基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀，属于高温高压阀门结构领域。

背景技术

先导式高温高压通气阀是一种控制流量、调节两端压力，实现流向转变的控制阀门，基于电磁控制下，其具有耐高温，耐烧蚀，绝热性好，元件密封及机械素质好的特点。

目前，在长时间姿轨控发动机领域，要求实现长时间、快响应、可关机等直接控制能力，国外提出自动装填式固体火箭发动机方案，实现药柱自动装填和燃烧，将药柱燃烧位置与储气位置分开，为实现燃气的双向流通及快速响应，关机以及起动，需要通气阀精准控制方向和流量，对于需要高机动性的导弹来说，双向通气实现控制侧向推力的要求，同样需要高温高压通气阀；然而高温燃气作为工作介质，温度在1500K到2000K之间，一般的电磁阀无法正常工作，尤其是利用弹簧复位的电磁阀。

发明内容

本发明主要目的是提供一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀及控制方法，用于姿轨控发动机，能够满足燃气的高温需求，实现双向克服高压通气功能，具有尺寸小、重量轻、快速响应的特点，有效减小打击武器消极质量；同时通过综合兼顾隔热密封效果，延长姿轨控发动机使用寿命，实现长时间高频次的姿态控制。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀，包括电磁铁、阀盖、通气内腔上半段、通气内腔中间段、通气内腔下半段、先导杆、通气阀阀芯、阀体、隔热段、密封组件。所述阀盖上开有多个螺栓孔，用于与壳体上段配合紧固，阀盖周向上开有凹槽，用于填充密封圈；所述通气内腔上半段主要由阀杆主体上段、非金属隔热段、阀杆主体下段组成。非金属隔热段与阀杆主体上段连接。阀杆主体上段外径周向上开有两个凹槽；阀杆主体下段与非金属隔热段连接，通过所述非金属隔热段实现阀杆主体上段与阀杆主体下段隔热。阀杆主体下段设有用于与通气阀体中间段接触的梯形凸台，且阀杆主体下段右端设有用于与先导杆接触的圆柱凸台。在通气阀体中间段周向开有通气孔，且在通气阀体中间段上开有用于先导杆穿过的贯穿孔。所述贯穿孔与通气内腔下半段贯穿孔、通气阀阀芯的定位凸台对齐。通气内腔中间段底部设置有通气内腔下半段，通气内腔下半段轴心开有用于通气阀阀芯通过的贯穿孔，且在周向上开有供先导杆通过的贯穿孔；通气阀阀芯与通气内腔中间段固定相连，并穿过通气内腔下半段，通气阀阀芯底部设置有定位凸台为先导杆做轴向定位。所述供先导杆穿过的贯穿孔与通气内腔下半段贯穿孔、通气阀阀芯的定位凸台对齐，为先导杆做周向定位。法兰隔热段分别对通气内腔下半段、EPDM隔热层定位支撑，且通过法兰隔热段实现通气内腔下半段与壳体下段的隔热。壳体下段与壳体上段固定连接，壳体下段上设有与进出口连接的螺栓。通气阀左端为壳体上段外伸出的法兰盘，用于与进出口连接，壳体上段外伸出的法兰盘内部设置有用于实现内部燃气与壳体上段隔热的隔热段，隔热段依次穿过EPDM烧蚀层和石墨烧蚀层。阀体主要由石墨烧蚀层、EPDM烧蚀层、壳体上段组成，最内层为耐烧蚀的石墨烧蚀层，中间层为EPDM烧蚀层，最外层为壳体上段，通过石墨烧蚀层、EPDM烧蚀层协同对高温高压燃气与壳体隔热。阀体右侧开有用于插入压力传感器的孔。

气流流动为双向流动，流动路径为流入左侧隔热段并通过，依次流至石墨烧蚀层与通气内腔上半段的通道中、通气内腔中间用于通气的贯穿孔、通气阀阀芯与通气内腔后半段的间隙、最后通过法兰隔热段，流动过程可逆。

采用电磁铁通过电磁力带动通气内腔上半段上下运动，当电磁铁通电实现向下运动时，通气内腔下半段带动先导杆向下运动，先导杆克服进出口两侧高压实现先导杆与通气内腔下半段分离，实现进出口部分通气，降低进出口两侧压强，此外通气内腔上半段带动先导杆、通气内腔中间段、通气阀阀芯共同向下运动，实现阀芯与通气内腔下半段分离，即基于电磁控制实现先导式双向高温高压通气阀打开。

当电磁铁断电时，带动通气内腔上半段向上运动，与先导杆、通气内腔中间段断开接触，通气内腔中间段、通气阀阀芯和先导杆此刻受到左侧和底部通气口压差作用力影响，当底部通气口压强大于左侧通气口，在压差作用力下实现先导杆、通气阀阀芯与通气内腔后半段贴合，即基于电磁控制实现先导式双向高温高压通气阀关闭。

为了实现高空环境下姿轨控发动机高频率的响应要求，作为优选，采用电磁铁与通气内腔连接带动阀门的开闭，电磁控制所需功率较小，实现毫秒级别的响应，大幅度提高控制精度；同时为用于高空环境下，整个阀体尺寸较小，有效减少消极质量。

高压环境下，通气阀阀芯为了打开需要克服巨大的压差引起的作用力，所需驱动电磁铁需要尺寸较大，带来较大的消极质量，作为优选，为了减小电磁铁的尺寸，采用先导杆式结构，先通过电磁铁带动通气内腔下半段带动先导杆向下运动，与通气内腔后半段分离，实现气流流通，实现两侧压差减小，再继续向下驱动通气阀阀芯，实现与通气内腔后半段分离，完成开启过程，所需要的电磁力较直接驱动通气阀阀芯打开大幅度减小，继而实现电磁铁尺寸上的减小。

为了保证通气阀密封效果，作为优选，所述密封组件包括第一密封件、第二密封件、第三密封件。

第一密封件采用动密封的方式、橡胶材料的O形圈，实现通气内腔上半段与阀盖的密封；第二密封件，采用静密封的方式，橡胶材料的O形圈，实现阀盖与壳体上段之间密封，第一第二密封件的位置距离燃气较远，且未和金属接触，工作温度较低，密封圈耐磨性较好，结构简单易安装。

第三密封件采用填料密封结构，填充紫铜垫片，采用挤压紫铜垫片，实现壳体上段与壳体下段接触位置的螺纹处、传感器与壳体上段之间的密封，该位置距离内腔燃气较近，属于高温环境，且不需要移动，故采用挤压紫铜垫片的方式能够实现耐高温的工作需求，保证密封性。

电磁铁在高温环境下会失去磁性，为了保证电磁铁正常工作，作为优选，通气内腔上半段与通气内腔中间段、先导杆的连接采用接触式连接，当电磁铁通电时，通气内腔上半段与先导杆、通气内腔中间段接触配合，阀门打开，实现气流流通。当阀门关闭时，若通气阀阀芯底部持续接触高温燃气，热量被传导至通气内腔中间段，此刻通气内腔上半段与通气内腔中间段因为接触式配合，通气内腔上半段随电磁铁复位至最顶端，故通气内腔上半段与通气内腔中间段留有间隙，故热量无法继续传导至通气内腔上半段与电磁铁，保证电磁铁工作温度的要求。

本发明还公开的一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀控制方法，用于控制所述基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀，综合压差与作用力共同作用，所述基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀控制方法如下：

当左侧压强小于底部压强时，其打开过程为电磁铁通电，产生电磁力，驱动阀杆主体上段、非金属隔热段和阀杆主体下段沿着EPDM隔热层和石墨隔热层竖直向下移动，当移动到第一行程，接触到先导杆时，推动其一同向下，先导杆与通气内腔后半段分离，实现通气，快速降低两侧压差引起的作用力，阀杆主体下段继续向下运动，接触到通气内腔中间段，推动其向下，带动与通气内腔中间段相连的通气阀阀芯向下运动，实现通气阀阀芯与通气内腔后半段分离，阀门打开，高温燃气从底部进入，通过通气阀阀芯的通气槽，依次流过阀体内腔，从左端流出；当燃气流通一段时间后，左侧与底部的压强相近时，将电磁铁断电，阀杆主体上段、非金属隔热段和阀杆主体下段跟随电磁铁复位，先导杆与通气内腔中间段失去电磁铁提供的推力，在压差的作用下，一同向上移动，带动通气阀阀芯向上，实现与通气内腔后半段贴合，阀门关闭。

当左侧压强大于底部压强时，其打开过程不需要电磁铁通电，阀杆主体上段，非金属隔热段和阀杆主体下段保持原位；在压差作用下，通气内腔中间段与通气阀阀芯向下运动，实现与通气内腔后半段分离，阀门打开，气流流通；关闭过程如下：当压强随着气流流通平衡至接近时，电磁铁通电，驱动阀杆主体上段、非金属隔热段和阀杆主体下段向下运动，为先导杆和通气内腔中间段提供推力向下，压强继续平衡，当左侧压力加电磁铁提供的推力等于底部压力时，电磁铁断电，带动通气内腔上半段复位至初始位置，此刻通气内腔中间段与先导杆失去电磁铁提供的推力，在压差作用下带动通气阀阀芯向上运动，实现与通气内腔后半段贴合，阀门关闭，燃气不再流通。

所述阀门将电磁装置远离阀芯，综合两侧压差引起的作用力与电磁铁的推力进性阀门的开关调控，多重隔热密封技术实现耐高温，隔热，耐烧蚀的效果，具有尺寸小，低质量的优点，其电磁控制高响应、低频率的特点适用于高空环境下的姿轨控发动机。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀及控制方法，当左端压强较小，底部压强较大时，为实现克服压差的需求，燃气从底部流向左端时，阀芯受较高压力处截面积较大，为实现电磁铁打开，所需克服压力较大，但电磁铁尺寸有限，故带来的电磁力有限，存在无法打开阀门的情况，或采用更大尺寸电磁铁，为高空环境下姿轨控发动机带来消极质量，故采用先导杆式设计，先导杆底部截面积较小，先推动先导杆打开，燃气快速流通，压差很快减小，再继续推动阀芯打开，实现高温燃气流通。

2、本发明公开的一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀及控制方法，在通气内腔中间段采用开孔的方式通气，先导杆从孔中穿过，外侧与石墨隔热层接触，内侧上部作梯形槽，在阀门开闭的过程中，能够固定阀杆主体下段与先导杆上下移动，不产生左右倾斜，实现精准控制开启行程的功能；外侧与石墨层接触的地方，仅采用中部接触，减少接触面积以减少移动产生的摩擦力，继而减小对电磁铁攻略的需求。

3、本发明公开的一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀及控制方法，阀杆主体下段与阀体中间段的连接是接触式，当阀体内腔没有燃气通过时，电磁铁断电，阀门底部压强较大，阀芯与通气内腔后半段贴合，阀杆主体下段与通气内腔中间段会留有缝隙，避免从阀芯底部传导热量过多，使得阀杆主体上段与阀杆主体下段温度较高，影响电磁铁工作特性，影响电磁铁的开关调控。

4、本发明公开的一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀及控制方法，阀芯与通气阀体后半段间应当留有通气面积，以供气体流通顺畅，当等效喉径较大时，如果通气阀体后半段直接减去通气面积的方式，阀芯与通气阀体后半段会产生较大缝隙，随着气流波动，产生倾斜，导致通气不畅或靠压差密封时密封不严的情况，针对这一问题，本发明采用在阀芯上开槽的方式解决，在阀芯侧壁面上，均布开出八个槽，其开槽面积加先导杆通气面积等于总通气面积，此刻阀芯整体直径与通气阀体后半段内径接近，不会发生倾斜。

5、本发明公开的一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀及控制方法，石墨耐烧蚀层与EPDM隔热层上施加定位，便于安装时对其进行定位。左侧通气口偏离轴心设计，高温高压燃气速度较快，直接通向轴心易对阀杆主体下段产生附加力使其倾斜，并带来燃气颗粒冲刷沉积，避开轴心会大幅度减少冲刷，增加通气内腔各部件的稳定性。

附图说明

图1是本发明一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀的B-B剖面图；

图2是本发明一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀的主视图；

图3是通气阀体中间段的A-A剖面图；

图4是本发明一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气内腔部件三维图；

其中，1-阀盖、2-通气内腔上半段，2.1-阀杆主体上段，2.2-非金属隔热段，2.3-阀杆主体下段，3-EPDM隔热层，4-石墨隔热层，5-通气内腔中间段，6-先导杆，7-通气内腔后半段，8-壳体下段，9-壳体上段，10-通气阀阀芯，11-销钉，12-法兰隔热段，13-M4x8内六角螺栓，14-M4配套垫片，15-M4x8内六角螺栓，16-M4配套垫片，17-紫铜垫片，18-密封胶圈，19-隔热段，20-传感器孔，21-电磁铁，22-O形圈。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

参考图1和图2，本实施例公开的一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀，包括运动部件和静止部件，其中运动部件从上到下为阀体内腔上半段，由阀杆主体上段2.1，非金属隔热段2.2，阀杆主体下段2.3组成，通气内腔中间段5，先导杆6，销钉11，通气阀阀芯10；阀杆主体上段2.1周向上开有两个凹槽，用于填充O形圈22，实现双重密封效果。阀杆主体上段2.1与非金属隔热段2.2为螺纹连接，非金属隔热段2.2与阀杆主体下段2.3螺纹连接，阀杆主体下段2.3与通气内腔中间段5接触配合，阀杆主体下段2.3延伸出梯形凸台插入通气内腔中间段5中，阀杆主体下段2.3侧面伸出一个梯形凸台与先导杆6接触配合，先导杆6贯穿通过通气内腔中间段5，再贯穿通过通气内腔后半段7，通气阀阀芯10与通气内腔中间段5通过销钉11连接，在通气阀阀芯10底部延伸出一部分，作为先导杆6的定位，限制其行程，防止先导杆6脱离阀门；电磁铁21与阀杆主体上段2.1通过销钉11相连，驱动阀杆主体上段2.1、非金属隔热段2.2和阀杆主体2.3上下移动。

静止部件：顶端阀盖1，与壳体上段9通过M4内六角螺栓15相连，M4内六角螺栓15与阀盖1之间添加M4配套垫片16，增大其接触面积，防止松动，保护多次运动下的零件阀盖1，阀盖1周向上开有凹槽，用于填充密封胶圈18；壳体上段9选用高强度钢材料，中间层为EPDM隔热层3，最内层为石墨隔热层4，在三层上加工了定位台阶相互配合，每层之间用耐高温胶进行粘结，保证壳体稳定；在壳体上段9左侧，外伸出一段，通过法兰可与装置进行相连，外伸段内层为隔热段19，其材质为EPDM，隔热段19贯穿EPDM隔热层3与石墨隔热层4，隔热段19内侧形成燃气通道，燃气通道偏置于轴心，减少燃气对阀杆主体下段2.3的直接冲刷。在壳体上段9、EPDM隔热层3、石墨隔热层4右侧，开一小孔，为传感器孔20，通过压力传感器监测控制阀内气流状态及流动情况；阀杆主体下段2.3与EPDM隔热层3和石墨隔热层4配合接触，通过公差来控制其间隙；壳体上段9和壳体下段8通过螺纹连接，为保证密封，在螺纹底部添加紫铜垫片19进行密封；壳体下段10内侧为法兰隔热段12，其材质为EPDM，与EPDM隔热层3接触，法兰隔热段12的上面是通气内腔后半段7，通气内腔后半段7与石墨隔热层4相接，壳体下段8底部为法兰盘，其上为内六角螺栓13，可以与储气装置相连。

图3为通气内腔中间段5的剖面图，上端为梯形凹槽，与阀杆主体下段2.3进行配合，底部为销钉11的孔，通过孔与通气阀阀芯10固连，其剖面中间为气流流通孔，四个孔均布贯穿。

图4为通气内腔各部件，从上到下依次为由阀杆主体上段2.1、非金属隔热段2.2和阀杆主体下段2.3组成的通气内腔上半段2、通气内腔中间段5、先导杆6、通气内腔后半段7、通气阀阀芯10、销钉11，通气内腔中间段5上开有贯穿孔，其中先导杆6穿过的孔尺寸较小，用于通气的四个贯穿孔面积之和要大于设计的通气面积，避免成为限制流量处。

本实施例还公开的一种基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀控制方法，用于控制所述基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀，综合压差与作用力共同作用，所述基于电磁控制的先导式双向高温高压通气阀控制方法如下：

当左侧压强小于底部压强时，例如左侧为大气压强，底部压强为发动机燃烧室时，其打开过程为电磁铁21通电，产生电磁力，驱动阀杆主体上段2.1、非金属隔热段2.2和阀杆主体下段2.3沿着EPDM隔热层3和石墨隔热层4竖直向下移动，当移动到第一行程，接触到先导杆6时，推动其一同向下，先导杆6与通气内腔后半段7分离，实现通气，快速降低两侧压差引起的作用力，阀杆主体下段2.3继续向下运动，接触到通气内腔中间段7，推动其向下，带动与通气内腔中间段7相连的通气阀阀芯10向下运动，实现通气阀阀芯10与通气内腔后半段7分离，阀门打开，高温燃气从底部进入，通过通气阀阀芯10的通气槽，依次流过阀体内腔，从左端流出；当燃气流通一段时间后，左侧与底部的压强相近时，将电磁铁断电，阀杆主体上段2.1、非金属隔热段2.2和阀杆主体下段2.3跟随电磁铁21复位，先导杆6与通气内腔中间段5失去电磁铁提供的推力，在压差的作用下，一同向上移动，带动通气阀阀芯10向上，实现与通气内腔后半段7贴合，阀门关闭；

当左侧压强大于底部压强时，其打开过程不需要电磁铁21通电，阀杆主体上段2.1，非金属隔热段2.2和阀杆主体下段2.3保持原位；在压差作用下，通气内腔中间段5与通气阀阀芯10向下运动，实现与通气内腔后半段7分离，阀门打开，气流流通；关闭过程如下：当压强随着气流流通平衡至接近时，电磁铁21通电，驱动阀杆主体上段2.1、非金属隔热段2.2和阀杆主体下段2.3向下运动，为先导杆6和通气内腔中间段5提供推力向下，压强继续平衡，当左侧压力加电磁铁21提供的推力等于底部压力时，电磁铁21断电，带动通气内腔上半段2复位至初始位置，此刻通气内腔中间段5与先导杆6失去电磁铁21提供的推力，在压差作用下带动通气阀阀芯10向上运动，实现与通气内腔后半段7贴合，阀门关闭，燃气不再流通。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。