

本实用新型所述的一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀，结合附图8、9所示，本实用新型所述的球体组件2，其典型组成包括：球壳201、导流套202、上凸轮203、下凸轮204、销钉205；

作为示例，结合附图8、9所示，本实用新型所述的球体组件2，其典型布局结构为：球壳201外表面为球面，内部为空心结构；导流套202为圆筒状结构；上凸轮203和下凸轮204分别位于球壳201的上、下端；球壳201和导流套202之间为过盈配合连接；上凸轮203、下凸轮204和球壳之间通过若干销钉205过盈配合连接，每个凸轮上的销钉数量一般为2个或4个；

再进一步，结合附图10、11所示，上凸轮203和下凸轮204中间有内花键结构，花键齿数应满足强度计算要求，一般取6个~12个分别与轴动密封组件3和底轴8连接并传递扭矩；上凸轮203和下凸轮204侧面轮廓线由两段不同半径的圆弧构成，圆弧间连接过渡段206、连接过渡段207为阿基米德螺线；

再进一步，球体组件1的通径一般应与阀门通径相同，根据产品设计输入确定。

实施例4：

本实用新型所述的一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀，结合图12所示，本实用新型所述的轴动密封组件3，其典型组成包括：轴动密封壳体301、轴302、上端盖303、挡环304、调整垫305、弹簧蓄能密封圈306、轴承307、挡圈308；

作为示例，结合附图12所示，本实用新型所述的轴动密封组件3结构为：外侧为轴动密封壳体301，内侧为轴302；轴302的上下两侧对称布有弹簧蓄能密封圈306、挡环304和轴承307；轴302的最上方为上端盖303，最下方为挡圈308；上端盖303和上轴承307之间设有调整垫305；

再进一步，结合附图12所示，轴动密封壳体301外侧设有对称布局的2处接管嘴，接管嘴上的孔（孔径一般为φ4mm）与轴动密封壳体301内部斜孔连通，最终通至轴动密封壳体301内部、上下两处弹簧蓄能密封圈306之间的位置；两处接管嘴分别作为吹除口和排放口，阀门工作时由吹除口引入压隔离气，即使弹簧蓄能密封圈304处有少量介质泄漏，也可借助隔离气从排放口迅速排出，提高动密封可靠性；

轴动密封组件由轴密封壳体、传动轴、轴承、挡圈、弹簧蓄能密封圈组成，传动轴和轴动密封壳体之间为圆锥滚子轴承连接支撑，沿轴线方向设置两道弹簧蓄能密封圈作为旋转动密封，两道密封间设有吹除/泄出接口，球阀工作时从外部通气，将泄漏的少量工作介质排出；

再进一步，结合附图12所示，轴302上下两端均为外花键结构，分别与气动组件4/电机组件5（二选一）和球体组件2连接并传递扭矩；

再进一步，结合图9所示，轴承307选用可承受较大轴向载荷的轴承类型，例如圆锥滚子轴承，并成对装配使用；

再进一步，轴动密封组件3装配时应测量轴向各零件的实际尺寸，据此计算和修配调整垫305的厚度，要求装配间隙为0.1mm~0.2mm，保证轴系转动灵活且无明显轴向窜动；

实施例5：

本实用新型所述的一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀，结合附图13和附图14所示，本实用新型所述的气动组件4，其典型组成包括：气动壳体401、齿轮轴402、齿条403、活塞404、开腔端盖405、关腔端盖406、开腔密封垫片407、关腔密封垫片408、o形密封圈一409、o形密封圈二410、限位块411、轴承412、顶盖413；

作为示例，结合附图13和附图14所示，本实用新型所述的气动组件2，其典型布局结构为：气动壳体401包含齿轮轴腔、开腔、关腔3部分，一体加工成型；齿轮轴402位于齿轮轴腔内，上下两侧均采用轴承412支撑；齿轮轴402上方为顶盖413；活塞404位于开腔内；齿条403一端位于活塞内、另一端位于关腔内；o形密封圈一409、o形密封圈二410分别位于活塞404和齿条403上；开腔端盖405和关腔端盖406均带有控制气接管嘴（一般为φ4mm通径），二者分别位于气动壳体401的开腔和关腔端头，并设有开腔密封垫片407和关腔密封垫片408；

再进一步，结合附图13和附图14所示，顶盖413与气动壳体401间为螺钉连接，螺钉数量可以为6个或8个，沿圆周均布；开腔端盖405/关腔端盖406和气动壳体401间均为带双头螺柱和螺母的法兰连接，一般为8组、10组或12组，沿圆周均布；

再进一步，结合附图13和附图14所示，当关腔单独通控制气时，齿条403带动齿轮轴408转动到关闭位置；当开腔单独通控制气时，齿条403带动齿轮轴408转动到全开位置；当开腔、关腔均通控制气时，齿条403带动齿轮轴408转动到半开位置；综上，通过两路独立的控制气通/断，可以实现关闭、全开、半开三种位置的控制；

再进一步，结合附图13和附图14所示，活塞、齿条和开/关作动腔气缸之间采用橡胶o形圈动密封，套筒设置于开作动腔一侧的活塞和气缸之间，套筒上安装有若干限位块，球阀工作时开/关作动腔安要求分别通、断控制气，可以实现球阀关闭、半开、全开三种工况，且半开角度可通过改变套筒上安装的限位块的数量，在0°~45°的区间内调整；

再进一步，结合附图13和附图14所示，关闭和全开位置通过齿轮轴408上的凸台和气动壳体401齿轮轴腔内的挡块接触限位；半开位置通过活塞404上安装的1个~4个不同厚度的限位块411和气动壳体401开腔内的挡块接触限位；通过调整限位块411的数量和厚度，可使半开位置对应的角度在0°~45°区间内变化。

再进一步，结合附图13和附图14所示，齿条403和齿轮轴408均根据标准模数圆柱渐开线直齿轮的齿廓外形设计制造，模数根据阀门运动负载确定；

实施例6：

本实用新型所述的一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀，所述电机组件5，其典型组成包括：直流伺服电机、行星齿轮减速器、角位移传感器。

再进一步，所述电机组件5，主电机采用直流伺服电机方案；电机轴输出端连接行星齿轮减速器，减速器输出轴末端为内花键结构，与轴动密封组件3连接并传递扭矩；电机轴另一端连接角位移传感器；

再进一步，所述电机组件5，可根据控制信号实现-10°~90°区间内转动和任意位置的锁止。

实施例7：

本实用新型所述的一种液体火箭发动机的多功能组合式球阀，当驱动组件选装气动组件时，具备关闭、半开和全开功能，可用于定推力液体火箭发动机，其控制方法为：关腔通气时，多功能组合式球阀处于关闭状态，阀座在弹性阀座组件的弹性元件力和介质不平衡力的作用下压紧在球体上实现密封；开腔通气后，此时关腔先不撤气，球体组件先从-10°转动到0°，在此区间内上凸轮、下凸轮作用在阀座上下两端的小滚动轴承上，将阀座顶开，之后球体组件继续从0°转动到半开角度，阀门实现半开；之后关腔撤气，球体组件继续从半开角度转到90°，阀门实现全开；若不需要半开功能，则开腔通气的同时关腔撤气，球体可直接转到全开90°；

当驱动组件选装电机组件时，除具备关闭、半开和全开功能以外，还具备连续调节功能，用于定推力或变推力液体火箭发动机，其控制方法为：默认状态下，控制器发出关闭信号，电机组件驱动球体组件转至-10°位置，阀座在弹性阀座组件的弹性元件力和介质不平衡力的作用下压紧在球体上实现密封；控制器发出打开信号后，电机组件驱动球体先从-10°转动到0°，在此区间内凸轮作用在阀座上下两端的小滚动轴承上，将阀座顶开，之后球体继续从0°转动到90°，阀门实现全开；在0°~90°区间内，控制器根据发动机要求，将球体组件转至任意位置并锁止，即实现半开功能，也能够实现连续调节功能；球体组件转角通过电机组件上的角位移传感器反馈给控制器，实现闭环控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。