CN1046590A

CN1046590A - 先导式气体压力控制阀

Info

Publication number: CN1046590A
Application number: CN 89102687
Authority: CN
Inventors: 周洪; 路甬祥
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 1989-04-22
Filing date: 1989-04-22
Publication date: 1990-10-31

Abstract

一种先导式气体压力控制阀，由于采用了反馈容腔及其上、下作用面积差的反馈原理，使调节力大幅度降低，减轻手动调节力或实现截止式先导阀结构的电——气压力比例控制；同时由于采用了反馈容腔，使调节增益提高，从而扩大了压力精密调节范围和调节精度；并且具有结构简单，成本较低，可靠性好，在机械、化工、医疗工程、轻工、包装、军工及食品工业等领域的各种自动化设备中均可得到广泛的应用。

Description

本发明涉及流体压力执行系统，一种先导式气体压力控制阀。

在现有技术领域中所使用的先导式气体压力控制阀，按其结构形式可分为Ⅲ类：

第Ⅰ类是采用输出压力间接反馈的喷嘴挡板结构，见图1所示，其主要组成部分是，挡板〔1〕、喷嘴〔2〕、主阀芯〔3〕、主阀座〔4〕、复位弹簧〔5〕、固定节流孔〔6〕。当调节压力F_D为零时，挡板离开喷嘴，先导压力P_X近似为零，阀芯〔3〕在弹簧〔5〕的作用下移至右端，输出口A与排气口T连通，因此输出压力P₂近似为零。当通过调节弹簧或电-机械转换器而给定一定的调节压力F_D时，挡板〔1〕被推向喷嘴〔2〕，引起P_X压力升高，直至P_X·A₁＝F_D（A₁为喷嘴的有效作用面积）。P_X压力升高后推进阀芯〔3〕向左移动，气源通过阀口P、向输出口A充气，P₂压力升高，而P₂压力又作用于阀芯〔3〕的左端面，因此P₂升高后阻止阀芯〔3〕向左移动，直至作用于阀芯〔3〕的压力P₂、P_X、弹簧力及摩擦力、流动力相平衡为止，此时：

P₂·A₂+（X₀+X）K-P_XA₂+f＝0

代入P_x= (F_D)/(A₁) 得：(P₂- (F_D)/(A₁) )A₂+ XO K + f′=0

其中：

A₂-阀芯面积

K-复位弹簧〔5〕的刚度

X₀-复位弹簧的预压缩量

X-阀芯向左位移量

f-摩擦力、流动力之和

f′-f+X·K

由上式可见，只有当f′力很小时输出压力P₂才与调节压力F_D成正比，这种方式的先导式气体压力控制阀的控制精度不高。

第Ⅱ类常见的先导式气体压力控制阀结构，见图2所示，它主要由调节螺钉〔1〕、调压弹簧〔2〕、挡板〔3〕、喷嘴〔4〕、孔道〔5〕、阀芯〔6〕、排气口〔7〕、进气阀口〔8〕、固定节流孔〔9〕、膜片〔10〕、膜片〔11〕等组成。当调压弹簧〔2〕松开时，挡板〔3〕离开喷嘴〔4〕，B腔的气压近似为零，进气阀口〔8〕关闭，输出压力P₂近似为零。当调节螺钉〔1〕使调节弹簧〔2〕产生一定调节压力F_D时，挡板〔3〕推向喷嘴〔4〕，B腔压力P_B增大，而P_B增大后又推动阀芯〔6〕向下移动，打开进气阀口〔8〕，使输出压力P₂升高，而P₂升高又通过孔道〔5〕进入A腔，产生与调节压力F_D相抵抗的反馈力，直至反馈力与调节力相平衡。这时F_D＝A_f·P₂+A₁·P_B+f。

其中：

A_f-P₂压力作用于膜片〔11〕产生向上力的有效作用面积

A₁-喷嘴有效作用面积

f-弹簧力及流动力之和

P_B-容腔B内的压力

由于结构设计保证A_f＞＞A₁，f力很小，故F_D≈A_f·P₂。从而实现了调节压力F_D对输出气压P₂的比例控制。但由于由固定节流孔〔9〕，喷嘴挡板〔4〕、〔3〕组成的气桥的高压端为气源压力P₁，低压端为输出压力P₂，因此当调定输出压力P₂接近气源压力P₁时，气桥的增益大幅度降低，因此挡板与喷嘴的距离变化对P_B压力的影响降低，从而降低了控制精度。同时由于该阀先导级采用了膜片式结构，使A_f的面积必须较大，从而使调节力F_D增大，不能由常见的比例电磁铁或其他电-机械转换器产生的调节力来驱动，因此难以实现电-气压力比例控制。

第Ⅲ类是采用压力定值器的结构，见图3，该阀与第Ⅱ类阀的区别在于增加了用于保持固定节流孔〔14〕上、下游压差为一定值的恒压差装置Ⅱ。这类阀仍存在调节力大，不易实现电-气压力比例控制及压力调节范围小等缺点（一般调压范围为0～0.1MPa时精度较高，而大于0.1MPa后精度降低）。

为了有效地实现调节力小，控制增益高的喷嘴挡板式先导级，提高气体压力控制阀的调压范围，调节精度及实现电-气压力比例控制，特提出本发明。

附图说明：

图1、第Ⅰ类先导式气体压力控制阀原理图;

图2、第Ⅱ类先导式气体压力控制阀结构图;

图3、第Ⅲ类先导式气体压力控制阀原理图;

图4、本发明的先导式气体压力控制阀（主阀为截止式）结构图;

图5、本发明的先导式气体压力控制阀（主阀为滑阀式）结构图。

结合附图对本发明的结构及实施方式进行详细描述：

图4是本发明提出的先导式气体压力控制阀的结构图，该阀由调节头、先导级、主阀等部件组成，调节头的功能是产生调节力，它可以是比例电磁铁、动圈力马达、力矩马达等电机械转换器或者是由弹簧加调节螺钉组成的手调机构。主阀它可以采用截止式结构或滑阀式结构。先导级部件包括主阀通过膜片〔32〕与主阀控制容腔V_X连接的喷嘴座〔22〕，喷嘴座〔22〕的排气容腔V₀₁通过膜片〔23〕与反馈板〔24〕的反馈容腔V_f连接，反馈板〔24〕的反馈容腔通过膜片〔25〕与上阀盖〔26〕的容腔V₀₂连接，在先导级中套有隔套〔28〕的挡板〔29〕其一端与调节头的推杆连接，并用螺母〔27〕与膜片〔25〕、〔23〕锁紧、另一端与开有气孔的喷嘴〔31〕喷出口通过弹簧〔30〕连接，固定节流孔〔21〕一端与主阀气源P₁口连通、另一端与主阀控制容腔V_X连通，喷嘴〔31〕喷出口经容腔V₀₁的O口排气、另一端与主阀控制容腔V_X连通，气口P_f一端与反馈容腔V_f连通、另一端与主阀输出口P₂连通。

下面是本发明的一个实施例，如图4所示，当比例电磁铁输入电流为零时，调节力为零，挡板〔29〕离开喷嘴〔31〕，因此主阀控制容腔V_X内的先导气压近似为零。当比例电磁铁输入一定电流时，比例电磁铁产生与输入电流成比例的调节力F_D，该力作用于挡板〔29〕使之与喷嘴〔31〕靠近，因而主阀控制容腔V_X内气压P_X上升推动主阀芯〔34〕打开下阀口〔35〕，输出气压P₂升高，同时输出气压P₂进入反馈容腔V_f，由于反馈容腔V_f的上、下膜片〔25〕、〔23〕作用面积不同，下膜片〔23〕作用面积小于上膜片〔25〕作用面积，故气压P₂在反馈容腔V_f内产生向上的差动力与比例电磁铁产生的调节力F_D相抵消，直到P₂升高到向上差动力与调节力相平衡为至。由于设计时保证反馈容腔V_f内上、下膜片作用面积差△A远大于喷嘴〔31〕的作用面积，故达到调节平衡时：

F_D＝iK≈△A·P₂

其中：

i-比例电磁铁的输入电流

K-比例电磁铁的电流-输出力增益

可见输出气压P₂与输入电流i成比例。若在上述平衡状态下由于外部干扰或其它原因使气压P₂升高大于调定值时，反馈容腔V_f内向上的差动力将大于调节力F_D，因此使档板〔29〕与喷嘴〔31〕的距离增大，主阀控制容腔V_X内的先导压力P_X下降，主阀芯〔34〕上移，关闭下阀口〔35〕，并打开上阀口〔33〕，使气压P₂下降，直至恢复平衡状态。

下面是本发明的另一个实施例，如图5所示，先导级P口接通主阀气源压力P₁口，反馈压力P_f口接通主阀输出P₂口，当给定调节力为零时，挡板〔29〕离开喷嘴〔31〕，使主阀控制腔V_X内的先导压力P_X近似为零，主阀芯〔36〕在复位弹簧〔37〕的推动下处于上端，切断P₁与P₂孔的通路，而P₂口与排气口T连通，故输出气压P₂为零。当给定一定的调节力F_D时，F_D力推动挡板〔29〕使之与喷嘴〔31〕接近，使先导压力P_X上升，从而推动主阀芯〔33〕向下移动，P₁口与P₂口连通，使输出压力P₂上升，而P₂又经过P_f口流到先导级的反馈容腔V_f，通过上、下作用面积差产生向上的作用力与F_D相抵消，直至与F_D相平衡为至。由于设计时保证反馈容腔V_f内上、下膜片作用面积差△A远大于喷嘴〔31〕的作用面积，故达到调节平衡时：

F_D≈△A·P₂

从而实现了F_D力对主阀输出压力P₂的比例控制。

本发明的主要特点是：

（1）反馈容腔内上、下膜片作用面积差不但保证各自具有膜片式阀应有足够大的作用面积，而且使反馈力大小减少到使调节力足够小，从而实现了膜片式阀的低调节力控制，实现了电-气压力比例控制。

（2）采用反馈容腔可使输出气压P₂与由固定节流孔〔21〕和喷嘴挡板〔31〕、〔29〕构成的气桥控制气压P_X不流通，因此可将气桥的低压端通排气容腔V₀₁。使气桥在调定输出气压P₂接近气源压力P₁时仍可具有很高的增益，从而保证了本阀具有很宽的精密调压范围（从0到4/5气源压力）。

本发明的效果是，由于采用了反馈容腔及其上、下作用面积差的反馈原理，使调节力大幅度降低，减轻手动调节力或实现截止式先导阀结构的电-气压力比例控制;同时由于采用了反馈容腔，使调节增益提高，从而扩大了压力精密调节范围和调节精度;并且具有结构简单、成本较低，可靠性好，在机械、化工、医疗工程、轻工、包装、军工及食品工业等领域的各种自动化设备中均可得到广泛的应用。

Claims

1、一种先导式气体压力控制阀，它包括调节头、先导级、主阀，本发明的特征是，所述的先导级包括主阀通过膜片[32]与主阀控制容腔V_X连接的喷嘴座[22]，喷嘴座[22]的排气容腔V₀₁通过膜片[23]与反馈板[24]的反馈容腔V_f连接，反馈板[24]的反馈容腔V_f通过膜片[25]与上阀盖[26]的容腔V₀₂连接，在先导级中套有隔套[28]的挡板[29]其一端与调节头的推杆连接、另一端与开有气孔的喷嘴[31]喷出口通过弹簧[30]连接，固定节流孔[21]一端与主阀气源P₁口连通、另一端与主阀控制容腔V_X连通，喷嘴[31]喷出口经容腔V₀₁的O口排气、另一端与主阀控制容腔V_X连通，气口P_f一端与反馈容腔V_f连通、另一端与主阀输出口P₂连通。

2、根据权利要求1所述的气体压力控制阀，其特征是，调节头为比例电磁铁、动圈力马达、力矩马达或由弹簧加调节螺钉组成的手调机构。

3、根据权利要求1所述的气体压力控制阀，其特征是，主阀为截止式结构或滑阀式结构。