CN104132176A - 一种浮空器光电控制阀门 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种浮空器光电控制阀门，包括阀盖、密封圈、多个立柱、基座、控制电路、阀体、启闭机构部和限位机构部；其中：阀体布局于浮空器的囊体上；多个立柱分别位于基座和阀体之间并将两者连接；阀体有阀口，将浮空器气囊里面的气体排出；阀口外圆套设于密封圈的内孔中，并且阀盖覆盖于密封圈和阀口上处于密封状态；启闭机构部的丝杠下端面的法兰结构与阀盖固定，丝杠用于启闭阀盖离开和覆盖阀口；启闭机构部的电机与控制电路连接，电机控制阀盖沿竖直方向提升和下移；丝杠有一螺纹孔，限位机构部的挡位块通过螺纹孔与丝杠固定，挡位块随丝杠垂直上下运动，挡住限位机构部的上、下限位光耦组件发出的红外光并切断控制电路，从而使电机停转。

Description

一种浮空器光电控制阀门

技术领域

本发明涉及浮空器技术领域，是一种用于浮空器的光电控制排气阀门，能够调节浮空器的内外压差，使之安全可靠和保持气动外形。

背景技术

浮空器一般是指比重轻于空气的、依靠大气浮力升空的软结构飞行器。浮空器由高分子复合材料制成的气囊和布设在气囊之上的各种设备及有效载荷组成，气囊内充入密度比空气小的浮升气体，气囊内外气体的密度差提供浮空器浮力，从而完成浮空器升空。

浮空器一般包括气球和飞艇，成形的浮空器从地面开始升空，随着飞行高度增加，外界空气密度和大气压力逐渐减小，浮空器内的浮升气体体积迅速膨胀。为了安全和保持浮空器气动外形，浮空器需要排出一定的内部气体，调节内外压差到一定范围，这个范围是由材料强度、飞行策略、气动参数决定。

即使浮空器锚泊在地面或在一定高度飞行，随着环境温度的升高，浮空器的内部气体也会膨胀，这时就要排出一定的气体，否则会因为压力过高使囊体破裂。因此，浮空器在地面锚泊，成形升空和高空驻留过程中均需要排气装置来维持内外压差在一定范围。

如图1所示，传统的排气阀门包括阀体100、阀盖200、弹簧300和拉杆400。该排气阀门依靠弹簧300的弹性拉力关闭阀门，当浮空器内部气体压力升高，内压对阀盖200的作用力大于弹簧300预置弹性拉力，阀门开启，排出气体，而后内压降低，在弹簧的作用下关闭阀门，如此反复。采用这种排气阀门主要存在两方面的问题：

1.被动控制，缺乏灵活性。这是因为该阀门为纯机械结构，仅依靠弹簧300和浮空器内部气压的作用开启关闭阀门，气压大，阀门开，气压小，阀门关，无法主动控制阀门的开启和关闭，缺乏灵活性，应用范围窄。

2.控制精度差。这是因为内压的控制完全靠调节弹簧来实现，弹簧预置力大，打开阀门需要的压力就高，反之则小，手动设置弹簧预紧力误差大，精度无法保证，而且阀门来回作动，次数多，间隔时间短，无法将气囊内外压差控制在一定范围，弹簧重复精度差，不利于整体压控的布局。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在被动控制，缺乏灵活性，控制精度差的问题，本发明目的旨在提供一种主动灵活的、控制精度高的浮空器光电控制阀门。

(二)技术方案

本发明提供的一种用于浮空器光电控制阀门包括：阀盖、密封圈、多个立柱、基座、控制电路、阀体、启闭机构部和限位机构部；其中：阀体外圆上布设有一圈螺钉孔，依靠这些螺钉孔与浮空器气囊连接，使阀体布局于浮空器的囊体上；多个立柱分别位于基座和阀体之间并将两者连接成一体，多个立柱支撑基座和阀体；阀体上开有阀口，将浮空器气囊里面的气体排出；阀口外圆套设于密封圈的内孔中，并且阀盖覆盖于密封圈和阀体的阀口上，阀盖关闭时，阀盖、密封圈和阀口三者处于密封状态；启闭机构部的丝杠是通过丝杠的下端面法兰结构上布设的螺钉孔与阀盖固定连接，启闭机构部的丝杠用于启闭阀盖离开和覆盖阀口；启闭机构部的电机与控制电路连接，控制电路控制启闭机构部的电机转动时，启闭机构部的电机控制阀盖沿竖直方向提升和下移；启闭机构部的丝杠的上端面具有一螺纹孔，限位机构部的挡位块通过螺纹孔与丝杠固定连接，启闭机构部的电机转动时，限位机构部的挡位块随启闭机构部的丝杠一起垂直上下运动，挡住限位机构部的上限位光耦组件和下限位光耦组件发出的红外光，切断控制电路，从而使启闭机构部的电机停转。

(三)有益效果

1、本发明的浮空器光电控制阀门采用电机作为驱动件，光耦组件为控制开关，配套设计控制电路，能随时开启和关闭阀门，光电控制主动灵活，响应快，压差控制精度高，并且能及时准确地反馈光电控制阀门的不同状态；

2、本发明的浮空器光电控制阀门，阀体与浮空器气囊紧固连接，阀体开一阀口作为排气口，尺寸大，重量轻，排气量大；

3、本发明的浮空器光电控制阀门，启闭机构部采用电机、齿轮传动机构和丝杠螺母机构结合的方式，垂直打开和关闭阀盖，丝杠和阀盖运行平稳且丝杠能自锁，使阀盖可以保持位置，排气一直畅通；

4、本发明的浮空器光电控制阀门，限位机构部采用挡位块遮挡红外发光管的方式，灵敏可靠，抗振动性好，更利于浮空器飞行，可靠性更高；

5、本发明的浮空器光电控制阀门，阀盖行程高度可通过调节限位光耦组件的距离来实现，由此达到调节本发明光电控制阀门排气流量的目的。

本发明的浮空器光电控制阀门结构优、重量轻、应用范围广、灵活主动、压差控制精度高、行程可调可控、限位响应快，而且能够及时准确的反馈光电控制阀门的所处状态，有助于压差控制的更好实施。

附图说明

以下将参照附图对本发明的具体实施方式做具体说明，其中：

图1为现有技术排气阀门结构示意图；

图2为本发明浮空器光电控制阀门结构示意框图；

图3为本发明的一个实例在关闭状态下的正视图；

图4为图3中本发明装置关闭状态下的局部视图；

图5为本发明一个实例的控制电路原理图；

图6为本发明装置垂直提起阀盖到达指定位置后的三维视图；

图7为图6中本发明装置实施例的局部正视图。

部件图号说明

电机1、                丝杠2、                  阀盖3、

密封圈4、              多个立柱5、              基座6、

上限位光耦组件7、      控制电路8、              挡位块9、

支架10、               底座11、                 从动轮12、

下限位光耦组件13、     阀体14、                 主动轮15、

轴承16、               套筒17。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将根据实例并参照附图对本发明的具体实施方式作详细描述。但是，应当说明，本文中所描述的实例仅用于解释本发明，而不是对本发明的保护范围的限定。

如附图2示出本发明浮空器光电控制阀门结构示意框图，图3为所述阀门在关闭状态下的正视图，图4是图3的局部视图，其中：

所述浮空器光电控制阀门，包括：阀盖3、密封圈4、多个立柱5、基座6、控制电路8、阀体14、启闭机构部和限位机构部；其中：阀体14外圆上布设有一圈螺钉孔，依靠这些螺钉孔与浮空器气囊连接，使阀体14布局于浮空器的囊体上；多个立柱5分别位于基座6和阀体14之间并将两者连接成一体，多个立柱5用于支撑基座6和阀体14；阀体14上开有阀口，用于将浮空器气囊里面的气体排出；阀体14的阀口外圆套设于密封圈4的内孔中，并且阀盖3覆盖于密封圈4和阀体14的阀口上，阀盖3关闭时，阀盖3、密封圈4和阀体14的阀口三者处于密封状态；启闭机构部的丝杠2是通过丝杠2的下端面法兰结构上布设的螺钉孔与阀盖3固定连接，启闭机构部的丝杠2用于启闭阀盖离开和覆盖阀口；启闭机构部的电机1与控制电路8连接，控制电路8控制启闭机构部的电机1转动时，启闭机构部的电机1控制阀盖3沿竖直方向提升和下移；启闭机构部的丝杠2的上端面具有一螺纹孔，限位机构部的挡位块9通过螺纹孔与丝杠2固定连接，启闭机构部的电机1转动时，限位机构部的挡位块9随启闭机构部的丝杠2一起垂直上下运动，挡住限位机构部的上限位光耦组件7和下限位光耦组件13发出的红外光，切断控制电路8，从而使启闭机构部的电机1停转。其中：

所述启闭机构部包括：电机1和传动机构，所述传动机构包括丝杠2、底座11、从动轮12、主动轮15、轴承16和套筒17，其中：电机1与底座11固定连接；主动轮15固定在电机1的输出轴上，从动轮12与主动轮15的轮齿相互啮合，构成齿轮传动机构；从动轮12为圆柱状结构，中心开有内螺纹通孔，从动轮12与丝杠2的外螺纹相互啮合，构成丝杠螺母传动机构；丝杠2与阀盖3固定连接，将阀盖3沿竖直方向提升和下移；轴承16的外端面与套筒17的下端面的开孔过盈配合，套筒17固定在底座11上，轴承16的内孔与从动轮12上部的光轴过盈配合，从动轮12下端光轴与安装在基座6上的轴承过盈配合，这样从动轮12上下两端都有轴承支撑，从动轮12就只能转动；套筒17内部中空，套筒17的下端通过螺钉孔与底座11固定，套筒17下端面的开孔与轴承16过盈配合，套筒17用于固定轴承16；丝杠2在套筒17内部孔里面自由移动，套筒17用于保护丝杠2，限制丝杠2上下移动时的横向摆动。所述主动轮15转速和电机1输出转速一致。

所述限位机构部包括上限位光耦组件7、挡位块9、支架10、下限位光耦组件13，其中：上限位光耦组件7和下限位光耦组件13分别含有红外发光管和红外晶体管；上限位光耦组件7和下限位光耦组件13安装于支架10上，挡位块9与丝杠2的上端固定连接，挡位块9具有三个伸出臂，分别深入支架10具有的U形槽内，当挡位块9随丝杠2运动时，U形槽限制挡位块9的横向摆动，使丝杠2和挡位块9只能直线上下运动；挡位块9的矩形挡片在支架10的U形槽内上下移动，当挡位块9的矩形挡片移到上限位光耦组件7的红外发光管和红外晶体管中间时，上限位光耦组件7的红外发光管发出的光被遮挡，上部光路处于断路状态，上限位光耦组件7未导通，信号切断，电机1停转；当挡位块9的矩形挡片移到下限位光耦组件13的红外发光管和红外晶体管中间时，下限位光耦组件13的红外发光管发出的光被遮挡，下部光路处于断路状态，下限位光耦组件13未导通，信号切断，电机1停转。所述上部光路指的是上限位光耦组件7里面的红外发光管和红外晶体管，以及二极管，电容等，见控制电路图里面的右半部分，这部分处于断路，未导通。所述下部光路指的是下限位光耦组件13里面的红外发光管和红外晶体管，以及二极管，电容等，见控制电路图5里面的左半部分，这部分处于断路，未导通。

所述电机1的驱动力用以克服阀盖3提升所受的气体压力和自身重力，电机1停转时，利用丝杠2螺纹连接的自锁力支撑阀盖3处于保持位置。所述保持位置是当阀盖3下移压紧密封圈4时，阀盖3能够保持这种压紧的状态，阀盖3位置不变；阀盖3上移至最大行程时也能保持位置不变，使阀盖3远离阀体14的阀口。所述自锁力的说明：如果丝杠2无自锁能力，阀盖3有可能离开密封圈4，这样就造成了密封不严的问题，原因是丝杠2是螺纹连接结构，有了自锁能力，电机1可以带动丝杠2运动，但是，反过来，丝杠2不能使电机1反转，这就是自锁功能。

所述上限位光耦组件7，用于限制阀盖3上升的行程高度；所述上升的行程高度是通过调整上限位光耦组件7与下限位光耦组件13之间的距离来控制阀盖3上升的高度，上限位光耦组件7与下限位光耦组件13之间的距离越大，阀盖3上升的行程高度就越高，上限位光耦组件7与下限位光耦组件13之间的距离越小，阀盖3上升的行程高度就越低。

所述下限位光耦组件13，用于限制阀盖3下降的行程高度；所述下降的行程高度是通过调整上限位光耦组件7与下限位光耦组件13之间的距离来控制阀盖3下降的高度，上限位光耦组件7与下限位光耦组件13之间的距离越大，阀盖3下降的行程高度就越高，上限位光耦组件7与下限位光耦组件13之间的距离越小，阀盖3下降的行程高度就越低，但是为使浮空器光电控制阀门处于常闭状态，当挡位块遮挡下限位光耦组件13时，阀盖应压紧密封圈。

所述主动轮15带动从动轮转动；从动轮12上下两端固定安装滚动轴承16，两端约束，从动轮12与丝杠2构成丝杠螺母传动机构。从动轮12轴向受约束，只能在主动轮15的作用下沿轴转动，丝杠2上端固定挡位块9，挡位块9有3个伸出臂，分别伸入支架10所开的U形槽内，支架10固定，挡位块9只能沿开槽直线移动，转动受限制，因此，丝杠2只能做上下直线运动。丝杠2与阀盖3固定连接，丝杠2垂直向上运动，阀盖3上移，阀口打开，丝杠2垂直向下运动，阀盖3下移，阀口关闭。

丝杠2上下移动时有限位保护套辅助作用，限制其摆动，使其能垂直平稳移动；挡位块9移到挡住下限位光耦组件13的红外发光管和红外晶体管之间时，阀盖3能够压紧密封圈4，使阀体的阀口在关闭时处于密封状态。

滚动轴承16与从动轮12采用过盈配合，两端约束，主动轮15与从动轮12端面平齐。轴承16为滚动轴承。

所述控制电路8负责对电机1的控制，当控制电路8收到外部计算机开启阀门指令后，电机1正转，通过齿轮传动机构，带动丝杠2直线上升，阀盖3上移，挡位块9上移，当挡位块9移到上限位光耦组件7的红外发光管和红外晶体管之间时，切断信号，电机1停转，阀盖3上升到最大高度，阀口打开到最大，此时为排气量最大位置，链路反馈为开；当控制电路8收到外部计算机的关阀门指令后，电机1反转，通过齿轮传动机构，带动丝杠2直线下降，阀盖3下移，挡位块9下移，当挡位块9移到下限位光耦组件13的发光管和晶体管之间时，切断信号，电机1停转，阀盖3压紧密封圈4，阀口关闭，链路反馈为关。所述“开”“关”指令是本发明外部的控制指令，是计算机外加的信号，它是计算机根据浮空器的状态作出的判断，“开”“关”指令不是来自于本发明部件，是外部计算机指令；所述链路反馈是指采集的限位光耦组件7和13的状态，链路应该就是限位组件构成的电路。

所述附图5为浮空器光电控制阀门的控制电路8原理图，其中，D1、D2为二级管；a、b为电机M的两连接端，U_CD为电源，C、D为电源的两连接端；T1和T2为红外光电晶体管，LED1、LED2为配套的红外发光管，R3、R4为LED1、LED2的限流电阻；Q1、Q2为MOS管(或达林顿三极管)，R1、R2用于调节MOS管栅极-源级电压，C1、C2为保护电容，防止电机停转时，感生的瞬间高压损坏MOS管。红外光电晶体管T1和红外发光管LED1，红外光电晶体管T2和红外发光管LED2分别构成上限位光耦组件7和下限位光耦组件13。

本发明浮空器光电控制阀门的电缆通常较长，为防止电磁干扰，造成所述阀门误动作。设计成供电缆即为控制缆，通过选择+12V或者-12V直流供电，控制所述阀门的作动。

所述阀门作动过程如下：

1.当U_CD＝+12V，Q2、T2截止，LED2灭，左半侧电路除D2外不工作。右半侧电路LED1亮，T1通，电流流过R1，在Q1栅极产生电压，使得Q1导通。形成C→D2→电机M→Q1→D的通路。电机M正向转动，直至LED1被遮挡，T1截至，Q1截止，电机M停转；电机M即是电机1。

2.当U_CD＝-12V，Q1、T1截止，LED1灭，右半侧电路除D1外不工作。左半侧电路LED2亮，T2通，电流流过R2，在Q2栅极产生电压，使得Q2导通。形成D→D1→电机M→Q2→C的通路。电机M反转，直至LED2被遮挡，T2截至，Q2截止，电机M停转。

对限位光耦组件状态和所述阀门作动状态监控可以及时反馈所述阀门所处的位置情况，利于控制，针对本实例，当控制电路8收到关阀门的指令后，电机1反转，通过齿轮传动机构，带动丝杠2直线下降，阀盖3下移，挡位块9下移，当挡位块9移到下限位光耦组件13的发光管和晶体管之间时，切断信号，电机1停转，阀盖3压紧密封圈4，阀口关闭，链路反馈为关。

所述附图6-图7示出了阀盖3垂直提升到达指定位置的三维立体图、局部正视图。当控制电路8收到开启阀门的指令后，电机1正转，通过齿轮传动，带动丝杠2直线上升，阀盖3上移，挡位块9上移，当挡位块9移到上限位光耦组件7的发光管和晶体管之间时，切断信号，电机1停转，阀盖3上升到最大高度，阀口打开到最大，此时为预定排气量最大情况，链路反馈为开。

阀体14和基座6靠立柱5支撑，立柱5高度要和阀盖3上升高度成正比，阀盖3行程越大，立柱5高度就越高；上限位光耦组件7采用红外光敏感器，上限位光耦组件7的位置可调，通过调节红外光敏感器的高度控制阀盖3上升的高度。

综上所述，在本发明的排气装置中，启闭机构部通过齿轮传动机构，丝杠螺母机构，将阀盖3沿竖直方向提升，通过红外光敏感器限位，阀盖3达到预定高度，浮空器里面的气体流出；关闭时，控制电路8控制启闭机构部反方向作用，阀盖3沿竖直方向下降，通过红外光敏感器限位，阀盖3紧压密封圈4，启闭机构部处于密封状态。

以上通过举例对本发明进行了说明，但是，并不限于本发明。应当明白，在该原理和精神下，还可以对所举实例做出各种变化、变更以及组合，这些变化和变更以及组合只要被涵盖在本发明的权利要求范围内，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种浮空器光电控制阀门，其特征在于包括：阀盖、密封圈、多个立柱、基座、控制电路、阀体、启闭机构部和限位机构部；其中：阀体外圆上布设有一圈螺钉孔，依靠这些螺钉孔与浮空器气囊连接，使阀体布局于浮空器的囊体上；多个立柱分别位于基座和阀体之间并将两者连接成一体，多个立柱支撑基座和阀体；阀体上开有阀口，将浮空器气囊里面的气体排出；阀口外圆套设于密封圈的内孔中，并且阀盖覆盖于密封圈和阀体的阀口上，阀盖关闭时，阀盖、密封圈和阀口三者处于密封状态；启闭机构部的丝杠是通过丝杠的下端面法兰结构上布设的螺钉孔与阀盖固定连接，启闭机构部的丝杠用于启闭阀盖离开和覆盖阀口；启闭机构部的电机与控制电路连接，控制电路控制启闭机构部的电机转动时，启闭机构部的电机控制阀盖沿竖直方向提升和下移；启闭机构部的丝杠的上端面具有一螺纹孔，限位机构部的挡位块通过螺纹孔与丝杠固定连接，启闭机构部的电机转动时，限位机构部的挡位块随启闭机构部的丝杠一起垂直上下运动，挡住限位机构部的上限位光耦组件和下限位光耦组件发出的红外光，切断控制电路，从而使启闭机构部的电机停转。

2.根据权利要求1所述的浮空器光电控制阀门，其特征在于，启闭机构部包括：电机、丝杠、底座、从动轮、主动轮、轴承和套筒，其中：电机与底座固定连接；主动轮固定在电机的输出轴上，从动轮与主动轮的轮齿相互啮合，构成齿轮传动机构；从动轮为圆柱状结构，中心开有内螺纹通孔，从动轮与丝杠的外螺纹相互啮合，构成丝杠螺母传动机构；丝杠与阀盖固定连接，将阀盖沿竖直方向提升和下移；轴承的外端面与套筒的下端面的开孔过盈配合，套筒固定在底座上，轴承的内孔与从动轮上部的光轴过盈配合，从动轮下端光轴与安装在基座上的轴承过盈配合，这样从动轮上下两端都有轴承支撑，从动轮就只能转动；套筒内部中空，套筒的下端通过螺钉孔与底座固定，套筒下端面的开孔与轴承过盈配合，套筒用于固定轴承；丝杠在套筒内部孔里面自由移动，套筒用于保护丝杠，限制丝杠上下移动时的横向摆动。

3.根据权利要求2所述的浮空器光电控制阀门，其特征在于，所述限位机构部包括上限位光耦组件、挡位块、支架、下限位光耦组件，其中：上限位光耦组件和下限位光耦组件分别含有红外发光管和红外晶体管；上限位光耦组件和下限位光耦组件安装于支架上，挡位块与丝杠的上端固定连接，挡位块具有三个伸出臂，分别深入支架具有的U形槽内，当挡位块随丝杠运动时，U形槽限制挡位块的横向摆动，使丝杠和挡位块只能直线上下运动；挡位块的矩形挡片在支架的U形槽内上下移动，当挡位块的矩形挡片移到上限位光耦组件的红外发光管和红外晶体管中间时，上限位光耦组件的红外发光管发出的光被遮挡，上部光路处于断路状态，上限位光耦组件未导通，信号切断，电机停转；当挡位块的矩形挡片移到下限位光耦组件的红外发光管和红外晶体管中间时，下限位光耦组件的红外发光管发出的光被遮挡，下部光路处于断路状态，下限位光耦组件未导通，信号切断，电机停转。

4.根据权利要求3所述的浮空器光电控制阀门，其特征在于，所述控制电路负责对电机的控制，当控制电路收到外部计算机开启阀门指令后，电机正转，通过齿轮传动机构，带动丝杠直线上升，阀盖上移，挡位块上移，当挡位块移到上限位光耦组件的红外发光管和红外晶体管之间时，切断信号，电机停转，阀盖上升到最大高度，此时为排气量最大位置，链路反馈为开；当控制电路收到外部计算机的关闭阀门指令后，电机反转，通过齿轮传动机构，带动丝杠直线下降，阀盖下移，挡位块下移，当挡位块移到下限位光耦组件的发光管和晶体管之间时，切断信号，电机停转，阀盖压紧密封圈，阀口关闭，链路反馈为关。

5.根据权利要求2所述的浮空器光电控制阀门，其特征在于，所述电机的驱动力用以克服阀盖提升所受的气体压力和自身重力，电机停转时，利用丝杠螺纹连接的自锁力支撑阀盖处于保持位置。

6.根据权利要求3所述的浮空器光电控制阀门，其特征在于，挡位块移到下限位光耦组件的红外发光管和红外晶体管之间时，阀盖能够压紧密封圈，使阀体的阀口在关闭时处于密封状态。

7.根据权利要求3所述的浮空器光电控制阀门，其特征在于，所述上限位光耦组件，用于限制阀盖上升的行程高度；所述上升的行程高度是通过调整上限位光耦组件与下限位光耦组件之间的距离来控制阀盖上升的高度，上限位光耦组件与下限位光耦组件之间的距离越大，阀盖上升的行程高度就越高，上限位光耦组件与下限位光耦组件之间的距离越小，阀盖上升的行程高度就越低。

8.根据权利要求3所述的浮空器光电控制阀门，其特征在于，所述下限位光耦组件，用于限制阀盖下降的行程高度；所述下降的行程高度是通过调整上限位光耦组件与下限位光耦组件之间的距离来控制阀盖下降的高度，上限位光耦组件与下限位光耦组件之间的距离越大，阀盖下降的行程高度就越高，上限位光耦组件与下限位光耦组件之间的距离越小，阀盖下降的行程高度就越低，但是为使浮空器光电控制阀门处于常闭状态，当挡位块遮挡下限位光耦组件时，阀盖应压紧密封圈。