一种应用于平流层浮空器中的双余度阀门装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于平流层浮空器中的双余度阀门装置，它是由对称于阀门机座的内外两套子系统，即主子系统和副子系统组成；其中内阀盖对应于主子系统，外阀盖对应于副子系统；其主要结构包括双余度阀盖、传动机构及阀门机座。每个阀盖对应一套传动机构，传动机构包括原动机、涡轮、蜗杆等主要结构；各装置安装在阀门机座上，阀门机座提供对各部件的支撑，并将载荷传递到囊体；微动开关的反馈信号实现阀门到位状态的反馈，提供断电判据；旋变测量阀盖打开的角度，实现开关量的测量；测压气嘴测量囊体压差，为控制提供判据；阀盖上有镂空凸台，发生故障时可由切割装置切除提高系统的可靠性。
【专利说明】—种应用于平流层浮空器中的双余度阀门装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于平流层浮空器中的双余度阀门装置，它是一种应用于平流层浮空器中的囊体压差及装载气体量调节装置，属于浮空器机载硬件【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在依靠静浮力来平衡重力的浮空器中，控制浮空器的静浮力、囊体内外压差是十分关键的环节。因此，机载双余度阀门装置是实现浮空器稳定升空和安全降落的关键设备。一般的阀门往往采用单余度设计，在阀门发生故障的情况下，无法继续作出有效的控制以保证平流层浮空器的安全飞行，因而安全系数不高。本发明采用双余度设计，利用主、副两个阀盖相互配合对平流层浮空器进行控制，并采用微动开关实现状态反馈，采用切割装置作为排除故障的有效手段，配合使用涡轮、蜗杆实现阀门开关量的灵活控制，并实现自锁功能，极大地提高了系统的可靠性。
[0003]本发明属于浮空器机载硬件的一部分，可应用于平流层浮空器的装载气体量调节及囊体压差控制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种应用于平流层浮空器中的双余度阀门装置，它是一种应用于平流层浮空器中的静浮力、压差调节装置。应用该装置，能够根据浮空器控制的需要，可靠地实现平流层浮空器装载气体量调节及囊体内外压差控制。又因发明本身具有双余度结构，与一般阀门相比，具有较高的可靠性。
[0005]本发明一种应用于平流层浮空器中的双余度阀门装置，它是由对称于阀门机座的内外两套子系统一即主子系统和副子系统组成；其中内阀盖对应于主子系统，外阀盖对应于副子系统。下面以主子系统为例进行说明:
[0006]该主子系统是由内阀盖、传动机构、阀门机座组成，它们之间的位置连接关系是:传动机构通过其传动机构支架安装在阀门机座上，内阀盖与传动机构相连接。
[0007]所述内阀盖是圆盘形件，内有改性娃橡胶圈、挡圈，该改性娃橡胶圈通过挡圈与内阀盖固连在一起，主要作用是改善内阀盖与阀门机座之间的配合密封效果；该挡圈的主要作用是将改性硅橡胶圈与内阀盖固定在一起；内阀盖设计有凸台，凸台内部镂空成管状，用于实现阀门切割；内阀盖外侧有两个凸起的螺孔即切割装置安装点，用于安装切割装置；内阀盖边缘设计有曲柄，用于与传动机构中的涡轮相连接；内阀盖与曲柄成180度角。方位设计有开关压杆支架，用以固定开关压杆，实现位置状态反馈。开关压杆相对于传动机构支架的位置可调。
[0008]所述传动机构的作用是为阀盖的操纵提供所需动力及支撑，它包括原动机、蜗杆、涡轮、旋变和传动机构支架；它们之间的位置连接关系是:原动机输出端与蜗杆相连接，蜗杆与原动机的连接处由传动机构支架支撑，蜗杆的另一端与涡轮相互啮合，涡轮安装在传动机构支架上，可绕其安装轴转动，涡轮安装轴向其左侧延伸，用以安装旋变。该原动机为maxon减速电机,外形为圆柱形，能够在-55?_80°C的环境下工作,其主要作用是输出扭矩，固定在阀门机座的外侧；该蜗杆为圆柱蜗杆，蜗杆类型为阿基米德蜗杆，蜗杆传动为单头阿基米德圆柱蜗杆传动，减速比为40:1，材料为45#钢，其主要作用是连接原动机输出端与涡轮，将原动机输出的扭矩传递给涡轮；该涡轮是扇形，材料为锡青铜，其主要作用是连接蜗杆与阀盖，将从蜗杆处接收到的扭矩转变为弯矩，完成阀盖的作动；该旋变是圆柱形，它与涡轮的安装轴固定在一起，其主要作用是测量阀盖旋转的角度，监测阀门阀盖的调节位置。该传动机构支架为对称腔式结构，它固定在阀门机座上，上有两个圆孔，用以固定涡轮和原动机、蜗杆，其主要作用是支撑原动机、涡轮蜗杆等机构。
[0009]所述阀门机座是圆形盘状结构，中心镂空，呈圆环状，边缘设计有减重孔，阀门机座的主要作用是提供支撑各部件工作的平台，并与囊体相连接，将载荷传递到囊体。阀门机座上还安装有四个测压气嘴(每两个为一组分属于内外两套子系统)、四个微动开关:四个测压气嘴，固定在阀门机座的同一侧，用以测量囊体内外的压差。微动开关，每两个为一组，固定在微动开关支架上，用于反馈阀盖的开、关状态。该微动开关支架为方形，上有两个空腔，用以安装两个微动开关，微动开关支架固定在阀门机座上，其主要作用是固定微动开关。
[0010]两套系统共用一个航空插头，航空插头固定在阀门机座上，用于实现该阀门装置与外系统的信号连接，并提供带动电机所需的电能。
[0011]为了提高系统的可靠性，内、外阀盖都装有切割装置，用以排除阀门系统的故障；两套切割装置共用一个航空插头。
[0012]本发明为一种应用于平流层浮空器中的双余度阀门装置，应用该装置，可以实现平流层浮空器装载气体量、压差控制；并可以反馈调节装置的状态，又因装置为双余度，进一步提高了调节装置的可靠性；在低空及高空环境下能够可靠工作，具有较好的耐低温低气压、耐紫外线辐射、耐臭氧能力；阀门开合机构动作响应快，可靠动作次数高；囊体达到极限内外压差的情况下可正常工作；密封性能好，标压箱测试合格；重量轻，与囊体系统对接性能好；安装维护性良好。该调节装置已在某型平流层浮空器上得到成功应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1双余度阀门装置正常闭合图
[0014]图2双余度阀门装置正常打开图
[0015]图3双余度阀门装置故障排除后阀盖图
[0016]图4双余度阀门装置传动机构图
[0017]图5双余度阀门装置阀门机座
[0018]图号说明:
[0019]11外阀盖12改性硅橡胶圈
[0020]13阀门机座14微动开关
[0021]15测压气嘴16微动开关支架
[0022]21传动机构支架
[0023]31内阀盖32切割 装置安装点
[0024]33 旋变[0025]41涡轮42蜗杆
[0026]43原动机44阀盖镂空凸台
[0027]45开关压杆
[0028]51航插一52航插二
[0029]53航插支架
【具体实施方式】
[0030]本发明是一种应用于平流层浮空器中的双余度阀门装置，它是由对称于阀门机座13的内外两套子系统一即主子系统和副子系统组成；其中内阀盖31对应于主子系统，夕卜阀盖11对应于副子系统。
[0031]如图1和图2所示为双余度阀门的正常闭合状态与正常打开状态，外阀盖11与改性硅橡胶圈12通过螺栓连接在一起；内、外阀盖与阀门机座13通过与传动机构支架21、图4中的传动机构连接在一起；微动开关14与微动开关支架16通过螺栓连接在一起；测压气嘴15自身带有螺纹，可直接与阀门机座13上的螺孔相配合连接在一起。
[0032]如图3所示为阀门排除故障后的状态:内阀盖31设计有阀盖镂空凸台44，切割装置安装在切割装置安装点32，故障发生后，切割装置将阀盖镂空凸台切除。此后，通过备用阀盖即外阀盖实现控制；旋变33通过与图4中的涡轮连在一起，随着涡轮的转动而转动，测量阀盖转过的角度。整个阀门装置呈.圆盘状。
[0033]如图4所示为阀盖与传动机构的连接图:阀盖与涡轮41通过螺栓相连接，阀盖的作动由涡轮41的转动实现；涡轮41与蜗杆42相互啮合，并由蜗杆42带动；蜗杆42与原动机43通过螺栓固连在一起；开关压杆45与蜗轮41的转轴固连在一起，与微动开关14配合实现位置反馈。整个机构通过支撑涡轮转轴的传动机构支架21与阀门机座13固连在一起。
[0034]如图5所示,航插一 51通过螺栓与阀门机座13固连在一起；航插二 52通过航插支架53与阀门机座13固连在一起，控制阀门的切割；开关压杆45利用螺栓与阀盖压接在一起，由于阀盖上的螺孔与所用螺栓之间为过盈配合，故压杆与阀盖的相对位置可调，便于调节阀盖的压紧力；微动开关14安装在微动开关支架16的内部，仅余开关触点在外，当压杆压下时，带动微动开关14触点使开关闭合。
[0035]阀门机座开口与阀盖之间的配合材料为航空铝合金和改性硅橡胶，通过硅橡胶的弹性变形充满空间阻止气体在接触面处通过从而实现密封。弹性密封需要较大压紧力，设计时留有裕量。以一定的弹性变形作为压紧的判断依据，不同温度下一定的弹性变形需要不相等的压紧力；试验时，需要在常温下调试设定硅橡胶的弹性变形值，电机输出扭矩留有裕量，使得在低温时(硅橡胶变硬)硅橡胶能达到该变形值。
[0036]阀门采用主动控制，由计算机或者人工指令控制开或者关。阀门开关时阀门盖转动角度不大于90度，要求转速低、工作平稳，而且要求机构有自锁功能，阀门盖不会自动打开或者关闭，关紧后没有回程误差，否则，存在泄漏隐患。传动机构应尽量简单，重量尽量小。采用一级蜗杆传动机构能满足要求，而且设计上简单易行，可靠性容易保证。
[0037]当阀门处于如图1所示正常闭合状态时，压杆紧压微动开关14使其闭合，发出关到位反馈信号。当由于控制等原因，需要打开阀门时，机载电源提供28V的电信号驱动原动机43转动；涡轮41将原动机43通过蜗杆42传递来的扭矩转变为使阀盖打开的力矩，带动阀盖的转动。当阀盖转动到开到位位置，随涡轮转动的开关压杆45压紧微动开关14，微动开关14反馈到位信号，控制系统接收到位信号后，停止对原动机43供电，阀门停止在如图2所示的状态。阀门的闭合作动与打开类似，当阀门作动到关紧位置时，靠涡轮41提供的压紧力与压差提供的压力将改性硅橡胶圈12压紧在阀门机座13上，保证阀门的气密性。
[0038]若内阀盖31由于某种原因不能关闭或者卡死在某位置而不能完成控制任务时，外阀盖11可以代替内阀盖31继续对浮空器进行控制。若内阀盖31不能打开，系统经过某种控制机制的考量，发出内阀盖31切割指令，通过航插二 52将切割信号传递到切割装置，切割装置切除内阀盖镂空凸台44，排除阀门堵死的故障，切割装置反馈阀盖已切割的信号，系统通过外阀盖11继续执行对平流层浮空器的控制；若外阀盖11也发生了故障，系统可选择切除外阀盖镂空凸台44，排出浮空器装载气体，使浮空器降落到地面，从而实现物资的回收。这大大提高了系统的可靠性。
[0039]本发明还提供了开关量控制的功能。控制系统通过接受旋变发出的信号，可以精确地感知阀门的位置信息，达到精确控制的目的。
[0040]为了保证平流层浮空器的安全，本发明还提供了双余度的囊体压差测量装置，通过两套压差测量系统(共包含四个测压气嘴及由系统提供的压差传感器)较为可靠地测量囊体压差，为控制提供判据。
[0041]为实现阀门与囊体的连接，设计一个与囊体上开口固定环固接的转接环，转接环上有内螺纹；阀门机座上设计有通孔与转接环上的内螺纹对应。安装阀门时，阀门平行放置于转接环上，用螺钉穿过阀门机座13上的通孔旋入转接环上的内螺纹即可紧固；阀门机座13与转接环的接触面为一个窄条圆环，中间加装垫片密封。
[0042]表I所示为阀门的技术指标及其测试方法。重点测试了阀门在工作温度下的各种性能。
[0043]表I技术指标及测试方法
【权利要求】
1.一种应用于平流层浮空器中的双余度阀门装置，其特征在于:它是由对称于阀门机座的内外两套子系统一即主子系统和副子系统组成；其中内阀盖对应于主子系统，外阀盖对应于副子系统； 该主子系统是由内阀盖、传动机构、阀门机座组成，传动机构通过其传动机构支架安装在阀门机座上，内阀盖与传动机构相连接； 所述内阀盖是圆盘形件，内有改性硅橡胶圈、挡圈，该改性硅橡胶圈通过挡圈与内阀盖固连在一起，其作用是改善内阀盖与阀门机座之间的配合密封效果；该挡圈的作用是将改性硅橡胶圈与内阀盖固定在一起；内阀盖设计有凸台，凸台内部镂空成管状，用于实现阀门切割；内阀盖外侧有两个凸起的螺孔即切割装置安装点，用于安装切割装置；内阀盖边缘设计有曲柄，用于与传动机构中的涡轮相连接；内阀盖与曲柄成180度角；方位设计有开关压杆支架，用以固定开关压杆，实现位置状态反馈，开关压杆相对于传动机构支架的位置可调； 所述传动机构的作用是为阀盖的操纵提供所需动力及支撑，它包括原动机、蜗杆、涡轮、旋变和传动机构支架；原动机输出端与蜗杆相连接，蜗杆与原动机的连接处由传动机构支架支撑，蜗杆的另一端与涡轮相互啮合，涡轮安装在传动机构支架上，绕其安装轴转动，润轮安装轴向其左侧延伸，用以安装旋变；该原动机为maxon减速电机,外形为圆柱形，能够在-55?-80°C的环境下工作，其作用是输出扭矩，固定在阀门机座的外侧；该蜗杆为圆柱蜗杆，蜗杆类型为阿基米德蜗杆，蜗杆传动为单头阿基米德圆柱蜗杆传动，减速比为40:1，材料为45#钢，其作用是连接原动机输出端与涡轮，将原动机输出的扭矩传递给涡轮；该涡轮是扇形，材料为锡青铜，其作用是连接蜗杆与阀盖，将从蜗杆处接收到的扭矩转变为弯矩，完成阀盖的作动；该旋变是圆柱形，它与涡轮的安装轴固定在一起，其作用是测量阀盖旋转的角度，监测阀门阀盖的调节位置；该传动机构支架为对称腔式结构，它固定在阀门机座上，上有两个圆孔，用以固定涡轮和原动机、蜗杆，其作用是支撑原动机、涡轮蜗杆等机构； 所述阀门机座是圆形盘状结构，中心镂空，呈圆环状，边缘设计有减重孔，阀门机座的作用是提供支撑各部件工作的平台，并与囊体相连接，将载荷传递到囊体；阀门机座上还安装有四个测压气嘴、四个微动开关:四个测压气嘴，固定在阀门机座的同一侧，用以测量囊体内外的压差；微动开关，每两个为一组，固定在微动开关支架上，用于反馈阀盖的开、关状态；该微动开关支架为方形，上有两个空腔，用以安装两个微动开关，微动开关支架固定在阀门机座上，其作用是固定微动开关； 两套系统共用一个航空插头，航空插头固定在阀门机座上，用于实现该阀门装置与外系统的信号连接，并提供带动电机所需的电能； 为了提高系统的可靠性，内、外阀盖都装有切割装置，用以排除阀门系统的故障；两套切割装置共用一个航空插头。
【文档编号】F16K51/00GK103438267SQ201310389198
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】梁浩全, 娄文杰, 赵长春, 祝明 申请人:北京航空航天大学