CN113357389A - 一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，包括内部开设阶梯孔的阀座，阀座口径最大的一端外套接端盖，阀座外壁由靠近端盖向另一端依次间隔套接自锁套、阀座凸台、阀座法兰盘，阀座凸台中开设阀座凸台沉孔，阀座中与阀座凸台沉孔同一直线处开设通气孔，阀座凸台上位于阀座凸台沉孔内连接充气接头，充气接头通过限位销连接阀座法兰盘，自锁套活动套接阀座外壁，自锁套外壁活动套接撞块，阀座内套接阀芯，阀芯、阀座、自锁套之间连接自锁系统，阀芯一端为阶梯凸台，另一端穿过端盖，阀芯的阶梯凸台配合连接阀座的阶梯孔内；本发明的通气阀，能够采用惯性冲撞解除锁定，依靠气瓶内高压气体的压力实现阀芯的自动开启。

Description

一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀及其使用方法
技术领域
本发明属于水下超空泡航行器技术领域，具体涉及一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，还涉及一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀的使用方法。
背景技术
超空泡航行器依托独特的流体动力布局，在水下高速航行器可在其周围生成超空泡，将大部分表面包裹在超空泡中，航行阻力大幅减小，航行速度大幅提高，水中航速可轻易突破100m/s。为了促进超空泡的生成，维持超空泡的稳定，控制超空泡的形态，在工程实践中一般会在空化器背后向流场中注入非凝气体，形成通气超空泡。超空泡航行器及其缩比试验模型的气体一般来源于贮存于高压气瓶中的压缩气体或者药柱燃烧产生的高温燃气。对于使用压缩气体供气的超空泡航行器及其缩比试验模型而言，通气装置的工作性能决定了超空泡的生成特性、形态尺寸和稳定性，进而对超空泡航行器及其缩比模型的航行特性有重要影响。通气装置应具备充气、储气和通气功能，由通气阀和高压氢气瓶组成。在充气状态，通气阀能够通过利用高压气源为气瓶充气，并在充满后关闭气瓶；在储气状态，通气阀必须能够保证气瓶内的高压气体长时间不泄露；在发射时，通气阀必须迅速、可靠地开启，实现大流量通气。通气阀用于控制气路通断及气体流向，是通气装置的核心器件。
专利申请号为CN201420137743.9，名称为一种水下超空泡航行体缩比模型试验用通气装置中使用电磁阀控制通气，需要在航行器内安装控制器，在超空泡航行器启动后发出信号，控制电磁阀的打开。在航行器初始发射速度高，发射过程非常短暂且冲击载荷很大，电磁通气阀容易面临开启不及时、工作可靠低等问题，并且阀体及控制器尺寸较大，不能应用于超空泡航行器缩比试验模型。专利申请号为CN200520032241.0，名称为高压大流量气阀中提出一种新型大流量电磁阀，以气体压力为主要密封力，提高了弹簧的疲劳强度，并使电磁阀结构更加紧凑，与同类电磁阀相比体积可减小约三分之一，虽然进一步缩小了控制阀的尺寸，但是仍面临电控开启不可靠、通气流量受限等问题。专利CN201710157355.5，名称为一种回旋体通气入水实验的通气装置中使用一套扭簧、滑块和齿轮组成的机械机构实现对通气孔开启的控制，机构通过拔除启动插销开启，没有感应发射环节，无法做到自动开启，且结构复杂，实现难度大。专利CN202010975994.4，名称为一种超空泡航行器用大流量自动通气阀中公开了一种超空泡航行器用大流量自动通气阀，采用撞块带动阀套移动，开启通气阀的模式实现自动通气，该阀门依靠阀芯与阀套之间的环缝通气，依然存在通气流量受限的问题，此外，阀芯与阀套之间依靠O型圈径向密封，通气阀开启过程中仍需要克服较大的摩擦力，对撞块质量及撞击力度要求高。
现有的通气阀应用于超空泡航行器主要存在以下问题：第一，电控通气阀需要复杂的测控电路，在瞬间冲击条件下易出现开启不及时、工作可靠性差等问题；第二，现有大流量通气阀一般尺寸较大，在微小型超空泡航行器及超空泡航行器缩比试验模型中内无法安装；第三，一般的通气阀常采用小孔或环缝进行节流，受限于阀体外形尺寸，节流通道尺寸往往不大，使得通气阀的最大通气量受限，难以满足高速超空泡航行器在发射初期对于大流量通气的需求；第四，现有惯性通气阀的开启往往是依靠撞块冲击阀芯或者阀套实现的，通气阀开启过程中需要克服阀芯和阀套之间用于径向密封的O型圈的摩擦力，容易出现阀门开启不顺畅的问题，实际应用中不得不减小O型圈压缩量或者增加撞块质量，易造成高压气体缓慢泄漏或试验模型质量过大等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，能够采用惯性冲撞解除锁定，依靠气瓶内高压气体的压力实现阀芯的自动开启。
本发明的另一目的是提供一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀使用方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，包括内部开设阶梯孔的阀座，阀座口径最大的一端外套接端盖，阀座外壁由靠近端盖向另一端依次间隔套接自锁套、阀座凸台、阀座法兰盘，阀座凸台中开设阀座凸台沉孔，阀座中与阀座凸台沉孔同一直线处开设通气孔，阀座凸台上位于阀座凸台沉孔内连接充气接头，充气接头通过限位销连接阀座法兰盘，自锁套活动套接阀座外壁，自锁套外壁活动套接撞块，阀座内套接阀芯，阀芯、阀座、自锁套之间连接自锁系统，阀芯一端为阶梯凸台，另一端穿过端盖，阀芯的阶梯凸台配合连接阀座的阶梯孔内。
本发明的特点还在于：
阀座的阶梯孔为三阶阶梯孔，阀芯的阶梯凸台一端为三阶阶梯凸台，三阶凸台中直径最大一端连接直径较小的长圆柱，长圆柱穿过端盖，通气孔开设在阀座上正对第二阶阶梯孔位置，自锁系统连接在三阶凸台中直径最大位置处。
阀芯的第二阶阶梯凸台外套接第一O型密封圈，阀芯的第三阶阶梯凸台外套接第二O型密封圈。
自锁系统包括开设在阀座上口径最大外壁的阀座限位孔，阀座限位孔内设置自由移动的限位钢珠，限位钢珠直径大于阀座限位孔处阀座外壁厚度，阀芯上开设V形环槽，自锁套上开设梯形环槽。
梯形环槽的深度与阀座厚度之和不小于限位钢珠直径，限位钢珠在V形环槽内尺寸与阀座厚度之和不小于限位钢珠直径。
充气接头靠近通气孔一端套接第三O型密封圈。
阀座另一端连接高压气瓶。
阀座与高压气瓶连接位置处套接第四O型密封圈。
自锁套靠近阀座凸台一端垂直连接挡板形成台阶，撞块靠近挡板一端开设台阶，挡板延伸至台阶正对位置。
一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀的使用方法，具体过程为：
充气状态：将阀座法兰盘连接在航行器壳体上，需要将自锁套向右移动至与阀座的阀座凸台贴合，将撞块向左移动至与端盖贴合，将充气接头插入阀座凸台沉孔，使用定位销将充气接头沿轴向固定在阀座的阀座法兰盘上，完成定位后将撞块向右移动至与自锁套台阶面贴合，完成充气准备工作，充气时，若阀芯在最左侧，则气体从充气接头进入，依次流经阀座凸台沉孔、通气孔、阀座中部进入高压气瓶；若阀芯在最右侧，则气体从充气接头进入，经过阀座凸台沉孔、通气孔进入第一O型密封圈、第二O型密封圈中间的环形区域，高压气体作用在阀芯上，给阀芯施加向左的力，推动阀芯打开，气体通过阀座的台阶孔并最终注入高压气瓶；
储气状态：充气完成后，借助辅助工具将阀芯推至最右侧，并将自锁套和撞块移动至与端盖贴合，限位钢珠在自锁套内壁面的推动下落入V形环槽中，限止阀芯向左运动，关闭气源阀门并将定位销拔出，取下充气接头并撤去辅助工具，通气阀进入储气状态；
通气状态：将阀座凸台沉孔与超空泡航行器均压室连通，发射时航行器向左加速运动，撞块受到向右的惯性力，推动自锁套向右运动至与阀座凸台贴合，阀芯在高压气体的作用下向左运动至与端盖贴合，并推动限位钢珠进入自锁套的梯形环槽，此时阀座凸台沉孔、通气孔和阶梯孔连通，高压气瓶内气体流经阶梯孔、通气孔和阀座凸台沉孔，进入航行器均压室。
本发明一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀有益效果是：
1)采用惯性冲撞解除锁定，依靠气瓶内高压气体的压力实现阀芯的自动开启；阀芯受到的气体压力远大于O型圈的摩擦力，可完全避免阀芯开启不顺畅、阀口开启不完全的问题；
2)从气瓶到通气孔不存在任何节流环节，能够提供非常大的气流量，并且可以通过改变通气孔直径来改变通气流量；
3)通气阀不仅适用于全尺寸的超空泡航行器，还可用于超空泡航行器的缩比模型试验。
附图说明
图1为本发明一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀充气状态剖视图；
图2为本发明一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀充气状态结构立体示意图；
图3为本发明一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀储气状态时的主剖视图；
图4为本发明一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀开启通气状态时的主剖视图；
图5为本发明中端盖的主剖视图；
图6为本发明中充气接头的主剖视图。
图中，1.端盖，2.V形环槽，3.阀芯，4.阀座限位孔，5.阀座，6.第一O型密封圈，7.挡板，8.阀座凸台，9.第二O型密封圈，10.限位销，11.充气接头，12.第三O型密封圈，13.阀座法兰盘；14.阀座凸台沉孔，15.高压气瓶，16.航行器壳体，17.第四O型密封圈，18.通气孔，19.自锁套，20.撞块，21.梯形环槽，22.限位钢珠。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，包括内部开设阶梯孔的阀座5，阀座5口径最大的一端外套接端盖1，阀座5外壁由靠近端盖1向另一端依次间隔套接自锁套19、阀座凸台8、阀座法兰盘13，阀座凸台8中开设阀座凸台沉孔14，阀座5中与阀座凸台沉孔14同一直线处开设通气孔18，阀座凸台8上位于阀座凸台沉孔14内连接充气接头11，充气接头11通过限位销10连接阀座法兰盘13，自锁套19活动套接阀座5外壁，自锁套19外壁活动套接撞块20，阀座5内套接阀芯3，阀芯3、阀座5、自锁套19之间连接自锁系统，通过自锁系统的控制，实现对高压气瓶充气、储气、通气，阀芯3一端为阶梯凸台，另一端穿过端盖1，当阀芯3移动时，阀芯3的阶梯凸台依次能够配合连接在阀座5的阶梯孔内，且阀芯3的外壁与阀座5内壁相贴合。
端盖1能够轴向轮廓为两侧切平的圆，外圆直径大于撞块20最小内径。端盖1用于防止撞块20滑脱，以及限止阀芯及自锁套19的左极限位置。
阀座5的阶梯孔为三阶阶梯孔，阀芯3的阶梯凸台一端为三阶阶梯凸台，三阶凸台中直径最大一端连接直径较小的长圆柱，长圆柱穿过端盖1，且能够在端盖1中活动，由于长圆柱连接的直径较大的三阶凸台，此处端盖1能够对三阶凸台起到限位作用，通气孔18开设在阀座5上正对第二阶阶梯孔位置，通过控制三阶凸台与三阶阶梯孔的相对位置，实现控制气流通道的大小，进而便于将高压气瓶15与外部连接。自锁系统连接在三阶凸台中直径最大位置处。
阀芯3的第二阶阶梯凸台外套接第一O型密封圈6，阀芯3的第三阶阶梯凸台外套接第二O型密封圈9，第一O型密封圈6、阀芯3、第二O型密封圈9、阀座5能够形成环形区域，通气时若阀芯位于最右侧，气体压力可作用在环形区域内阀芯轴肩右侧，产生向左的力，推动阀芯打开。第一O型密封圈6用于在通气时防止气体向端盖一侧泄露，第二O型密封圈9用于在储气时防止气瓶内气体泄漏。
自锁系统包括开设在阀座5上口径最大外壁的阀座限位孔4，阀座限位孔4内设置自由移动的限位钢珠22，限位钢珠22直径大于阀座限位孔4处阀座5外壁厚度，阀芯3上开设V形环槽2，自锁套19上开设梯形环槽21，在充气/通气状态下进入梯形环槽21，用于限止自锁套19和撞块20移动；在储气状态下限位钢珠22落入V形环槽2内，其分布圆外径与阀座5外径相同，用于限止阀芯3移动。
该自锁系统的使用过程为：自锁套19内壁面开有侧边倾角30°的梯形环槽25，当限位钢珠22进入梯形环槽21内时，限位钢珠22分布圆内径与第二阀芯段3的外径相同，该状态下阀芯可左右移动。在充气状态下，将自锁套19拉至右极限位，梯形环槽21与阀座6上的周向限位孔4对应，在阀芯开启时限位钢珠22进入梯形环槽21，充气完成后借助辅助工具推动阀芯至右极限位关闭，并将自锁套19和撞块20拉至左极限位，限位钢珠22落入V形环槽2，锁定阀芯3位置；在触发解锁时，撞块20在惯性力的作用下推动自锁套19右移，自锁套19打开，阀芯在气体压力的作用下自动开启，气体经阀座阶梯孔、通气孔19和阀座凸台沉孔14进入航行器均压室，完成通气。
梯形环槽21的深度与阀座5厚度之和不小于限位钢珠22直径，限位钢珠22在V形环槽2内尺寸与阀座5厚度之和不小于限位钢珠22直径。
充气接头11靠近通气孔18一端套接第三O型密封圈12。
阀座5另一端连接高压气瓶15。
阀座5与高压气瓶15连接位置处套接第四O型密封圈18。
自锁套19靠近阀座凸台8一端垂直连接挡板7形成台阶，撞块20为一套筒结构，撞块20靠近挡板7一端开设台阶，挡板7延伸至台阶正对位置，在撞块20在惯性作用下移动时，能够将台阶与挡板7贴合，用于航行器发射时推动自锁套19打开；撞块20具有较大的质量，在航行器发射时能够产生巨大的向右的惯性力。
一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀的使用方法，具体过程为：
充气状态：如图1及图2所示，将阀座法兰盘13连接在航行器壳体16上，需要将自锁套19向右移动至与阀座5的阀座凸台8贴合，将撞块20向左移动至与端盖1贴合，将充气接头11插入阀座凸台沉孔14，使用定位销10将充气接头11沿轴向固定在阀座5的阀座法兰盘13上，完成定位后将撞块20向右移动至与自锁套19台阶面贴合，完成充气准备工作，充气时，若阀芯3在最左侧，则气体从充气接头11进入，依次流经阀座凸台沉孔14、通气孔18、阀座5中部进入高压气瓶15；若阀芯3在最右侧，则气体从充气接头11进入，经过阀座凸台沉孔14、通气孔18进入第一O型密封圈6、第二O型密封圈9中间的环形区域，高压气体作用在阀芯3上，给阀芯3施加向左的力，推动阀芯3打开，气体通过阀座5的台阶孔并最终注入高压气瓶15；
储气状态：如图3所示，充气完成后，借助辅助工具将阀芯推至最右侧，并将自锁套19和撞块20移动至与端盖1贴合，限位钢珠20在自锁套19内壁面的推动下落入V形环槽2中，限止阀芯3向左运动，关闭气源阀门并将定位销10拔出，取下充气接头11并撤去辅助工具，通气阀进入储气状态；
通气状态：如图4所示，将阀座凸台沉孔14与超空泡航行器均压室连通，发射时航行器向左加速运动，撞块20受到向右的惯性力，推动自锁套19向右运动至与阀座凸台8贴合，阀芯3在高压气体的作用下向左运动至与端盖1贴合，并推动限位钢珠22进入自锁套19的梯形环槽21，此时阀座凸台沉孔14、通气孔18和阶梯孔连通，高压气瓶15内气体流经阶梯孔、通气孔18和阀座凸台沉孔14，进入航行器均压室。由于限位钢珠22的限位作用，即使航行器后续过程中向左减速，使自锁套22和撞块23受到向左的惯性力，自锁套22不会随撞块23向左运动，仍保持原位置，维持通气状态。
安装与拆卸：通气阀的安装应按如下步骤：1、分别在阀芯3相应位置安装第一O型密封圈6和第二O型密封圈9，将阀芯插入阀座5的台阶孔并推至最右侧；2、将装有阀芯3的阀座5左侧超上放置，在阀座5的周向限位孔4中放入钢珠22；3、将自锁套19和撞块20依次从阀座5上端旋套至与阀座凸台8贴合；4、将端盖1通孔对准阀3旋拧在阀座5上端，完成通气阀的安装。
本发明中左是指靠近端盖1一端，右是指另一端。
本发明一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，遵循依靠惯性冲撞解锁、气瓶压力推动阀芯自开启的原理，设计了一种自动通气阀，可有效解决超空泡航行器及其缩比试验模型用通气装置通气流量不足、开启不顺畅、工作可靠性差、密封件易磨损的问题。

Claims (10)

1.一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，其特征在于，包括内部开设阶梯孔的阀座(5)，所述阀座(5)口径最大的一端外套接端盖(1)，所述阀座(5)外壁由靠近端盖(1)向另一端依次间隔套接自锁套(19)、阀座凸台(8)、阀座法兰盘(13)，所述阀座凸台(8)中开设阀座凸台沉孔(14)，所述阀座(5)中与阀座凸台沉孔(14)同一直线处开设通气孔(18)，所述阀座凸台(8)上位于阀座凸台沉孔(14)内连接充气接头(11)，所述充气接头(11)通过限位销(10)连接阀座法兰盘(13)，自锁套(19)活动套接阀座(5)外壁，所述自锁套(19)外壁活动套接撞块(20)，所述阀座(5)内套接阀芯(3)，所述阀芯(3)、阀座(5)、自锁套(19)之间连接自锁系统，所述阀芯(3)一端为阶梯凸台，另一端穿过端盖(1)，所述阀芯(3)的阶梯凸台配合连接阀座(5)的阶梯孔内。
2.根据权利要求1所述一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，其特征在于，所述阀座(5)的阶梯孔为三阶阶梯孔，所述阀芯(3)的阶梯凸台一端为三阶阶梯凸台，所述三阶凸台中直径最大一端连接直径较小的长圆柱，所述长圆柱穿过端盖(1)，所述通气孔(18)开设在阀座(5)上正对第二阶阶梯孔位置，所述自锁系统连接在三阶凸台中直径最大位置处。
3.根据权利要求2所述一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，其特征在于，所述阀芯(3)的第二阶阶梯凸台外套接第一O型密封圈(6)，所述阀芯(3)的第三阶阶梯凸台外套接第二O型密封圈(9)。
4.根据权利要求3所述一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，其特征在于，所述自锁系统包括开设在阀座(5)上口径最大外壁的阀座限位孔(4)，所述阀座限位孔(4)内设置自由移动的限位钢珠(22)，所述限位钢珠(22)直径大于阀座限位孔(4)处阀座(5)外壁厚度，所述阀芯(3)上开设V形环槽(2)，所述自锁套(19)上开设梯形环槽(21)。
5.根据权利要求4所述一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，其特征在于，所述梯形环槽(21)的深度与阀座(5)厚度之和不小于限位钢珠(22)直径，所述限位钢珠(22)在V形环槽(2)内尺寸与阀座(5)厚度之和不小于限位钢珠(22)直径。
6.根据权利要求1所述一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，其特征在于，所述充气接头(11)靠近通气孔(18)一端套接第三O型密封圈(12)。
7.根据权利要求1所述一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，其特征在于，所述阀座(5)另一端连接高压气瓶(15)。
8.根据权利要求7所述一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，其特征在于，所述阀座(5)与高压气瓶(15)连接位置处套接第四O型密封圈(18)。
9.根据权利要求1所述一种基于惯性解锁原理的自开启通气阀，其特征在于，所述自锁套(19)靠近阀座凸台(8)一端垂直连接挡板(7)形成台阶，所述撞块(20)靠近挡板(7)一端开设台阶，挡板(7)延伸至台阶正对位置。
10.一种如权利要求5-9任意一项所述基于惯性解锁原理的自开启通气阀的使用方法，其特征在于，具体过程为：
充气状态：将阀座法兰盘(13)连接在航行器壳体(16)上，需要将自锁套(19)向右移动至与阀座(5)的阀座凸台(8)贴合，将撞块(20)向左移动至与端盖(1)贴合，将充气接头(11)插入阀座凸台沉孔(14)，使用定位销(10)将充气接头(11)沿轴向固定在阀座(5)的阀座法兰盘(13)上，完成定位后将撞块(20)向右移动至与自锁套(19)台阶面贴合，完成充气准备工作，充气时，若阀芯(3)在最左侧，则气体从充气接头(11)进入，依次流经阀座凸台沉孔(14)、通气孔(18)、阀座(5)中部进入高压气瓶(15)；若阀芯(3)在最右侧，则气体从充气接头(11)进入，经过阀座凸台沉孔(14)、通气孔(18)进入第一O型密封圈(6)、第二O型密封圈(9)中间的环形区域，高压气体作用在阀芯(3)上，给阀芯(3)施加向左的力，推动阀芯(3)打开，气体通过阀座(5)的台阶孔并最终注入高压气瓶(15)；
储气状态：充气完成后，借助辅助工具将阀芯推至最右侧，并将自锁套(19)和撞块(20)移动至与端盖(1)贴合，限位钢珠(20)在自锁套(19)内壁面的推动下落入V形环槽(2)中，限止阀芯(3)向左运动，关闭气源阀门并将定位销(10)拔出，取下充气接头(11)并撤去辅助工具，通气阀进入储气状态；
通气状态：将阀座凸台沉孔(14)与超空泡航行器均压室连通，发射时航行器向左加速运动，撞块(20)受到向右的惯性力，推动自锁套(19)向右运动至与阀座凸台(8)贴合，阀芯(3)在高压气体的作用下向左运动至与端盖(1)贴合，并推动限位钢珠(22)进入自锁套(19)的梯形环槽(21)，此时阀座凸台沉孔(14)、通气孔18和阶梯孔连通，高压气瓶(15)内气体流经阶梯孔、通气孔(18)和阀座凸台沉孔(14)，进入航行器均压室。
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