一种基于差动面积法的切破式气爆阀

技术领域

本发明涉及一种气爆阀，具体涉及一种基于差动面积法的切破式气爆阀。

背景技术

气爆阀是现代航空、航天、动力等领域的液体控制系统中，对系统工作前的介质进行密封预包装，在系统工作时实现预包装介质与下游系统导通的一次性工作阀。切破式气爆阀作为气爆阀的典型结构广泛应用于上述领域中，其作用原理是工作前上游介质被切破式气爆阀的衬套可靠密封，实现介质预包装，工作时控制气通过控制口进入控制腔，控制气压力作用在活塞结构上产生不平衡力带动切刀运动并切破衬套盲端，实现预包装介质与下游系统的导通。为提高工作时衬套切破的可靠性，在设计过程中常通过增加控制气压力、增大活塞面积等方法增加切破作用力，因此控制腔直径显著大于切破腔，而现有切破式气爆阀常采用切刀与活塞一体式设计，因此活塞与切刀运动距离相同，为保证可靠导通，活塞运动距离一般大于衬套通径，这样就会使控制腔长度增加，结构质量增大，同时使工作时的控制气消耗量增加；此外，这类气爆阀的切刀前端壳体结构通常为楔形，使用时切刀向前推进卡进壳体的楔形结构中，防止切刀回退阻碍介质流通，这种方式导致气爆阀只能使用一次，造成一定材料浪费。

发明内容

本发明目的在于解决现有气爆阀存在控制腔长度大、结构质量大、工作时控制气消耗量大以及只能使用一次的不足之处，而提供一种基于差动面积法的切破式气爆阀。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种基于差动面积法的切破式气爆阀，包括壳体、衬套、切刀、活塞及端盖，其特殊之处在于：

所述壳体包括同轴设置的小圆柱段和大圆柱段，所述小圆柱段内设置有切破腔A，所述大圆柱段内设置有控制腔B；

所述控制腔B和切破腔A同轴设置且相互连通，控制腔B内径大于切破腔A内径；

所述壳体上设置有与切破腔A连通的衬套接口及介质出口，衬套接口上安装有带盲端的衬套；

所述切刀一端为切刀头，切刀头置于切破腔A中，设置圆柱形凹槽包裹衬套盲端，切刀另一端置于控制腔B中，其外侧套设所述活塞；

所述切刀另一端的端部设置有外限位凸台，位于活塞内侧的切刀外壁设置有内限位凸台，活塞可在切刀上的外限位凸台和内限位凸台之间做轴向移动；

所述端盖安装在控制腔B外侧的壳体上，端盖中部设置有供切刀运动的延伸腔C，延伸腔C的直径小于活塞的外径，大于外限位凸台的外径，延伸腔C外壁设置有通气孔，通气孔与外部环境相连；

所述壳体上设置有控制口，其外端用于与外界控制气源连接，内端与活塞内侧的控制腔B相连通。

进一步地，所述控制腔B内侧的壳体上设置有环形凹槽，环形凹槽与活塞同轴设置，控制口的内端与环形凹槽相连通，可保证活塞在受控制气驱动时，整体受力均匀。

进一步地，所述切刀最左侧受力面显著大于内限位凸台的环形截面积。因此，在切破腔A及控制腔B介质压强相同的情况下，由于切刀在切破腔A及控制腔B的受力面积差异，切刀左侧受到的力大于内限位凸台在控制腔B受到的反方向力，即由两侧受力面的面积不同产生了不平衡力，使得切刀可被继续推动运动。

进一步地，为减少活塞质量，所述活塞内侧设置有内环槽，内环槽与设置在壳体上的所述环形凹槽相对应；所述活塞的外侧设置有外环槽，外环槽与内环槽同轴，且外环槽的内径、外径及深度与内环槽相一致。

进一步地，所述活塞的外侧端面中部设置有环形凸台，环形凸台与外限位凸台相接，环形凸台的外径与外限位凸台的外径一致，环形凸台外侧的环形面与壳体相接。该结构可以避免活塞两侧环槽间成为受力薄弱环节，且可以进一步减小整体体积。

进一步地，所述外环槽的内径小于延伸腔C的直径，外径大于延伸腔C的直径。

进一步地，所述切刀的切刀头与盲端对应的底面设置有通孔，另一端内部设置有沿轴向的空腔，该结构可有效减少结构质量；

所述外限位凸台由一个安装在切刀另一端端部的螺钉构成。

进一步地，定义：所述衬套的盲端未切破的状态为关闭状态，活塞运动至与端盖相接且与切刀(3)的外限位凸台未分离时的状态为活塞限位状态，切刀运动至内限位凸台与活塞内侧端面相接时的状态为切刀限位状态；从关闭状态至活塞限位状态，所述活塞的运动距离为L1，在关闭状态时，活塞内侧端面至内限位凸台的距离为L2，所述切刀从关闭状态运动到切刀限位状态的距离为L，则：

L＝L1+L2。

进一步地，所述端盖(6)通过螺纹连接在壳体(1)上；

所述衬套的盲端设置有利于切破的环形切槽。

进一步地，所述切刀在靠近切刀头的位置设置有O形圈安装槽，安装槽中依次安装挡圈Ⅰ、O形圈Ⅰ及挡圈Ⅰ；

所述活塞与切刀的相接面设置两组O形圈安装槽，安装槽中安装O形圈Ⅰ及挡圈Ⅰ，与壳体的相接面设置两组O形圈安装槽，安装槽中安装O形圈Ⅱ及挡圈Ⅱ，挡圈Ⅰ及挡圈Ⅱ位于靠近端盖的一侧；

上述结构对切刀与壳体之间、活塞与切刀之间及活塞与壳体之间具有良好的密封作用，挡圈可在高压情况下防止O形圈变形及位移。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

(1)本发明通过差动面积法，在活塞被端盖限位后，切破腔A及控制腔B介质压强相同或相近的情况下，由于切刀在切破腔A及控制腔B的受力面积差异，切刀左侧受到的力大于内限位凸台在控制腔B受到的反方向力，使切刀可以继续被推动；在切刀运动至限位状态后，同样会使切刀继续维持在限位状态，无需设置切刀防回退结构。

(2)本发明的活塞套设于切刀的另一端，切刀可与活塞相对移动，端盖对活塞进行限位后切刀可继续被推动，由此缩短了活塞的移动距离及控制腔B长度，从而减少控制气的消耗、缩小控制腔B体积，并减轻气爆阀的结构质量。

(3)本发明在切刀中设置的通孔、空腔及活塞中的内环槽和外环槽，均可减轻气爆阀结构质量。

(4)本发明的端盖通过螺纹连接在壳体上，且切刀在使用过程中无形变损坏，因此在使用一次后，经过简单操作更换衬套可以实现重复利用。

(5)本发明使用带有盲端的衬套，结构稳定，在使用前对介质预包装，可实现可靠密封。

附图说明

图1是本发明实施例的剖视图一(关闭状态)；

图2是图1中M处的放大示意图；

图3是本发明实施例中的壳体剖视图；

图4是本发明实施例的剖视图二(活塞限位状态)；

图5是本发明实施例的剖视图三(切刀限位状态)；

附图标记说明：

1-壳体，2-衬套，3-切刀，31-内限位凸台，4-螺钉，41-外限位凸台，5-活塞，6-端盖，7-挡圈Ⅰ，8-挡圈Ⅱ，9-O形圈Ⅰ，10-O形圈Ⅱ，11-介质出口，12-控制口，A-切破腔，B-控制腔，C-延伸腔。

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：

本发明的一种基于差动面积法的切破式气爆阀，如图1至图5所示，包括壳体1、衬套2、切刀3、活塞5及端盖6；所述壳体1包括同轴设置的小圆柱段和大圆柱段，所述小圆柱段内设置有切破腔A，所述大圆柱段内设置有控制腔B；所述控制腔B和切破腔A同轴设置且相互连通，控制腔B的内径大于切破腔A的内径；所述端盖6通过螺纹安装在控制腔B外侧的壳体1上，端盖6中部设置有供切刀3运动的延伸腔C，延伸腔C外壁设置有通气孔，通气孔与外部环境相连；所述壳体1上设置有与切破腔A连通的衬套接口13及介质出口11，衬套接口13上安装有带盲端的衬套2；所述壳体1上设置有控制口12，控制腔B内侧的壳体1上设置有环形凹槽，环形凹槽与活塞5同轴设置，控制口12的内端与环形凹槽相连通，其外端用于与外界控制气源连接；所述切刀3一端为切刀头，切刀头置于切破腔A中，其上设置有圆柱形凹槽包裹衬套2盲端，盲端设置有利于切破的环形切槽，切刀头对应盲端的底面设置通孔，靠近切刀头的位置设置有O形圈安装槽，安装槽中依次安装挡圈Ⅰ7、O形圈Ⅰ9及挡圈Ⅰ7；切刀3另一端置于控制腔B中，内部有空腔，外侧套装所述活塞5，所述活塞5内侧设置有内环槽，内环槽与设置在壳体1上的所述环形凹槽相对应；所述活塞5的外侧设置有外环槽，外环槽与内环槽同轴，且外环槽的内径、外径及深度与内环槽相一致；所述活塞5的内侧端面平齐，其外侧端面中部设置有环形凸台，环形凸台与外限位凸台41相接，环形凸台的外径与外限位凸台41的外径一致，环形凸台外侧的环形面与端盖6相接；所述活塞5与切刀3的相接面设置两组O形圈安装槽，安装槽中安装O形圈Ⅰ9及挡圈Ⅰ7，活塞5与壳体1的相接面设置两组O形圈安装槽，安装槽中安装O形圈Ⅱ10及挡圈Ⅱ8，挡圈Ⅰ7及挡圈Ⅱ8位于靠近端盖的一侧；所述切刀3另一端的端部设置有外限位凸台41，位于活塞5内侧的切刀3外壁设置有内限位凸台31，活塞5可在切刀3上的外限位凸台41和内限位凸台31之间做轴向移动；所述延伸腔C的直径小于活塞5的外径，大于外限位凸台41的外径；所述外环槽的内径小于延伸腔C的直径，外径大于延伸腔C的直径；切刀3左侧端部受力面的面积大于内限位凸台31右侧的环形面的面积。

定义：所述衬套2的盲端未切破时的状态为关闭状态，活塞5运动至与端盖6相接且与切刀3的外限位凸台未分离时的状态为活塞限位状态，切刀3运动至所述内限位凸台31与活塞5内侧端面相接时的状态为切刀限位状态；从关闭状态至活塞限位状态，所述活塞5的运动距离为L1，在关闭状态，活塞5内侧端面至内限位凸台31的距离为L2；所述切刀3从关闭状态运动到切刀限位状态的距离为L，则：

L＝L1+L2。

本发明实施例的具体使用过程如下：

如图1所示，其在处于密封关闭状态时，衬套2的盲端部分置于切刀3切刀头的圆柱形凹槽中，活塞5置于原始位置，实现对上游储箱中介质的密封预包装。

如图4所示，工作时，控制气沿控制口12进入控制腔B，作用于活塞5上，从而推动螺钉4及切刀3整体运动，运动一定距离的活塞5被右侧端盖6限位，同时，该运动过程中切刀3运动产生的剪切力将衬套2的盲端被切破，但此时切刀3运动距离小于衬套2的内径，装置处于活塞限位状态，且衬套2的盲端被切破后密封介质开始通过衬套2进入切破腔A，介质对切刀3左侧产生压力，当介质压强与右侧控制腔B的压强相同时，由于切刀3左侧受力面显著大于右侧内限位台31的受力面，因此产生的不平衡力推动切刀3继续向右移动至图5所示的切刀限位状态。此时，高压介质可正常向下游流通，切刀3左侧持续受到压力，无需设置防退装置即可保持切刀限位状态。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的各种等效修改或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。