CN108167507B - 一种基于空气弹簧的高压微动调节阀 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力调节精密控制技术领域，具体涉及一种基于空气弹簧的高压微动调节阀。空气弹簧腔体与空气弹簧腔体焊接底座采用氩弧焊连接；空气弹簧腔体上部设置有锁紧盖；空气弹簧下端面通过第一内六角螺栓与空气弹簧连接座连接，放置在空气弹簧腔体中；复位弹簧放置在空气弹簧连接座与空气弹簧腔体焊接底座之间；阀门固定座上端通过第二内六角螺栓与空气弹簧腔体焊接底座连接；调节阀安装在阀门固定座下端；调节阀通过阀门联轴器及有限制连接轴与空气弹簧连接座连接。本发明可广泛应用于液压技术领域，特别在航空航天等具有特殊要求的行业，能够满足不同的工艺要求，实现多样的液压调节方式，结构简洁紧凑、成本低、易于维护。

Description

一种基于空气弹簧的高压微动调节阀

技术领域

本发明属于压力调节精密控制技术领域，具体涉及一种基于空气弹簧的高压微动调节阀。

背景技术

在航天领域，导管、贮箱等产品的液压强度试验、爆破试验一直具有相当重要的地位，是产品定型和量产过程中必不可少的测试环节，随着航天新型号的增加，试验要求的提高，测试设备的更新换代，现有液压调节方式不能满足所有产品的需求，因此迫切的需要一款高精度、高灵敏度的调节阀以适应不同的任务需求。目前采用较多的压力调节阀一般采用膜片或活塞分隔入口腔和出口腔，采用的是力平衡的原理，给定一个固定压力，则出口腔的压力就等于这个压力。然而，无论是国产产品还是进口产品，都存在调节精度不高，有回程差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于空气弹簧的高压微动调节阀，以克服现有调节阀在压力调节上的缺陷。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于空气弹簧的高压微动调节阀，包括锁紧盖、空气弹簧腔体、空气弹簧、空气弹簧连接座、第一内六角螺栓、复位弹簧、空气弹簧腔体焊接底座、第二内六角螺栓、有限制连接轴、阀门联轴器、阀门固定座和调节阀；空气弹簧腔体与空气弹簧腔体焊接底座采用氩弧焊连接；空气弹簧腔体上部设置有锁紧盖；空气弹簧下端面通过第一内六角螺栓与空气弹簧连接座连接，放置在空气弹簧腔体中；复位弹簧放置在空气弹簧连接座与空气弹簧腔体焊接底座之间；阀门固定座上端通过第二内六角螺栓与空气弹簧腔体焊接底座连接；调节阀安装在阀门固定座下端；调节阀通过阀门联轴器及有限制连接轴与空气弹簧连接座连接。

该高压微动调节阀的工作状态如下：

初始状态下，空气弹簧不充压，由复位弹簧提供向上的力，此时高压微动调节阀处于全开状态；

使用时，第一步，对空气弹簧输入最大驱动气压力值p_1max，受安装空间限制，存在最大力f_1max，当进气存在压力p₁，对高压阀杆作用面积s，复位弹簧压缩量最大，复位弹簧力f_max，存在不等式p×s+f_max<f_1max，此时高压微动调节阀处于全关状态，p为空气弹簧实际压力；

第二步，将驱动气压力降低，使空气弹簧压力减小至f₁'，使阀杆处于临界状态，存在等式p×s+f'＝f₁'，f'为该状态时空气弹簧力；

第三步，调压过程中，需要阀杆产生位移，调整阀体介质流通间隙，减小空气弹簧驱动气压力，使空气弹簧力为f₁"<f₁'，当空气弹簧发生形变后，复位弹簧得到释放，复位弹簧力f"，进气压力对阀杆作用面积s'，设阀杆质量为m，阀杆动作加速度为a，则存在等式p×s'+f"-f₁"＝ma。

驱动气出入口控制方法如下：

第一步，通过进气电磁阀向空气弹簧内充入0.6MPa驱动气，确保在接入介质气源时，阀门仍可靠关闭；

第二步，将驱动气压力P2降低，使空气弹簧压力减小至f₁'，使阀杆处于临界状态，存在等式p×s+f'＝f₁'，空气弹簧力及压缩量可查表获得，复位弹簧力可根据弹性模量及压缩量计算获得，则驱动气压力P2可根据等式估算得出；

第三步，首先慢排气电磁阀以最短动作时间，开始降低驱动气压力P2，破坏当前力平衡状态，使阀杆形成微小位移量，同时监测被测产品压力变化，约定初始充压压力变化速率不大于压力目标值的1％，当被测产品压力变化远小于目标值的1％时，逐步增大慢排气电磁阀动作时间或采用快排气电磁阀进行排气；当被测产品压力变化大于目标值的1％时，进气电磁阀以最短动作时间进气，调整平衡状态，减小压力变化速率；电磁阀动作后，空气弹簧增加或减小内部驱动气，恢复新平衡，阀杆仅发生微小位移；

第四步，当被测产品压力接近设定值的90％、95％、98％时，调整允许最大压力变化速率值，根据要求的控压精度，设定为2倍、1倍、0.3倍最大允差，确保压力调节准确度。

驱动气入口采用带自泄压功能的压力比例阀进行PID控制，控制方法如下：

第一步，通过压力比例阀向空气弹簧内充入0.6MPa驱动气，确保在接入介质气源时，阀门仍可靠关闭；

第二步，将驱动气压力降低，使空气弹簧压力减小至f₁'，使阀杆处于临界状态，存在等式p×s+f'＝f₁'，空气弹簧力及压缩量可查表获得，复位弹簧力可根据弹性模量及压缩量计算获得，则驱动气压力可根据等式估算得出；

第三步，首先压力比例阀降低驱动气压力，破坏当前力平衡状态，形成等式p×s'+f"-f₁"＝ma，使阀杆形成微小位移加速度，同时监测被测产品压力变化，约定初始充压压力变化速率不大于压力目标值的1％，当被测产品压力变化远小于目标值的1％时，逐步减小压力比例阀输出压力；当被测产品压力变化大于目标值的1％时，逐步增大压力比例阀输出压力，调整阀杆位置；压力比例阀实时改变空气弹簧内部驱动气压力，实现动态平衡，阀杆一直处于小范围微小位移；

第四步，当被测产品动态压力接近设定值的90％、95％、98％时，调整允许最大压力变化速率值，根据要求的控压精度，设定为2倍、1倍、0.3倍最大允差，确保压力调节准确度。

本发明所取得的有益效果为：

本发明采用直动式调节阀门，动作灵敏度高，响应快。本发明采用单囊式空气弹簧，极大克服静摩擦对调节精度的影响，减小不灵敏区。本发明采用3个高频电磁阀，一进两排的组合方式调节单囊式空气弹簧的驱动气，实现慢开、慢关、快关等功能，提高控制精度。本发明采用压力比例阀调节单囊式空气弹簧的驱动气，实现压力动态调节，提高控制响应速度。本发明可广泛应用于液压技术领域，特别在航空航天等具有特殊要求的行业，能够满足不同的工艺要求，实现多样的液压调节方式，结构简洁紧凑、成本低、易于维护，具有较广的应用前景。

阀体需采用上下直动式调节阀，避免回程差，要求有较高的线性度，降低控制难度，较高的灵敏度，提高响应速度、调节分辨率，较大的调节行程，提高压力调节最小分辨率。驱动元件采用单囊式空气弹簧，具有大力矩、无摩擦、无爬行、响应速度快、可靠性高、灵敏度高等特点，能够通过连接机构与阀杆相连，通过驱动气的改变，调节单囊式空气弹簧的长度，从而实现阀门开度的调节，可实现无极微量(优于1μm)开度控制。运用控制方法，进行驱动气的控制，实现高压微动调节阀输出压力的精确控制。驱动气出入口采用高频电磁阀，控制绝对误差可控制在±0.001MPa以内，阀杆定位准确，输入、输出压力改变时，能迅速反应。驱动气入口采用带自泄压功能的压力比例阀，控制相对误差可控制在±0.1％F·S，阀杆连续运动，动态响应特性好。

附图说明

图1为基于空气弹簧的高压微动调节阀示意图；

图2为基于空气弹簧的高压微动调节阀高频电磁阀控制原理图；

图3为基于空气弹簧的高压微动调节阀压力比例阀控制原理图；

图中：1、锁紧盖；2、空气弹簧腔体；3、空气弹簧；4、空气弹簧连接座；5、第一内六角螺栓；6、复位弹簧；7、空气弹簧腔体焊接底座；8、第二内六角螺栓；9、有限制连接轴；10、阀门联轴器；11、阀门固定座；12、调节阀；C0、驱动气入口；P1、驱动气压力传感器；SV01、进气电磁阀；SV02、快排气电磁阀；XYQ1、消音器A；SV03、慢排气电磁阀；JLV1、节流阀；XYQ2、消音器B；P2、输出压力传感器A；C1、空气弹簧驱动气输出口A；C2、驱动气入口；P3、驱动气压力传感器；PSV01、压力比例阀；P4、输出压力传感器B；C3、空气弹簧驱动气输出口B。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所述基于空气弹簧的高压微动调节阀包括锁紧盖1、空气弹簧腔体2、空气弹簧3、空气弹簧连接座4、第一内六角螺栓5、复位弹簧6、空气弹簧腔体焊接底座7、第二内六角螺栓8、有限制连接轴9、阀门联轴器10、阀门固定座11、调节阀12；空气弹簧腔体2与空气弹簧腔体焊接底座7采用氩弧焊连接；空气弹簧腔体2上部设置有锁紧盖1；空气弹簧3下端面通过第一内六角螺栓5与空气弹簧连接座4连接，放置在空气弹簧腔体2中；复位弹簧6放置在空气弹簧连接座4与空气弹簧腔体焊接底座7之间；阀门固定座11上端通过第二内六角螺栓8与空气弹簧腔体焊接底座7连接；调节阀12安装在阀门固定座11下端；调节阀12通过阀门联轴器10及有限制连接轴9与空气弹簧连接座4连接。

本发明所述基于空气弹簧的高压微动调节阀工作状态如下：

初始状态下，空气弹簧3不充压，最小高度，由复位弹簧6提供向上的力，此时高压微动调节阀处于全开状态；

使用时，第一步，对空气弹簧3输入最大驱动气压力值p_1max，受安装空间限制，存在最大力f_1max，当进气存在压力p₁，对高压阀杆作用面积s，复位弹簧6压缩量最大，复位弹簧力f_max，存在不等式p×s+f_max<f_1max，此时高压微动调节阀处于全关状态，p为空气弹簧3实际压力；

第二步，将驱动气压力降低，使空气弹簧压力减小至f₁'，使阀杆处于临界状态，存在等式p×s+f'＝f₁'，f'为该状态时空气弹簧力；

第三步，调压过程中，需要阀杆产生位移，调整阀体介质流通间隙，减小空气弹簧驱动气压力，使空气弹簧力为f₁"<f₁'，当空气弹簧3发生形变后，复位弹簧6得到释放，复位弹簧力f"，进气压力对阀杆作用面积s'，设阀杆质量为m，阀杆动作加速度为a，则存在等式p×s'+f"-f₁"＝ma。

基于空气弹簧的高压微动调节阀的控制方法如下：

a、驱动气出、入口采用高频电磁阀

电磁阀调节为积分逼近式，阀杆动作稳定。电磁阀每次动作后，空气弹簧内驱动气压力发生改变，力平衡被破坏，但是由于空气弹簧容腔大小一定且密闭，因此能够迅速达到一个新的力平衡，此时阀杆位置发生了微小变化，该调解方式可以准确调节阀杆位置，监控阀门开度，以达到输出压力准确控制的目的。高压微动调节阀通过高频电磁阀实现驱动气的精确控制，控制原理图如图2所示。

调节条件：介质气源压力高于调节目标压力值，驱动气压力P1不小于0.6MPa。

控制方法如下：

第一步，通过进气电磁阀SV01向高压微动调节阀空气弹簧3内充入0.6MPa驱动气，确保在接入介质气源时，阀门仍可靠关闭。

第二步，将驱动气压力P2降低，使空气弹簧压力减小至f₁'，使阀杆处于临界状态，存在等式p×s+f'＝f₁'，其中空气弹簧力及压缩量可查表获得、复位弹簧力可根据弹性模量及压缩量计算获得，则驱动气压力P2可根据等式估算得出。

第三步，由于被测产品密闭容腔容积未知，首先慢排气电磁阀SV03以最短动作时间，开始降低驱动气压力P2，破坏当前力平衡状态，使阀杆形成微小位移量，同时监测被测产品压力变化，为确保压力调节精度，约定初始充压压力变化速率不大于压力目标值的1％，当被测产品压力变化远小于目标值的1％时，逐步增大慢排气电磁阀SV03动作时间或采用快排气电磁阀SV02进行排气；当被测产品压力变化大于目标值的1％时，进气电磁阀SV01以最短动作时间进气，调整平衡状态，减小压力变化速率。电磁阀动作后，空气弹簧3增加或减小内部驱动气，恢复新平衡，阀杆仅发生微小位移。

第四步，当被测产品压力接近设定值的90％、95％、98％时，调整允许最大压力变化速率值，根据要求的控压精度，设定为2倍、1倍、0.3倍最大允差，确保压力调节准确度。

b、驱动气入口采用带自泄压功能的压力比例阀

压力比例阀调节为PID控制，当力平衡被破坏时，由于比例阀输出恒定，因此对阀杆提供一个动作加速度，难以迅速调整到稳定开度，只能在目标位置产生震荡，通过一定时间收敛到一定震荡区间内，该调节方式可以迅速大范围改变调节阀杆位置，动态响应速度快。控制原理图如图3所示。

调节条件：介质气源压力高于调节目标压力值，驱动气压力不小于0.6MPa。

控制方法如下：

第一步，通过压力比例阀PSV01向高压微动调节阀空气弹簧3内充入0.6MPa驱动气，确保在接入介质气源时，阀门仍可靠关闭。

第二步，将驱动气压力降低，使空气弹簧压力减小至f₁'，使阀杆处于临界状态，存在等式p×s+f'＝f₁'，其中空气弹簧力及压缩量可查表获得、复位弹簧力可根据弹性模量及压缩量计算获得，则驱动气压力可根据等式估算得出。

第三步，由于被测产品为动压测试，首先压力比例阀PSV01降低驱动气压力，破坏当前力平衡状态，形成等式p×s'+f"-f₁"＝ma，使阀杆形成微小位移加速度，同时监测被测产品压力变化，为确保压力调节精度，约定初始充压压力变化速率不大于压力目标值的1％，当被测产品压力变化远小于目标值的1％时，逐步减小电气压力比例阀输出压力；当被测产品压力变化大于目标值的1％时，逐步增大电气压力比例阀输出压力，调整阀杆位置。电气压力比例阀实时改变空气弹簧内部驱动气压力，实现动态平衡，阀杆一直处于小范围微小位移。

第四步，当被测产品动态压力接近设定值的90％、95％、98％时，调整允许最大压力变化速率值，根据要求的控压精度，设定为2倍、1倍、0.3倍最大允差，确保压力调节准确度。

Claims (4)

1.一种基于空气弹簧的高压微动调节阀，其特征在于：包括锁紧盖(1)、空气弹簧腔体(2)、空气弹簧(3)、空气弹簧连接座(4)、第一内六角螺栓(5)、复位弹簧(6)、空气弹簧腔体焊接底座(7)、第二内六角螺栓(8)、有限制连接轴(9)、阀门联轴器(10)、阀门固定座(11)和调节阀(12)；空气弹簧腔体(2)与空气弹簧腔体焊接底座(7)采用氩弧焊连接；空气弹簧腔体(2)上部设置有锁紧盖(1)；空气弹簧(3)下端面通过第一内六角螺栓(5)与空气弹簧连接座(4)连接，放置在空气弹簧腔体(2)中；复位弹簧(6)放置在空气弹簧连接座(4)与空气弹簧腔体焊接底座(7)之间；阀门固定座(11)上端通过第二内六角螺栓(8)与空气弹簧腔体焊接底座(7)连接；调节阀(12)安装在阀门固定座(11)下端；调节阀(12)通过阀门联轴器(10)及有限制连接轴(9)与空气弹簧连接座(4)连接。

2.根据权利要求1所述的基于空气弹簧的高压微动调节阀，其特征在于：该高压微动调节阀的工作状态如下：

初始状态下，空气弹簧(3)不充压，由复位弹簧(6)提供向上的力，此时高压微动调节阀处于全开状态；

使用时，第一步，对空气弹簧(3)输入最大驱动气压力值p_1max，受安装空间限制，存在最大力f_1max，当进气存在压力p，对高压阀杆作用面积s，复位弹簧(6)压缩量最大，复位弹簧力f_max，存在不等式p×s+f_max<f_1max，此时高压微动调节阀处于全关状态；

第二步，将驱动气压力降低，使空气弹簧(3)压力减小至f₁'，使阀杆处于临界状态，存在等式p×s+f'＝f₁'，f'为该状态时复位弹簧力；

第三步，调压过程中，需要阀杆产生位移，调整阀体介质流通间隙，减小空气弹簧驱动气压力，使空气弹簧力为f₁"<f₁'，当空气弹簧(3)发生形变后，复位弹簧(6)得到释放，复位弹簧力f"，进气压力对阀杆作用面积s'，设阀杆质量为m，阀杆动作加速度为a，则存在等式p×s'+f"-f₁"＝ma。

3.根据权利要求2所述的基于空气弹簧的高压微动调节阀，其特征在于：驱动气出入口控制方法如下：

第一步，通过进气电磁阀向空气弹簧(3)内充入0.6MPa驱动气，确保在接入介质气源时，阀门仍可靠关闭；

第二步，将驱动气压力P2降低，使空气弹簧(3)压力减小至f₁'，使阀杆处于临界状态，存在等式p×s+f'＝f₁'，空气弹簧力及压缩量可查表获得，复位弹簧力可根据弹性模量及压缩量计算获得，则驱动气压力P2可根据等式估算得出；

第三步，首先慢排气电磁阀以最短动作时间，开始降低驱动气压力P2，破坏当前力平衡状态，使阀杆形成微小位移量，同时监测被测产品压力变化，约定初始充压压力变化速率不大于压力目标值的1％，当被测产品压力变化远小于目标值的1％时，逐步增大慢排气电磁阀动作时间或采用快排气电磁阀进行排气；当被测产品压力变化大于目标值的1％时，进气电磁阀以最短动作时间进气，调整平衡状态，减小压力变化速率；电磁阀动作后，空气弹簧(3)增加或减小内部驱动气，恢复新平衡，阀杆仅发生微小位移；

第四步，当被测产品压力接近设定值的90％、95％、98％时，调整允许最大压力变化速率值，根据要求的控压精度，设定为2倍、1倍、0.3倍最大允差，确保压力调节准确度。

4.根据权利要求2所述的基于空气弹簧的高压微动调节阀，其特征在于：驱动气入口采用带自泄压功能的压力比例阀进行PID控制，控制方法如下：

第一步，通过压力比例阀向空气弹簧(3)内充入0.6MPa驱动气，确保在接入介质气源时，阀门仍可靠关闭；

第二步，将驱动气压力降低，使空气弹簧压力减小至f₁'，使阀杆处于临界状态，存在等式p×s+f'＝f₁'，空气弹簧力及压缩量可查表获得，复位弹簧力可根据弹性模量及压缩量计算获得，则驱动气压力可根据等式估算得出；

第三步，首先压力比例阀降低驱动气压力，破坏当前力平衡状态，形成等式p×s'+f"-f₁"＝ma，使阀杆形成微小位移加速度，同时监测被测产品压力变化，约定初始充压压力变化速率不大于压力目标值的1％，当被测产品压力变化远小于目标值的1％时，逐步减小压力比例阀输出压力；当被测产品压力变化大于目标值的1％时，逐步增大压力比例阀输出压力，调整阀杆位置；压力比例阀实时改变空气弹簧内部驱动气压力，实现动态平衡，阀杆一直处于小范围微小位移；

第四步，当被测产品动态压力接近设定值的90％、95％、98％时，调整允许最大压力变化速率值，根据要求的控压精度，设定为2倍、1倍、0.3倍最大允差，确保压力调节准确度。

Images