一种阀口开度能线性调节的负压压力控制阀

技术领域

本发明属于气动压力伺服系统关键元器件相关技术领域，更具体地，涉及一种阀口开度能线性调节的负压压力控制阀。

背景技术

高精度大气环境模拟系统常用于飞行器设计与验证等领域，是飞行器半实物仿真和大气数据采集设备调试测量工作的关键组成部分。高精度大气环境模拟系统是指系统通过负压控制模型，对系统输出压力进行高精度的动态控制，模拟飞行器在高空环境中接触的真实大气环境。

现有的高精度大气环境模拟系统体积庞大，系统中的多级控制系统是限制系统体积减小的主要原因之一，控制系统的前级控制部分涉及流量控制阀、压力传感器、气体容腔等设备，用于输出预控制后的压力信号，故会占用较大体积；同时，此种控制方式的系统频率响应特性受限于流量控制阀的响应速度与精度，通过控制气体流量来间接控制前级压力输出，故前级压力控制的效果也会受到限制；还因为此种控制模型需设计前后级整体的压力控制方案，会进一步增加模拟系统的控制复杂度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种阀口开度能线性调节的负压压力控制阀，所述控制阀是一种空间体积小、控制精度高、响应迅速的电气负压压力控制阀，旨在减小大气环境模拟系统的体积，增加系统的控制精度并简化系统控制模型的复杂度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种阀口开度能线性调节的负压压力控制阀，所述控制阀为对称结构，其包括阀壳体、阀杆、负压侧阀套及正压侧阀套，所述阀杆的一端穿过所述阀壳体；所述阀杆上间隔设置有正压侧气流挡板及负压侧气流挡板；所述正压侧阀套及所述负压侧阀套分别套设在所述阀杆相背的两端上，且分别邻近所述正压侧气流挡板及所述负压侧气流挡板；

所述阀壳体的一侧开设有间隔设置的负压口及正压口，另一侧开设有工作口；所述阀壳体的中部还形成有依次相连通的负压腔室、中部腔室及正压腔室，所述工作口与所述中部腔室相对且相连通；所述负压口与所述负压腔室相连通，所述正压口与所述正压腔室相连通；所述正压侧气流挡板、所述负压侧气流挡板、所述正压侧阀套及所述负压侧阀套组成阀芯，所述阀芯通过移动来将所述中部腔室与所述负压腔室及所述正压腔室完全断开、所述中部腔室与所述负压腔室完全导通或者所述中部腔室与所述正压腔室完全导通；其中，所述控制阀的阀口开度与阀芯的位移呈正比。

进一步地，所述控制阀还包括负压侧密封件、正压侧密封件、负压侧端盖、正压侧端盖、负压侧复位弹簧、正压侧复位弹簧、直线驱动及、驱动器固定座、位移感知模块及位移感知模块固定座，所述位移感知模块固定座及所述驱动器固定座分别连接于所述阀壳体相背的两端，所述位移感知模块连接于所述位移感知模块固定座远离所述阀壳体的一端；所述直线驱动器的一端连接于所述驱动器固定座，另一端连接于所述阀杆的一端，所述阀杆的另一端穿过所述阀壳体后与所述位移感知模块的传感器触头接触；所述负压侧密封件及所述正压侧密封件分别嵌设在所述负压侧阀套及所述正压侧阀套内；所述负压侧端盖及所述正压侧端盖分别设置在所述阀壳体相背的两端，且所述阀杆穿过所述正压侧端盖及所述负压侧端盖；所述负压侧复位弹簧及所述正压侧复位弹簧分别套设在所述负压侧端盖及所述正压侧端盖上，且分别套设在所述负压侧阀套及所述正压侧阀套的外部。

进一步地，所述阀壳体相背的两端分别开设有第一凹槽及第二凹槽；所述第一凹槽与所述负压腔室相连通，所述第二凹槽与所述正压腔室相连通；所述负压腔室贯穿所述第一凹槽的底面，所述正压腔室贯穿所述第二凹槽的底面，所述中部腔室贯穿所述负压腔室及所述正压腔室的底面。

进一步地，所述负压腔室的底面形成有环形的第一凸起，所述正压腔室的底面形成有环形的第二凸起，所述第一凸起的内壁面及所述第二凸起的内面与所述中部腔室的内壁面共面。

进一步地，所述阀杆为对称结构，其包括第一段、第二段、第三段、第四段、第五段，所述第一段、所述第二段、所述第三段、所述第四段及所述第五段依次相连接；所述负压侧气流挡板套设在所述第二段邻近所述第三段的一端，所述正压侧气流挡板设置在所述第四段邻近所述第三段的一端，所述负压侧气流挡板及所述正压侧气流挡板均为环形；所述负压侧气流挡板开设有四个气流槽，所述气流槽沿所述阀杆的轴向设置，且其贯穿所述负压侧气流挡板的外周；四个所述气流槽绕所述负压侧气流挡板的中心轴均匀排布；所述负压侧气流挡板的结构及尺寸与所述正压侧气流挡板的结构及尺寸分别相同。

进一步地，所述正压侧端盖呈阶梯状，其开设有第二环形槽，所述第二环形槽贯穿所述正压端盖的台阶面；所述正压侧端盖还形成有正压侧端盖凸起档台，所述第二环形槽绕所述正压侧端盖凸起档台设置；所述正压侧端盖还开设有第三阶梯槽，所述第三阶梯槽贯穿所述正压侧端盖凸起档台；所述正压侧端盖设置在所述第二凹槽内，且所述正压侧端盖凸起档台伸入所述正压腔室内；所述正压侧复位弹簧套设在所述正压侧端盖凸起档台上，且其部分的位于所述第二环形槽内，所述正压侧复位弹簧位于所述正压侧阀套的台阶与所述正压侧端盖的台阶之间。

进一步地，所述正压侧阀套套设在所述阀杆上，且其临近所述正压侧气流挡板设置；所述正压侧阀套呈阶梯状，其一端部分伸入所述第三阶梯槽内，另一端开设有环形的正压阀口；所述正压阀口与所述第二凸起相对设置，且可分离地连接。

进一步地，所述负压端盖的结构与所述正压端盖的结构相同，所述负压侧阀套套设在所述阀杆上，且其临近所述负压侧气流挡板设置；所述负压侧阀套呈阶梯状，其一端部分的伸入所述负压端盖的第二阶梯槽内，另一端开设有环形的负压阀口；所述负压阀口与所述第一凸起相对设置，且可分离连接。

进一步地，所述阀杆的一端与所述直线驱动器相连接，另一端依次穿过所述第三阶梯槽、所述正压腔室、所述中部腔室、所述负压腔室、所述第二阶梯槽后伸入所述位移感知模块固定座后与所述传感器触头接触。

进一步地，所述负压侧气流挡板与所述负压侧阀套单向挡止配合，所述正压侧气流挡板与所述正压侧阀套单向挡止配合；负压侧阀套密封件与第一凸起形成单向弹性顶压配合，正压侧阀套密封件与第二凸起形成单向弹性顶压配合，对应的预紧力分别来自负压则复位弹簧及正压侧复位弹簧；所述负压侧端盖凸起档台及所述正压侧端盖凸起档台分别用于对所述负压侧阀套及所述正压侧阀套进行限位。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的阀口开度能线性调节的负压压力控制阀主要具有以下有益效果：

1.采用阀杆两侧气流档杆开设线型开口、阀杆推动阀套开放阀口的方式，实现进气、保压、排气的过程，还能通过压力感知模块与位移感知模块从多维度上控制工作口处的压力，且可以实现较高时间的稳定保压状态，且两侧阀口开度都随阀杆的位移线性变化，这样更有利于简化控制系统和增加控制精度；且所述控制阀的结构紧凑，体积较小，便于包装与运输，可适用于更多场合。

2.本发明在结构上沿水平中线高度对称，在工作场景可减少因质量分布不均、受力不平衡等情况带来的震动、磨损等能量损耗，得益于控制阀的对称性，使用者也可以混用负压口与正压口，减少了操作误差的出现。

3.由于控制逻辑相似，该压力控制阀也以通过更改进气口气源、适当调节控制参数而进行正压控制。

4.该控制阀是针对负压环境的高精度、快响应的负压压力控制阀，适用于针对负压环境精度要求较高的场景，如大气环境模拟设备、高精度负压源生成设备等。

附图说明

图1是本发明提供的阀口开度能线性调节的负压压力控制阀的剖视图；

图2中的(a)、(b)分别是图1中的阀口开度能线性调节的负压压力控制阀的阀杆的两个不同角度的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-阀壳体，2-阀杆，201-负压侧气流挡板，202-正压侧气流挡板，301-负压侧阀套，302-正压侧阀套，3011-负压侧阀套密封件，3021-正压侧阀套密封件，401-负压侧端盖，402-正压侧端盖，4011-负压侧端盖凸起档台，4021-正压侧端盖凸起档台，501-负压侧复位弹簧，502-正压侧复位弹簧，6-直线驱动器，7-驱动器固定座，8-位移感知模块，801-传感器触头，9-位移感知模块固定座，A-工作口，B-负压口，C-正压口，D-负压腔室，E-中部腔室，F-正压腔室，G-负压阀口，H-正压阀口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种阀口开度能线性调节的负压压力控制阀，所述控制阀包括阀壳体1、阀杆2、负压侧阀套301、正压侧阀套302、负压侧阀套密封件3011、正压侧阀套密封件3021、负压侧端盖401、正压侧端盖402、负压侧复位弹簧501、正压侧复位弹簧502、直线驱动器6、驱动器固定座7、位移感知模块8及位移感知模块固定座9。所述控制阀还包括控制器，所述控制器接收来自所述位移感知模块8的位移信息，并发出控制信号给所述直线驱动器6，继而控制所述阀杆2的位移。

所述位移感知模块固定座9及所述驱动器固定座7分别连接于所述阀壳体1相背的两端，所述位移感知模块8连接于所述位移感知模块固定座9远离所述阀壳体1的一端。所述直线驱动器6的一端连接于所述驱动器固定座7，另一端连接于所述阀杆2的一端，所述阀杆2的另一端穿过所述阀壳体1后与所述位移感知模块的传感器触头801接触。所述负压侧密封件及所述正压侧密封件分别嵌设在所述负压侧阀套301及所述正压侧阀套302内，所述正压侧阀套302及所述负压侧阀套301分别套设在所述阀杆2相背的两端上。所述负压侧端盖401及所述正压侧端盖402分别设置在所述阀壳体1相背的两端，且所述阀杆2穿过所述正压侧端盖402及所述负压侧端盖401。所述负压侧复位弹簧501及所述正压侧复位弹簧502分别套设在所述负压侧端盖401及所述正压侧端盖402上，且分别套设在所述负压侧阀套301及所述正压侧阀套302的外部。

所述阀壳体1相背的两端分别开设有第一凹槽及第二凹槽，所述阀壳体1的一侧开设有间隔设置的负压口B及正压口C，另一侧开设有工作口A。所述阀壳体1的中部还形成有负压腔室D、中部腔室E及正压腔室F，所述工作口A与所述中部腔室E相对且相连通。所述第一凹槽、所述负压腔室D、所述中部腔室E、所述正压腔室F、所述第二凹槽依次相连通且同轴设置。所述负压口B与所述负压腔室D相连通，所述正压口C与所述正压腔室F相连通。

本实施方式中，所述负压腔室D贯穿所述第一凹槽的底面，所述正压腔室F贯穿所述第二凹槽的底面，所述中部腔室E贯穿所述负压腔室D及所述正压腔室F的底面。所述负压腔室D的底面形成有环形的第一凸起，所述正压腔室F的底面形成有环形的第二凸起，所述第一凸起的内壁面及所述第二凸起的内面与所述中部腔室E的内壁面共面。

所述阀杆2为对称结构，其包括第一段、第二段、第三段、第四段、第五段、负压侧气流挡板201及正压侧气流挡板202，所述第一段、所述第二段、所述第三段、所述第四段及所述第五段依次相连接。所述负压侧气流挡板201套设在所述第二段邻近所述第三段的一端，所述正压侧气流挡板202设置在所述第四段邻近所述第三段的一端，所述负压侧气流挡板201及所述正压侧气流挡板202均为环形。其中，所述第一段与所述第五段的结构及尺寸相同，所述第二段与所述第四段的结构及尺寸相同，所述第三段的直径小于所述第五段的直径，所述第五段的直径小于所述第四段的直径，所述第四段的直径与所述负压侧气流挡板201的内径及所述正压侧气流挡板202的内径均相同。

所述负压侧气流挡板201开设有四个气流槽，所述气流槽沿所述阀杆2的轴向设置，且其贯穿所述负压侧气流挡板201的外周。四个所述气流槽绕所述负压侧气流挡板201的中心轴均匀排布。本实施方式中，所述负压侧气流挡板201的结构及尺寸与所述正压侧气流挡板202的结构及尺寸分别相同。

所述驱动器固定座7开设有第一阶梯槽，所述直线驱动器6设置在所述第一阶梯槽内。所述阀壳体1的一端部分地设置在所述第一阶梯槽内，且抵靠在所述第一阶梯槽的台阶面上。所述第二凹槽与所述第一阶梯槽相对设置。

所述正压侧端盖402呈阶梯状，其开设有第二环形槽，所述第二环形槽贯穿所述正压端盖的台阶面。所述正压侧端盖402还形成有正压侧端盖凸起档台4021，所述第二环形槽绕所述正压侧端盖凸起档台4021设置。所述正压侧端盖还开设有第三阶梯槽，所述第三阶梯槽贯穿所述正压侧端盖凸起档台4021。所述正压侧端盖设置在所述第二凹槽内，且所述正压侧端盖凸起档台4021伸入所述正压腔室F内。所述正压侧复位弹簧502套设在所述正压侧端盖凸起档台4021上，且其部分的位于所述第二环形槽内，所述正压侧复位弹簧502位于所述正压侧阀套302的台阶与所述正压侧端盖的台阶之间。

所述正压侧阀套302套设在所述阀杆2上，且其临近所述正压侧气流挡板202设置。所述正压侧阀套302呈阶梯状，其一端部分伸入所述第三阶梯槽内，另一端开设有环形的正压阀口H。所述正压阀口H与所述第二凸起相对设置，且可分离地连接。

所述负压侧端盖401呈阶梯状，其开设有第一环形槽，所述第一环形槽贯穿所述负压侧端盖401的台阶面。所述负压侧端盖401还形成有负压侧端盖凸起档台4011，所述第一环形槽绕所述负压侧端盖凸起档台4011设置。所述负压侧端盖401还开设有第二阶梯槽，所述第二阶梯槽贯穿所述负压侧端盖凸起档台4011。所述负压侧端盖设置在所述第一凹槽内，且所述负压侧端盖凸起档台4011伸入所述负压腔室D内。所述负压侧复位弹簧501套设在所述负压侧端盖凸起档台4011上，且其部分的位于所述第一环形槽内。所述负压侧复位弹簧501位于所述负压侧阀套301的台阶与所述负压侧端盖401的台阶之间。

所述负压侧阀套301套设在所述阀杆2上，且其临近所述负压侧气流挡板201设置。所述负压侧阀套301呈阶梯状，其一端部分的伸入所述第二阶梯槽内，另一端开设有环形的负压阀口G。所述负压阀口G与所述第一凸起相对设置，且可分离连接。

所述阀杆2的一端与所述直线驱动器6相连接，另一端依次穿过所述第三阶梯槽、所述正压腔室F、所述中部腔室E、所述负压腔室D、所述第二阶梯槽后伸入所述位移感知模块固定座9后与所述传感器触头801接触。

所述位移感知模块固定座9开设有收容腔，所述位移感知模块部分的收容在所述收容腔内。所述阀杆2的一端深入所述收容腔内并与所述传感器触头801接触。

所述线性驱动器带动所述阀杆2运动，所述正压侧气流挡板202、所述负压侧气流挡板201、所述正压侧阀套302及所述负压侧阀套301组成阀芯，所述阀芯通过移动来将所述中部腔室E与所述负压腔室D及所述正压腔室F完全断开、所述中部腔室E与所述负压腔室D完全导通或者所述中部腔室E与所述正压腔室F完全导通，从而使得所述控制阀处于稳压工作位、负压极限工作位或者正压极限工作位三个典型工作位。阀芯在稳压工作位、正压极限工作位与负压极限工作位之间活动可以线性调节所述控制阀的阀口开度。

其中，中部腔室E与所述负压腔室D及正压腔室F完全断开的稳压工作位可以用于设备保压，阀口开度与阀芯的位移呈正比，可以通过所述位移感知模块测量的位移信息作为控制参考。

当阀芯处于中部腔室E与负压腔室D完全导通的负压极限工作位时，负压腔室D通过负压阀口G与中部腔室E相连通。当所述阀芯处于中部腔室E与正压腔室F完全导通的正压极限工作位时，正压腔室F通过正压阀口H与中部腔室E相连通。

本实施方式中，所述直线驱动器6可以选用音圈电机及与其配套的控制器；所述位移感知模块可以使用回弹式位移传感器，压力感知模块可以选用负压压力传感器，控制器可以选用PLC控制器或工控机配合采集板卡。负压口B可以接至真空泵，正压口C可以与大气相连或者连接正压源，所述工作口A处设置有压力感知模块，且其用于与使用设备相连接。

所述控制阀沿水平中线M-M对称，所述负压口B与所述正压口C相对于水平中线M-M对称，负压腔室D与正压腔室F关于水平中线M-M对称。正压侧复位弹簧502与所述负压侧复位弹簧501关于水平中线M-M对称。负压侧阀套密封件3011与第一凸起形成单向弹性顶压配合，正压侧阀套密封件3021与第二凸起形成单向弹性顶压配合，对应的预紧力分别来自负压则复位弹簧及正压侧复位弹簧502。所述负压侧端盖凸起档台4011及所述正压侧端盖凸起档台4021分别用于对所述负压侧阀套301及所述正压侧阀套302进行限位。

所述负压侧气流挡板201与所述负压侧阀套301单向挡止配合，所述正压侧气流挡板202与所述正压侧阀套302单向挡止配合。所述阀杆2受驱动力于稳压工作位轴向位移时，比如于稳压工作位向负压极限工作位移动，所述阀杆2带动所述负压侧阀套301轴向移动，所述正压侧阀套302受阀壳体1限位而相对静止，此时阀口开度随位移线性增加。当阀杆2受驱动力于非稳工作位向稳压工作位轴向移动时，比如从负压极限工作位向稳压工作位移动，所述负压侧阀套301受负压侧复位弹簧501弹力驱动而回归中位，正压侧阀套302受正压侧复位弹簧502弹力而保持静止，此时阀口开度随位移增加而线性减小，此种结构可以保证控制阀在同一时间只有一侧阀口开启，当阀杆2推开负压侧阀套301时，正压侧阀套302会被正压侧复位弹簧502顶压在正压阀口H处，而正压侧阀套密封件3021可以防止泄露。

所述阀杆2与所述位移感知模块接触配合，所述传感器触头801的有效伸长范围大于所述阀杆2与所述位移感知模块的距离范围，即所述位移感知模块的传感器出口需要保证在阀杆2移动过程中始终与所述阀杆2的一侧接触，且处在所述位移感知模块的有效测量范围内。所述直线驱动器6驱动阀杆2轴向移动时，所述位移感知模块的传感器触头跟随阀杆2移动，以反馈阀杆2的位移信息。

所述压力感知模块测量工作口A的输出压力数值，与位移感知模块输出的位移信息组成多重反馈信息。控制器根据反馈信息控制直线驱动器6位移，对工作口A的输出压力进行动态调节。由于阀口开度与阀杆2的位移呈线性关系，控制器可以根据工作口A压力与目标压力的压差，配合位移感知模块的信息对阀口开度进行调节来控制工作口A压力，也可忽略位移感知模块的信息，仅通过压力信息进行闭合负反馈控制。

在一个实施方式中，控制阀工作时，负压口B连接真空泵，正压口C连接大气，工作口A连接使用设备；阀杆2的一侧与直线驱动器6刚性连接，直线驱动器通过驱动器固定座7与阀壳体1固定，阀杆2的另一侧与位移感知模块接触连接，位移感知模块通过位移感知模块固定座9与阀壳体1固定，需要保证在阀杆2移动范围内，位移感知模块始终处于有效测量范围内。

当控制器接收到控制信号后，控制器读取来自工作口A处的压力感知模块的信息，并与目标压力进行比对，然后根据预定的控制算法如PID控制、鲁棒控制等算法，计算出迭代后阀杆2的目标位置，再结合位移感知模块反馈的信息对阀杆2进行位置控制。或者采用仅对工作口A压力进行反馈调节的控制算法，此时根据工作口A的反馈压力来控制直线驱动器的驱动电流的大小与方向以控制阀杆2的位移，此种闭环反馈系统页可以实现工作口A压力的控制。

控制阀处于稳压工作位时，由于阀杆2与负压侧端盖及正压侧端盖之间、正压侧端盖与正压侧阀套302之间、负压侧端盖与负压侧阀套301之间存在密封面，负压侧阀套密封件3011及正压侧阀套密封件3021因负压侧复位弹簧501及正压侧复位弹簧502的预紧力而压紧在负压阀口G及正压阀口H处，此时负压口B、正压口C及工作口A相互断开且理论上不存在气体泄漏，可以实现较长时间的工作口A稳压。

直线驱动器带动阀杆2移动时，例如从稳压工作位向负压极限工作位移动时，这个状态下控制阀内的运动情况为：阀杆2推动负压侧阀套301同向移动，此时正压侧阀套302因为正压阀口H处的阀壳体1的限位而留在原地，因为正压侧复位弹簧502的预紧力，正压阀口H保持关闭。负压阀口G随阀杆2的位移而线性开启，负压口B的气流依次通过负压腔室D、负压侧气流挡板201上的气流槽、中部腔室E与工作口A相通。当阀杆2从稳压工作位向正压极限工作位移动时的情况相同。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。