CN110274038B

CN110274038B - 小流量电磁调节阀

Info

Publication number: CN110274038B
Application number: CN201910520244.5A
Authority: CN
Inventors: 孙立军; 郑博杰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2039-06-17
Also published as: CN110274038A

Abstract

本发明涉及一种小流量电磁调节阀，包括执行器和阀门两部分组成，执行器包括执行器支架、定铁芯、动铁芯、弹簧、阀位反馈传感器以及分别固定在执行器支架上部和下部的上安装盘和下托盘；定铁芯与上安装盘固定连接，定铁芯内套动铁芯组成电磁铁，提供磁力；弹簧位于定铁芯与动铁芯之间，置于弹簧卡槽内，在磁力作用下动铁芯受力运动压缩弹簧，弹簧提供压缩弹力与电磁力平衡；阀位反馈传感器包括阀位反馈传感器固定端、移动端，固定端连接在上安装盘上部，移动端与动铁芯连接，用以反馈动铁芯位移信息，最终转换为电信号形式反馈阀位信息。

Description

小流量电磁调节阀

技术领域

本发明涉及一种小流量电磁调节阀。

背景技术

小流量调节阀被广泛应用于电力、石油、化工、冶金、环保、轻工、教学和科研设备等行业的过程自动控制系统中。调节阀一般由执行机构和阀门组成。在调节阀工作状态下，执行机构起推动作用，为系统提供驱动力矩，克服阀门摩擦力、封闭力、不平衡力、流体冲击力等，推动阀杆运动，从而调节阀门开度，实现输入控制信号和位移信号的转换，从而达到控制流量的目的。同时执行机构可以在非工作状态下，提供封闭力矩，实现阀门的密封效果。阀门是调节阀的主要部件，完成执行机构输入的位移信号与流量信号转换，是用来控制流体的方向、压力、流量的装置。

在供热系统或空调系统等的应用中，对小流量调节阀的体积及调节速度都存在较高的要求。为满足系统需求，需要执行器可以完成快速反应，快速调节，现有调节阀执行器很难满足系统需求。

调节阀执行机构按所使用能源不同，可以分为三大类：电动执行机构、气动执行机构、液动执行机构。电动执行机构采用电机驱动，通过电信号调节电机位移，实现开度调节；气动执行机构以压缩空气作为动力源，通过调节输入气动压力与弹簧弹力的平衡，实现开度的调节；液动调节机构，以液压油为工作介质，通过液压执行元件(通常为液压缸)实现阀杆的驱动，完成开度调节。

调节阀阀门结构主要有线性运动阀、旋转运动阀。线性运动阀又分为单座阀、双座阀、笼形内件阀、加紧阀等。旋转运动阀主要有球阀、蝶阀等。国内小流量阀门的调节特性不佳，往往很难做到有明显的调节曲线，可调范围有限，很难保证在10％～90％的开度范围内可调。

调节阀电动或气动执行机构体积较大。电动执行机构运行较慢，从调节器输出一个信号，到调节阀响应并运动到相应的位置，需要较长的时间，难以满足调节阀快速开闭的需求，同时结构复杂，费用较高，不能满足备安全性要求；气动执行器需要气源提供动力，因为气体的可压缩性，尤其是使用大的气动执行机构时，空气填满气缸和排空需要时间，所以响应较慢，控制精度欠佳，抗偏离能力较差，且当气源不稳定时，执行器的位置将出现波动，难以稳定；而液动执行机构控制精度高，调节速度快，但造价昂贵，体积庞大笨重。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于电磁力的可以快速作用的电磁调节阀。本发明采用磁力驱动的执行机构与直通单座阀门结合，实现调节阀开度控制。结构简单、维护费用不高、体积小、可以实现调节阀的快速响应，满足快速开闭的需求。本发明的技术方案如下：

一种小流量电磁调节阀，包括执行器和阀门两部分组成，执行器为阀门运行提供动力，阀门完成执行机构输入的位移信号与流量信号转换，阀门包括阀体16、与阀体固定连接的阀座23、阀杆15、阀芯置于阀座23内并与阀杆15同轴的阀芯22、阀盖13和压盖14，阀杆穿过阀盖13、压盖14，与执行器动铁芯2下端活动接头连接，阀盖13与阀体16密封连接；其特征在于，

执行器包括执行器支架5、定铁芯1、动铁芯2、弹簧7、阀位反馈传感器以及分别固定在执行器支架上部和下部的上安装盘4和下托盘6；定铁芯1与上安装盘4固定连接，定铁芯1内套动铁芯2组成电磁铁，提供磁力；弹簧7位于定铁芯1与动铁芯2之间，置于弹簧卡槽18内，在磁力作用下动铁芯2受力运动压缩弹簧7，弹簧7提供压缩弹力与电磁力平衡；阀位反馈传感器包括阀位反馈传感器固定端9、移动端3，固定端连接在上安装盘4上部，移动端3与动铁芯2连接，用以反馈动铁芯位移信息，最终转换为电信号形式反馈阀位信息，微处理器根据反馈阀位信息，控制电磁铁磁力，通过磁力与弹簧弹力的平衡实现阀位控制。

阀芯22的形状为圆锥台型，采用等流量置换阀芯型面曲线优化设计方法设计的圆锥台型阀芯22：即选择目标流量特性曲线上的一个开度和对应的流量点，按照流量相等的原则，将该流量点对应的现有阀芯型面直径，置换为目标流量特性曲线上此开度条件的阀芯截面直径，通过逐点校正，获得目标流量特性曲线对应的阀芯型面曲线和目标流量特性。

附图说明

图1是本发明的调节阀执行器的整体结构图。

图2是本发明的调节阀执行器铁芯的结构图。

图3是本发明的调节阀执行器与阀体连接示意图。

图4是本发明的控制电路接口示意图。

图5是本发明的阀体结构图。

图6是本发明的阀芯结构图。

图中标号说明：1—定铁芯；2—动铁芯；3—阀位反馈传感器移动端(带齿条)；4—上安装盘；5—执行器支架(螺柱)；6—下托盘；7—弹簧；8—连接支架；9—阀位反馈传感器固定端(带齿轮)；10—动铁芯限位孔；11—螺母；12—螺栓；13—阀盖；14—压盖；15—阀杆；16—阀体；17—线圈；18—弹簧卡槽；19—螺纹孔；20—填料；21—密封圈；22—阀芯。

具体实施方式

本发明的设计要点如下：

(1)调节阀主要由执行器和阀门两部分组成，执行器为阀门运行提供动力，阀门完成执行机构输入的位移信号与流量信号转换。两部分通过连接支架8固定，连接支架8上端通过螺栓与执行器下托盘6固定，下端与阀盖13通过螺纹拧紧，阀杆15上端设置螺纹，与执行器动铁芯2下端活动接头连接，保证驱动力的传递。

(2)执行器主要由执行器支架5、定铁芯1、动铁芯2、弹簧7、阀位反馈传感器(阀位反馈传感器固定端9、移动端3)等部分组成。执行器支架用于支撑执行器整体结构，与上安装盘4和下托盘6连接，构成整体框架；定铁芯1上置螺纹孔19，通过螺栓固定于上安装盘4，定铁芯1内套动铁芯2组成电磁铁，提供磁力；弹簧7置于定铁芯1与动铁芯2之间，置于弹簧卡槽18内，在磁力作用下动铁芯2受力运动压缩弹簧7，弹簧7提供压缩弹力与电磁力平衡；阀位反馈传感器包括阀位反馈传感器固定端9、移动端3，固定端连接在上安装盘4上部，移动端3与动铁芯连接，用以反馈动铁芯位移信息，最终转换为电信号形式反馈阀位信息。其特征在于采用圆锥台型设计的动铁芯2及与其配套的定铁芯1设计，有效缩短了定铁芯1与动铁芯2间的距离，大大提高了电磁力，可以明显扩大执行器有效行程。其工作原理是通过stm32f103系列ARM实现对输入控制信号及阀位反馈信号的分析，调整输出电压值，控制电磁铁磁力，通过磁力与弹簧弹力的平衡实现阀位控制。

阀门主要由阀体16、阀座23、阀杆15、阀芯22、阀盖13、压盖14等部分组成。阀体16与阀座23采用一体化设计，有效降低加工难度，有效提高阀门的配合精度。阀杆15与阀芯22采用一体化设计，保证同心度。阀芯置于阀座23内，阀杆穿过阀盖23与压盖14，与执行器动铁芯2下端活接头相连。阀盖13置于阀体16上，于阀体16扣紧，内置密封圈21，保证密封。阀盖13内置填料20，压盖14压紧，保证阀体密封。其特征在于采用等流量置换阀芯型面曲线优化设计方法设计的圆锥台型阀芯22，即选择目标曲线上的一个开度和对应的流量点，按照流量相等的原则，将该流量点对应的现有阀芯型面直径，置换为目标曲线上此开度条件的阀芯截面直径。通过逐点校正，获得目标曲线对应的阀芯型面曲线和目标流量特性。其工作原理是，通过阀芯22与阀座的23配合，阀体内流动的流体提供压降；调整阀芯22的位置，改变使阀芯22与阀座23间流通面积，调整压降，完成流量调节的目的。

下面对实施例进一步说明。

如图1～图3所示，上安装盘4与下托盘6通过四个支架5固定，并用十六个螺母11紧固，保证支架的稳固。定铁芯1通过螺栓与螺纹孔19固定在上安装盘4上。动铁芯2安装于定铁芯1内，穿过定铁芯1内部锥型通道，保证动铁芯2可以在其中上下运动且无摩擦，动铁芯2下端活动接头穿过下托盘6的动铁芯限位孔10，限制动铁芯运动范围避免动铁芯2左右晃动，保证执行器运行顺畅。动铁芯2与定铁芯1间置有弹簧卡槽18，用于安装固定弹簧7。弹簧7可以平衡工作时产生的磁吸力，常态时下托盘6可以托住动铁芯2。动铁芯2上部穿过定铁芯1与阀位反馈传感器移动端3相连，阀位反馈传感器固定端9安装于上安装盘4上，通过移动端与固定端的相对运动反馈执行器的位移信息。

如图4所示，为了调节执行器开度，控制电路设置电压输入端口，线圈17连接控制电路电压输出端，阀位反馈传感器固定端9输出反馈信号连接控制电路反馈信号输入端，通过对比控制信号输入端与反馈信号输入信息，判断执行器开度信号，如果信号存在偏差，调整电压输出端电压大小，从而改变动铁芯2所受磁吸力大小，动铁芯2开始上下运动，当磁吸力与弹簧7产生的弹力平衡时，执行器停止运动，并再次判断控制信号输入端与反馈信号输入信息，若仍然存在偏差，则重复上述调节过程，即通过闭环反馈控制不断比对设定值与实际值，并指导下一步的调整，该调整是不断衰减的变化，最终趋于稳定。

如图5～图6所示，阀体16实现与阀座的一体化加工，内装阀芯22，阀芯22与阀杆15一体化加工，实现最佳同轴度。阀芯22与阀体配合，通过调整阀杆15的高度，带动阀芯22运动，改变阀座与阀芯间距，调整流体的流通面积，达到控制流量的目的。独特的阀芯曲线设计可以有效的调节阀门流量特性，使其完全满足等百分比特性要求。阀杆上部分套装阀盖13，实现阀杆15限位，保证阀芯22竖直运动。阀盖12与阀体16间设置密封圈12，保证密封完好。阀盖13上加填料20，以压盖14压紧，保证阀门密封。

如图2所示，连接支架8用于连接阀门和调节阀调节机构，本发明示例中连接下托盘6与阀盖13连接，同时将动铁芯2下部活接头与调节机构的阀杆15连接，用以调节阀门开度。

另外，由于电磁场具有快速响应的特性，本发明执行器可以完成快速响应、快速调节。反馈传感器输出信号可以同时外接上位机，实现上位机对调节阀开度的实时监控，并完成相应调整。

Claims

1.一种小流量电磁调节阀，包括执行器和阀门两部分组成，执行器为阀门运行提供动力，阀门完成执行机构输入的位移信号与流量信号转换，阀门包括阀体（16）、与阀体固定连接的阀座（23）、阀杆（15）、置于阀座（23）内并与阀杆（15）同轴的阀芯（22）、阀盖（13）和压盖（14），阀杆穿过阀盖（13）、压盖（14），与执行器动铁芯（2）下端活动接头连接，阀盖（13）与阀体（16）密封连接；其特征在于，

执行器包括执行器支架（5）、定铁芯（1）、动铁芯（2）、弹簧（7）、阀位反馈传感器以及分别固定在执行器支架上部和下部的上安装盘（4）和下托盘（6）；定铁芯（1）与上安装盘（4）固定连接，定铁芯（1）内套动铁芯（2）组成电磁铁，提供磁力；弹簧（7）位于定铁芯（1）与动铁芯（2）之间，置于弹簧卡槽（18）内，在磁力作用下动铁芯（2）受力运动压缩弹簧（7），弹簧（7）提供压缩弹力与电磁力平衡；阀位反馈传感器包括阀位反馈传感器固定端（9）、移动端（3），固定端连接在上安装盘（4）上部，移动端（3）与动铁芯（2）连接，用以反馈动铁芯位移信息，最终转换为电信号形式反馈阀位信息，微处理器根据反馈阀位信息，控制电磁铁磁力，通过磁力与弹簧弹力的平衡实现阀位控制；

阀芯（22）的形状为圆锥台型，采用等流量置换阀芯型面曲线优化设计方法设计的圆锥台型阀芯（22）：即选择目标流量特性曲线上的一个开度和对应的流量点，按照流量相等的原则，将该流量点对应的现有阀芯型面直径，置换为目标流量特性曲线上此开度条件的阀芯截面直径，通过逐点校正，获得目标流量特性曲线对应的阀芯型面曲线和目标流量特性。