CN112066070B - 一种变流量电磁先导气动控制阀 - Google Patents

Abstract

为解决现有发动机控制阀只具有单一流量控制能力的技术问题，本发明提供了一种变流量电磁先导气动控制阀，包括阀体以及设置在阀体内的主阀、流量调节阀、开关控制副阀和流量控制副阀；采用开关控制副阀控制主阀的主阀控制气腔的充气与排气，为主阀芯提供打开力；采用流量控制副阀控制流量调节阀的流量控制气腔的充气与排气，为流量调节阀的活塞提供作动力。本发明在具备传统气动控制阀打开或关闭的基础上，增加了流量切换功能，从而使发动机的综合性能提升。

Description

一种变流量电磁先导气动控制阀

技术领域

本发明涉及一种变流量电磁先导气动控制阀，可作为液体火箭发动机、卫星在轨执行动力系统、地面试验系统的高压介质的变流量控制阀，实现对介质流量的切换控制，对介质通路的通断及密封控制。

背景技术

随着航天装备转型升级，动力系统技术指标不断提升，对发动机的推力种类要求日益增高，单一发动机具备多推力能力是提高发动机系统整体性能、实现飞行器精细控制的重要方法。

现有的大推力发动机控制阀均采用单一流量的打开关闭的控制模式，即控制阀只具备对介质的通断和密封作用，无法进行变流量控制，难以满足发动机对不同推力的控制要求。

因此，研发一种变流量电磁先导气动控制阀迫在眉睫。

发明内容

为解决现有发动机控制阀只具有单一流量控制能力的技术问题，本发明提供了一种变流量电磁先导气动控制阀。

本发明的技术解决方案是：

一种变流量电磁先导气动控制阀，其特殊之处在于：包括阀体以及设置在阀体内的主阀、流量调节阀、开关控制副阀和流量控制副阀；

阀体上开设有气路入口、液路入口和液路出口；

主阀包括主阀芯、主阀座和主阀弹簧，主阀芯的上部、主阀座的上部以及阀体之间形成主阀控制气腔；主阀座的侧壁上开设有介质入口，该介质入口通过介质流道与所述液路入口相连通；主阀座的下端开设有介质出口，该介质出口与所述液路出口相连通；主阀座的上部设置有弹簧复位腔，弹簧复位腔内安装有主阀弹簧，主阀弹簧用于使主阀芯关闭，使所述介质入口与介质出口阻断；

流量调节阀包括衬套、活塞、大流量精调螺钉、小流量精调螺钉、第一压紧螺母和第二压紧螺母；衬套的侧面设置有流道孔，该流道孔通过介质流道与液路入口相连通；活塞设置在衬套内，活塞的大端、衬套上部以及阀体之间形成流量控制气腔；活塞的大端、小端之间与衬套形成泄压容腔，泄压容腔与外界低压环境相连通；第二压紧螺母固定安装在阀体内，大流量精调螺钉安装在第二压紧螺母内并与第二压紧螺母螺纹配合，通过旋拧可将大流量精调螺钉上端拧入或拧出介质流道；第一压紧螺母固定安装在阀体内并压紧衬套，小流量精调螺钉安装在第一压紧螺母内并与第一压紧螺母螺纹配合，通过旋拧可将小流量精调螺钉上端拧入或拧出衬套的流道孔；

开关控制副阀和流量控制副阀均为电磁阀；

开关控制副阀用于控制主阀控制气腔的充气与排气，为主阀芯提供打开力；

流量控制副阀用于控制流量控制气腔的充气与排气，为活塞提供作动力。

进一步地，主阀、流量调节阀、开关控制副阀和流量控制副阀采用插装式集成于阀体内。

进一步地，介质对主阀芯上作用面的面积大于介质对主阀芯下作用面的面积。

进一步地，主阀座上介质入口的开设方向与主阀芯的运动方向垂直；衬套上流道孔的开设方向与活塞的运动方向垂直，与液路入口所在的介质流道同轴。

进一步地，第一压紧螺母和第二压紧螺母均与阀体螺纹连接。

进一步地，开关控制副阀和流量控制副阀均为两位三通电磁阀。

进一步地，开关控制副阀和流量控制副阀结构相同。

进一步地，开关控制副阀包括副阀体、副阀芯、副阀弹簧以及线圈；副阀体的上端设置有排气口，下端设置有进气口和出气口；排气口与外界低压环境连通，进气口与所述气路入口连通，出气口与所述主阀控制气腔连通；副阀体的侧壁内缠绕线圈；副阀芯位于副阀体内，副阀芯上开设有用于连通出气口和排气口的气流通道环腔；副阀芯靠近排气口的端部与副阀体之间设置副阀弹簧，副阀弹簧用于为副阀芯提供关闭力，使副阀芯与进气口端形成密封副；线圈通电为副阀芯提供打开力，使副阀芯与排气口端形成密封副。

本发明的优点是：

1.本发明实现了高压介质流量的快速切换及控制功能，采用两个电磁阀分别控制主阀控制气腔和流量控制气腔的充气与排气，在具备传统气动控制阀打开或关闭的基础上，增加了流量切换功能，从而使发动机的综合性能提升。本发明可应用于机动性强、安装空间有限，有效载荷要求高的大推力发动机动力系统。

2.本发明中开关控制副阀以及流量控制副阀结构相同，均采用两位三通电磁阀，结构简单，开关可靠；开关控制副阀通电打开控制气进入主阀控制气腔驱动主阀芯打开，流量控制副阀通电打开控制气进入流量控制气腔驱动活塞作动，遮蔽流道，切换流量。通过简单的电磁阀开关控制，实现了多级流量的切换。

3.本发明中介质对主阀芯上作用面的面积略大于介质对主阀芯下作用面的面积，保证阀芯受介质力向上，有利于阀芯密封，提高了密封可靠性；主阀芯仅与主阀座互相配合，导向好，动作可靠性高，重复密封可靠性好。

4.本发明中流量调节阀通过大小流量精调螺钉实现了不同流量的精确调节，确保了发动机推力精度。

5.本发明通过阀体内部流道将主阀、流量调节阀、开关控制副阀以及流量控制副阀进行集成化设计，采用插装式集成于阀体内，空间尺寸小，重量轻，提高了发动机综合性能。

6.本发明除可应用于液体火箭发动机外，在卫星在轨执行系统、地面试验系统等系统用变流量电磁先导气动控制阀中均可推广使用，在机动性强、安装空间有限、有效载荷要求高的变推力发动机动力系统中具有广泛的应用前景，具有在高精度流量切换、动作可靠、密封性好等优点。

附图说明

图1为本发明变流量电磁先导气动控制阀的结构原理图。

附图标记如下：

1-主阀；2-流量调节阀；3-开关控制副阀；4-流量控制副阀；5-阀体；

图2为本发明变流量电磁先导气动控制阀主阀部分的结构原理图。

附图标记如下：

6-主阀芯；7-主阀座；8-主阀弹簧；9、11、12-密封圈；10-主阀控制气腔；13-弹簧复位腔。

图3为本发明变流量电磁先导气动控制阀流量调节阀部分的结构原理图。

附图标记如下：

14-衬套；15-活塞；16-大流量精调螺钉；17-小流量精调螺钉；18-第一压紧螺母；19-第二压紧螺母；20、21、29-密封圈；22-流量控制气腔；31-泄压容腔；34-流道孔。

图4为本发明变流量电磁先导气动控制阀开关控制副阀和流量控制副阀部分的结构原理图。

附图标记如下：23-副阀芯；24-线圈；25-副阀弹簧；26-副阀体；27、32-排气口；28、33-进气口；29、30-出气口。

图5为本发明变流量电磁先导气动控制阀在大流量工作时的状态示意图。

图6为本发明变流量电磁先导气动控制阀小在流量工作时的状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图1所示，一种变流量电磁先导气动控制阀，包括主阀1、流量调节阀2、开关控制副阀3、流量控制副阀4和阀体5，进行集成化设计，采用插装式集成于阀体5内，空间尺寸小(90mm×90mm×60mm)，重量轻(500g)；其中，开关控制副阀3设置在主阀1的上方，流量控制副阀4设置在流量调节阀2的上方；主阀1与流量调节阀2并排设置，开关控制副阀3与流量控制副阀4并排设置。

阀体5上开设有气路入口、气路通道、液路入口、介质流道和液路出口；高压气体从气路入口通入；介质从液路入口流入，从液路出口流出；定义介质流道上位于流量调节阀2与主阀体1之间的部分为流道A口，流道A口的一端与流量调节阀2的流道孔相连通，流道A口的另一端与主阀1的介质入口相连通。

如图2所示为主阀部分，主阀1的功能是液路的通断和密封，包括主阀芯6、主阀座7以及主阀弹簧8；主阀芯6设置在主阀座7内，并在主阀座7内与阀体5通过密封圈形成两个独立的气腔，分别是主阀控制气腔10和弹簧复位腔13；主阀弹簧8设置在弹簧复位腔13内；主阀控制气腔10与开关控制副阀3的出气口29连通；主阀座7的侧壁开设有介质入口，该介质入口的开设方向与主阀芯6的运动方向垂直，且与阀体5上的液路入口通过流道A口和介质流道相连通；主阀座7的下端面开设有介质出口，该介质出口与阀体5上的液路出口相连通；主阀芯6在主阀弹簧8的作用下关闭，使介质入口与介质出口阻断；

主阀芯6分为上段、中段和下段；上段的上方为主阀控制气腔10，且上段的外壁与主阀座7的内壁相适配，中段的外壁与主阀座7在主阀芯6上段的下部构成弹簧复位腔13，下段与主阀座7密封凸台接触，形成密封；主阀芯6仅与主阀座7接触，导向性好，可以提高密封性可靠性。介质通过介质入口进入主阀1后，介质对主阀芯6上作用面的面积略大于介质对主阀芯6下作用面的面积，即压力作用在主阀芯6上，作用力向上，有利于主阀芯6与主阀座7的密封，确保密封可靠性。为了提升主阀整体密封性，主阀芯6上段与主阀座7之间设置有密封圈11，主阀芯6中段与主阀座7之间设置有密封圈9，主阀座7与阀体5之间设置有密封圈12，密封圈11、密封圈9和密封圈12均可选用O型橡胶密封圈。

如图3所示为流量调节阀部分，流量调节阀2的功能是调节液路流量并完成大小流量的切换，主要由衬套14、活塞15、大流量精调螺钉16、小流量精调螺钉17、第一压紧螺母18和第二压紧螺母19组成，集成在阀体5内，通过内部流道连通；大流量精调螺钉16与第二压紧螺母19通过细牙螺纹配合，通过顺时针拧动大流量精调螺钉16下端的六方，可以将大流量精调螺钉16上端拧入液路入口所在的介质流道，减小流道面积，从而减小流量；通过逆时针拧动大流量精调螺钉16下端的六方，可以将大流量精调螺钉上端拧出液路入口所在的介质流道，扩大流道面积，从而增加流量；小流量精调螺钉17与第一压紧螺母18通过细牙螺纹配合，通过顺时针拧动小流量精调螺钉17下端的六方，可以将小流量精调螺钉17上端拧入衬套的流道孔内，减小流道面积，从而减小流量，通过逆时针拧动小流量精调螺钉17下端的六方，可以将小流量精调螺钉17上端拧出衬套的流道孔，扩大流道面积，从而增加流量；活塞15设置在衬套14内，通过O形密封圈20、O形密封圈21与阀体5形成流量控制气腔22。

衬套14分为衬套上段，衬套中段和衬套下段，衬套上段与活塞15大端相配合，结合O形密封圈20和O形密封圈21形成流量控制气腔22，衬套中段与活塞15小端相配合，活塞15的大小端之间与衬套14形成泄压容腔31，泄压容腔31与外界低压环境相连通；衬套下段与小流量调节螺钉17相配合，通过胶圈密封防止介质外漏；衬套14安装与阀体5内，其侧面设置有流道孔34，该流道孔34通过流道A口与液路入口相连通，流道孔34的开设方向与活塞15的运动方向垂直，与液路入口所在的介质流道同轴。

第一压紧螺母18通过外螺纹与阀体5连接，并压紧衬套14，第一压紧螺母18通过内螺纹与小流量调节螺钉17配合；第二压紧螺母19通过外螺纹与阀体5连接，通过内螺纹与大流量调节螺钉16配合。

流量调节阀2对流量进行精确调节的方法是：

变流量电磁先导气动控制阀正式工作前进行液体流量标定试验，根据大流量的要求值，给开关控制副阀3通电，让主阀1处于大流量工作模式，拧动大流量精调螺钉16，通过遮蔽介质流道的方法调整大流量至要求值；根据小流量的要求值，给开关控制副阀3和流量调整副阀2同时通电，让主阀1处于小流量工作模式，拧动小流量精调螺钉17，通过遮蔽液路流道的方法调整小流量至要求值。

如图1、4所示，开关控制副阀3和流量控制副阀4均为电磁阀；开关控制副阀3用于控制主阀控制气腔10的充气与排气，为主阀芯6提供打开力；流量控制副阀4用于控制流量控制气腔22的充气与排气，为活塞15提供作动力，用于减小或增大液路入口流通面积，为流量变换提供控制。采用主阀1气控打开及关闭，流量调节阀2气控切换大小流量的控制模式，实现发动机变流量控制功能。

本实施例的开关控制副阀3与流量控制副阀4采用结构相同的两位三通电磁阀，此处仅以开关控制副阀3为例进行说明。如图4所示，开关控制副阀3主要包括副阀体26、副阀芯23、副阀弹簧25以及线圈24；副阀体26的上端设置有排气口27，下端设置有进气口28和出气口29；副阀体26的侧壁内缠绕线圈24；副阀芯23位于副阀体26内，并与副阀体26相适配；副阀芯23上开设有用于连通出气口29和排气口27的气流通道环腔；副阀芯23靠近排气口27的端部与副阀体26之间设置副阀弹簧25，副阀弹簧25用于为副阀芯23提供关闭力，使副阀芯23与进气口28端形成密封副；线圈24通电为副阀芯23提供打开力，使副阀芯23与排气口27端形成密封副，将进气口28与出气口29连通；

开关控制副阀3的出气口29与主阀1的主阀控制气腔10连通，开关控制副阀3的进气口28与气路入口连通，开关控制副阀3的排气口27与外界低压环境连通；流量控制副阀4的出气口30与流量调节阀2的流量控制气腔22连通，流量控制副阀4的进气口33与气路入口连通，流量控制副阀4的排气口32与外界低压环境连通。

图4所示开关控制副阀3的工作原理是：

线圈24未通电时，副阀芯23在副阀弹簧25的作用力下与进气口28端贴合密封，切断进气通路；线圈24通电后，在副阀芯23与线圈24间产生电磁吸力，克服副阀弹簧25的弹簧力后副阀芯23运动至打开位置，与排气口27端贴合密封，打开进气通路，切断排气通路，使控制气进入主阀控制气腔10充气减压后驱动主阀芯6动作；线圈24断电后，副阀芯23在副阀弹簧25的作用力下回到关闭位置，切断进气通道，打开排气通道，对主阀控制气腔10进行放气泄压，主阀芯6在主阀弹簧8作用下复位。

流量控制副阀4控制流量调节阀2的活塞15动作的原理与开关控制副阀3控制主阀1的主阀芯6动作的原理相同。

本发明变流量电磁先导气动控制阀的工作原理和过程是：

气路入口通入高压气体(5MPa)，液路入口通入高压液体介质(10MPa)，流量控制副阀4断电，开关控制副阀3单独通电及断电，主阀1以大流量工作打开及关闭；流量控制副阀4和开关控制副阀3同时通电及断电，主阀1以小流量工作打开及关闭。具体如下：

当开关控制副阀3通电打开进气通路后，流量控制副阀4处于断电状态时，气体经开关控制副阀3的进气口28充填至主阀1的主阀控制气腔10，建压后克服主阀弹簧8的弹簧力驱动主阀芯6打开，流量控制气腔22与外界低压环境连通，活塞15在液路流道压力作用下处于收缩状态，没有遮蔽流道，主阀1以大流量工况工作，状态如图5所示；

当开关控制副阀3断电后，隔离高压气路，主阀控制气腔10与外界低压环境连通，主阀控制气腔10内高压气体排出至外界，主阀芯6在主阀弹簧8的弹簧力作用下复位，完成主阀1密封，截止流道。

当开关控制副阀3和流量控制副阀4均通电打开进气通路后，气体经开关控制副阀3的进气口28充填至主阀1的主阀控制气腔10，经流量控制副阀4的进气口33充填至流量调节阀2的流量控制气腔22，建压后主阀芯6克服主阀弹簧8的弹簧力打开，活塞15克服介质力伸出，遮蔽流道，主阀1以小流量工况工作，状态如图6所示；

当开关控制副阀3和流量调节副阀4均断电后，隔离高压气路，主阀控制气腔10和流量控制气腔22均与外界低压环境连通，高压气体排出至外界，主阀芯6在主阀弹簧8的弹簧力作用下复位，完成主阀密封，截止流道，活塞15在介质压力作用下复位，恢复流道。

Claims (8)

1.一种变流量电磁先导气动控制阀，其特征在于：包括阀体(5)以及设置在阀体(5)内的主阀(1)、流量调节阀(2)、开关控制副阀(3)和流量控制副阀(4)；

阀体(5)上开设有气路入口、液路入口和液路出口；

主阀(1)包括主阀芯(6)、主阀座(7)和主阀弹簧(8)，主阀芯(6)的上部、主阀座(7)的上部以及阀体(5)之间形成主阀控制气腔(10)；主阀座(7)的侧壁上开设有介质入口，该介质入口通过介质流道与所述液路入口相连通；主阀座(7)的下端开设有介质出口，该介质出口与所述液路出口相连通；主阀座(7)的上部设置有弹簧复位腔(13)，弹簧复位腔(13)内安装有主阀弹簧(8)，主阀弹簧(8)用于使主阀芯(6)关闭，使所述介质入口与介质出口阻断；

流量调节阀(2)包括衬套(14)、活塞(15)、大流量精调螺钉(16)、小流量精调螺钉(17)、第一压紧螺母(18)和第二压紧螺母(19)；衬套(14)的侧面设置有流道孔(34)，该流道孔(34)通过介质流道与液路入口相连通；活塞(15)设置在衬套(14)内，活塞(15)的大端、衬套(14)上部以及阀体(5)之间形成流量控制气腔(22)；活塞(15)的大端、小端之间与衬套(14)形成泄压容腔(31)，泄压容腔(31)与外界低压环境相连通；第二压紧螺母(19)固定安装在阀体(5)内，大流量精调螺钉(16)安装在第二压紧螺母(19)内并与第二压紧螺母(19)螺纹配合，通过旋拧可将大流量精调螺钉(16)上端拧入或拧出介质流道；第一压紧螺母(18)固定安装在阀体(5)内并压紧衬套(14)，小流量精调螺钉(17)安装在第一压紧螺母(18)内并与第一压紧螺母(18)螺纹配合，通过旋拧可将小流量精调螺钉(17)上端拧入或拧出衬套(14)的流道孔(34)；

开关控制副阀(3)和流量控制副阀(4)均为电磁阀；

开关控制副阀(3)用于控制主阀控制气腔(10)的充气与排气，为主阀芯(6)提供打开力；

流量控制副阀(4)用于控制流量控制气腔(22)的充气与排气，为活塞(15)提供作动力。

2.根据权利要求1所述的变流量电磁先导气动控制阀，其特征在于：主阀(1)、流量调节阀(2)、开关控制副阀(3)和流量控制副阀(4)采用插装式集成于阀体(5)内。

3.根据权利要求1或2所述的变流量电磁先导气动控制阀，其特征在于：介质对主阀芯(6)上作用面的面积大于介质对主阀芯(6)下作用面的面积。

4.根据权利要求3所述的变流量电磁先导气动控制阀，其特征在于：主阀座(7)上介质入口的开设方向与主阀芯(6)的运动方向垂直；衬套(14)上流道孔(34)的开设方向与活塞(15)的运动方向垂直，与液路入口所在的介质流道同轴。

5.根据权利要求4所述的变流量电磁先导气动控制阀，其特征在于：第一压紧螺母(18)和第二压紧螺母(19)均与阀体(5)螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的变流量电磁先导气动控制阀，其特征在于：开关控制副阀(3)和流量控制副阀(4)均为两位三通电磁阀。

7.根据权利要求6所述的变流量电磁先导气动控制阀，其特征在于：开关控制副阀(3)和流量控制副阀(4)结构相同。

8.根据权利要求7所述的变流量电磁先导气动控制阀，其特征在于：开关控制副阀(3)包括副阀体(26)、副阀芯(23)、副阀弹簧(25)以及线圈(24)；副阀体(26)的上端设置有排气口(27)，下端设置有进气口(28)和出气口(29)；排气口(27)与外界低压环境连通，进气口(28)与所述气路入口连通，出气口(29)与所述主阀控制气腔(10)连通；副阀体(26)的侧壁内缠绕线圈(24)；副阀芯(23)位于副阀体(26)内，副阀芯(23)上开设有用于连通出气口(29)和排气口(27)的气流通道环腔；副阀芯(23)靠近排气口(27)的端部与副阀体(26)之间设置副阀弹簧(25)，副阀弹簧(25)用于为副阀芯(23)提供关闭力，使副阀芯(23)与进气口(28)端形成密封副；线圈(24)通电为副阀芯(23)提供打开力，使副阀芯(23)与排气口(27)端形成密封副。

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