陳婷，王永泉，江小麗，劉澤田，高郁菲

一種防止流體泄漏的管路定通量鎖止閥＊

陳婷，王永泉，江小麗，劉澤田，高郁菲

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北 十堰 442000）

工業(yè)上通流體的管路系統(tǒng)和家庭中的水管系統(tǒng)，一旦發(fā)生泄漏不僅會浪費大量寶貴資源，還可能會造成嚴重的環(huán)境污染和爆燃事故。為此，研發(fā)了一種可安裝于家庭及工業(yè)管道中的機械式定通量鎖止閥。該裝置設(shè)有流體通量統(tǒng)計模塊和鎖閉模塊，通量統(tǒng)計的原理是采用行星系齒輪帶動輸出圓盤旋轉(zhuǎn)，通過改變輸出圓盤上觸發(fā)片的數(shù)目即可設(shè)定閥門鎖閉的通量大小。鎖閉部分采用彈簧觸發(fā)式機構(gòu)，鎖閉迅速且由拉環(huán)開啟易解鎖。該裝置采用純機械結(jié)構(gòu)，操作安裝簡單方便、安全性好且成本低、結(jié)實耐用，適用于各種通流體管路工況，可廣泛應(yīng)用于家庭及工業(yè)管路系統(tǒng)中。

定通量；防泄漏；機械鎖止閥；管路系統(tǒng)

目前家庭及工業(yè)上大量使用通流體的管路系統(tǒng)，這些流體包括常見的水、油、煤氣等，常常會因為閥門的老化及管路的破裂導(dǎo)致少量或大量流體泄漏，不僅浪費資源，還會引發(fā)一系列的環(huán)境污染、安全事故等問題，造成巨大經(jīng)濟損失。而目前已存在的定流量鎖閉裝置主要有：①一種采用電動閥門自動控制閥門關(guān)閉的裝置[1]，利用該電動閥能夠控制管路的啟閉，該閥可用于定通量鎖閉，但需要電力輸入，其使用場合有一定局限性，目前在飲水機上有部分應(yīng)用。②一種利用傳感器計量的定流量控制閥[2]，當(dāng)管道中的流體流動時，傳感單元向計數(shù)單元發(fā)出開始計數(shù)的指令，當(dāng)計數(shù)單元計數(shù)達到預(yù)設(shè)值時，控制閥門關(guān)閉管道。該方法與第一種方法存在類似問題，應(yīng)用場合同樣受限。筆者曾研發(fā)了一種純機械式定通量鎖閉閥[3]，驅(qū)動裝置由彼此轉(zhuǎn)向相反的兩蝸桿副以及帶動蝸桿副旋轉(zhuǎn)的葉輪組成，通過螺紋傳動推動整個推桿堵塞裝置，工作行程長，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且不夠緊湊。

為此，本文改進了現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計研發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、使用可靠、適用場合廣泛的純機械定通量鎖止閥[4]，可安裝于家庭管道及工業(yè)管道中。該裝置主要分為流體通量計量模塊和鎖閉模塊。將其安裝在主管路中，當(dāng)流過水或其他流體的通量達到設(shè)定量，此裝置可通過機械傳動自動關(guān)閉內(nèi)部閥門實現(xiàn)管路的切斷，從而讓管路系統(tǒng)處于不通流體的鎖閉狀態(tài)。如果要再次開啟管路，只需將鎖閉桿拉起至初始位置即可，操作簡單，安全可靠，可廣泛應(yīng)用于各類管路系統(tǒng)中。

1 管路定通量鎖止閥裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

管路定通量鎖止閥裝置整體如圖1所示，通量計量模塊主要由第一水箱體、傳動箱體、葉輪、轉(zhuǎn)軸、行星輪系、太陽輪、圓盤、觸發(fā)片、觸發(fā)桿等組成，其中葉輪通過轉(zhuǎn)軸連接在第一水箱體內(nèi)與管道互通，轉(zhuǎn)軸上端穿過固定齒輪并伸入到傳動箱體內(nèi)，與第一行星輪嚙合，第二行星輪與太陽輪嚙合，太陽輪與輸出軸連接，輸出軸上連接有圓盤，圓盤上固定有觸發(fā)片，觸發(fā)桿安裝在第一箱體導(dǎo)向架中與導(dǎo)向架滑動配合，觸發(fā)片與觸發(fā)桿尾端接觸，接觸面為半弧面，減少摩擦阻力，使傳動更為流暢高效。

鎖閉模塊主要由第二水箱體、堵桿、水箱蓋、復(fù)位彈簧、鎖鉤、鎖舌等組成，其中第二水箱體內(nèi)置隔板，隔板垂直方向設(shè)有通水孔，堵桿配合第一復(fù)位彈簧安裝在水箱中的安裝孔內(nèi)，堵頭向下堵住通水孔，鎖舌穿過槽口垂直固定在堵桿上，鎖鉤與箱體上的連接架鉸接，鎖鉤前端勾在鎖舌上后端連接第二復(fù)位彈簧。

使用時，流體通量計量模塊與鎖閉模塊連接為一體安裝在主管路中，流體通量計量模塊上的觸發(fā)桿前端與鎖閉模塊上的鎖鉤后端接觸。當(dāng)計量模塊上的圓盤轉(zhuǎn)動一定角度，觸發(fā)片與觸發(fā)桿接觸，并推動觸發(fā)桿壓下鎖鉤的一端，鎖舌恰好脫離鎖鉤的時候觸發(fā)片與觸發(fā)桿也恰好脫離接觸，此時在復(fù)位彈簧的作用下堵桿實現(xiàn)鎖閉管路，鎖鉤實現(xiàn)自動復(fù)位。裝置整體示意圖如圖1所示。

2 管路定通量鎖止閥裝置的工作原理

本裝置通過采用一個行星齒輪系來實現(xiàn)上萬的傳動比。當(dāng)流體流經(jīng)葉輪，帶動葉輪驅(qū)動行星架旋轉(zhuǎn)，第一行星輪在固定齒輪和行星架的作用下產(chǎn)生自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，并帶動第二行星輪以相同速度自轉(zhuǎn)。然后由第二行星輪作用在太陽輪上，將最終減速后的運動由圓盤輸出。

圖1 裝置整體示意圖

如圖2所示，通過改變輸出圓盤上的觸發(fā)片數(shù)目可多級調(diào)節(jié)定通量：當(dāng)安裝一個觸發(fā)片時，輸出圓盤每旋轉(zhuǎn)一周（葉輪旋轉(zhuǎn)15 000圈，流過1.5 t流體）觸發(fā)一次鎖閉；當(dāng)有兩個觸發(fā)片時，輸出圓盤每旋轉(zhuǎn)半圈（葉輪旋轉(zhuǎn)7 500圈，流過0.75 t流體）觸發(fā)一次鎖閉；當(dāng)有三個觸發(fā)片，每流過0.5 t流體觸發(fā)一次鎖閉。

圖2 觸發(fā)片的數(shù)目多級可調(diào)

將本裝置安裝于主管道中，當(dāng)流體流經(jīng)管道會帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)行星齒輪系減速后由輸出圓盤輸出。當(dāng)流過的流體通量達到設(shè)定量時，圓盤上的觸發(fā)片與觸發(fā)桿接觸并推動觸發(fā)桿壓下鎖鉤，鎖閉裝置被觸發(fā)，堵桿的鎖舌脫離鎖鉤后在彈簧的作用下鎖閉管路。如果想再次開啟管路，只需手動將鎖閉桿拉起至初始位置即可。觸發(fā)片的數(shù)目可根據(jù)需要自行調(diào)整，從而實現(xiàn)多級調(diào)節(jié)流體通量進行管路鎖閉。裝置鎖閉狀態(tài)示意圖如圖3所示，該裝置為純機械結(jié)構(gòu)，操作簡單，可靠性好。

3 管路定通量鎖止閥的應(yīng)用價值與推廣優(yōu)勢

家庭中和工業(yè)上，尤其是化工企業(yè)，閥門的老化及管路的破裂往往導(dǎo)致大量流體泄漏，不僅浪費寶貴資源，一些有毒有害物質(zhì)還會引發(fā)一系列的污染排放、重大安全事故等問題，給國民經(jīng)濟造成巨大經(jīng)濟損失，管路定通量鎖止閥的應(yīng)用能有效防止流體大量泄漏，從而起到潛在的節(jié)約節(jié)能環(huán)保和安防作用。該裝置通過行星系齒輪與輸出圓盤配合實現(xiàn)流體通量的計量與設(shè)定，根據(jù)用戶需求可任意改變觸發(fā)片的數(shù)目，實現(xiàn)多級調(diào)節(jié)設(shè)定的流通量，方便快捷。鎖閉部分采用機械彈簧觸發(fā)式，鎖閉迅速且易開啟。本裝置整體采用純機械結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)通流體管路定通量鎖閉，避免了使用電力輸入帶來的一些潛在安全性、可靠性等方面的問題，經(jīng)系列化設(shè)計可應(yīng)用家庭和各種工業(yè)場合，工況適應(yīng)性好、成本低，安裝方便、結(jié)實耐用，可廣泛應(yīng)用推廣。

1—第一水箱體；2—轉(zhuǎn)軸和葉輪；3—傳動箱體；4—固定齒輪；5—行星架；6—第一行星輪；7—行星架轉(zhuǎn)軸；8—第二行星輪；9—圓盤；10—太陽輪；11—輸出軸；12—箱蓋；13—觸發(fā)片；14—觸發(fā)桿；15—導(dǎo)向架；16—鎖鉤；17—第二復(fù)位彈簧；18—水箱蓋；19—堵桿；20—第一復(fù)位彈簧；21—鎖舌；22—第二水箱體。

4 結(jié)論

通流體管路系統(tǒng)的失效往往會帶來大量物質(zhì)的泄漏，一方面給普通家庭帶來較大損失，對于高危化工企業(yè)，甚至引起嚴重的安全事故[5]。本文研發(fā)的定通量鎖止閥采用純機械的方式實現(xiàn)流體管路的定通量鎖閉，根據(jù)應(yīng)用場合采用不同的材質(zhì)，進行耐熱、耐壓、耐腐蝕設(shè)計；根據(jù)應(yīng)用的尺度空間，進行尺寸規(guī)格的系列化設(shè)計；無需電力輸入，可應(yīng)用于室外惡劣工作環(huán)境。所以，該裝置可廣泛應(yīng)用于各類通流體的管路系統(tǒng)中，能有效地防止因管路系統(tǒng)大量泄漏而引起的安全事故和資源的浪費。

［1］陳世魯.一種自動控制閥：201210564111.6［P］. 2003-10-17.

［2］楊文晶. 一種自動控制管道關(guān)閉的方法及實現(xiàn)裝置：200610033148.0［P］.2006-01-17.

［3］王永泉.一種通流體管路中定通量鎖閉裝置：201320562293.3［P］.2013-09-11.

［4］詹旭峰，王永泉，胡云飛. 一種定通量鎖閉裝置：201510145490.9［P］. 2015-03-31

［5］王嗣穎.管道工程閥門泄漏原因及對策［J］.交通企業(yè)管理，2017，32（1）：78-81.

D922.68

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.014

2095－6835（2021）08－0042－02

湖北汽車工業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金資助（編號：DC2019009）

陳婷（1999—），女，本科在讀，研究方向為機械設(shè)計制造及自動化。

王永泉（1979—），男，副教授，研究方向為現(xiàn)代制造裝備設(shè)計、工程圖學(xué)。

〔編輯：張思楠〕