具有前馈-反馈控制功能的自力式多级减压阀及其方法

1.本发明属于阀门装置领域，特别涉及一种具有前馈-反馈控制功能的自力式多级减压阀及其方法。


背景技术：

2.自力式减压阀是采用控制阀体内的启闭件的移动来调节介质的流量，将介质的压力降低，同时借助阀后压力的作用调节启闭件的开度，使阀后压力保持在一定范围内，以保护下游组件。但是在高压差环境时，传统的自力式减压阀无法实现精确调控，其响应速度慢，而且自力式减压阀是利用被调介质自身能量作为动力源，输出力较小，允许压差较其它普通控制阀要小。因此，如何提升自力式调节阀在高压差环境下的响应速度，提高自力式减压阀的允许压差是现今需要解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种具有前馈-反馈控制功能的自力式多级减压阀及其方法。本发明通过阀门前后介质压力与两膜片及弹簧的作用带动多孔套筒上下移动对阀后压力进行前馈-反馈复合控制，实现对阀后压力的快速调节。除此之外，双阀杆结构使调节过程稳定，且多孔套筒实现了多级减压，提高了自力式减压阀的允许压差。
4.本发明所采用的具体技术方案如下：
5.第一方面，本发明提供了一种具有前馈-反馈控制功能的自力式多级减压阀，阀体顶部开设凹槽，槽口覆盖固定有柔性的上膜片，上膜片与凹槽之间形成第一调节腔，第一调节腔通过阀前导管与进口通道连通；上膜片顶部设有与调节机构相连的上调节弹簧，上调节弹簧具有轴向预紧力，调节机构能通过改变上调节弹簧的预紧力进而调节上膜片的初始弹力；阀体内部开设与所述第一调节腔互不连通的主阀腔，主阀腔内设有能轴向移动的套筒，上膜片通过上阀杆与套筒固定连接；所述套筒上下两端封闭，顶端开设若干竖向贯通的通流孔，上部周向开设若干用于一级减压的第一节流孔，下部周向开设若干用于二级减压的第二节流孔；套筒处于下极限位置时节流面积最大，所有第一节流孔均能与进口通道连通，所有第二节流孔均能与出口通道连通；阀体底部固定连接有下阀盖；下阀盖开口向下且开口处覆盖固定有柔性的下膜片，下膜片顶部与下阀盖之间设有下调节弹簧，下调节弹簧具有轴向预紧力，套筒底部通过下阀杆与下膜片固定连接；下阀盖底部连接有下端盖，下端盖与下膜片之间形成第二调节腔，第二调节腔通过阀后导管与出口通道连通。
6.作为优选，所述上膜片和下膜片均为橡胶材质。
7.作为优选，所述调节机构包括带有上端盖的手轮和具有内螺纹的导向套，上端盖周向具有外螺纹，手轮通过上端盖与导向套构成螺纹连接；上端盖底部与上调节弹簧的一端固定，上调节弹簧的另一端固定于上膜片顶部，通过转动手轮能调节上调节弹簧和下调节弹簧的初始预紧力；所述导向套压设于上膜片顶部的外周，并通过螺栓连接固定于阀体
顶部。
8.作为优选，所述上膜片与上阀杆通过螺母连接，下膜片与下阀杆通过螺母连接。
9.作为优选，所述上阀杆与阀体之间设有上密封填料，用于隔绝第一调节腔和主阀腔；所述下阀杆与阀体之间设有下密封填料，用于隔绝第二调节腔和主阀腔。
10.进一步的，所述上密封填料和下密封填料采用橡胶、碳纤维、柔性石墨、工程塑料中的一种或多种。
11.作为优选，所述套筒外壁与阀体内壁之间贴合封闭连接。
12.作为优选，所述套筒中部周向封闭且不开设孔洞，通过套筒的上下移动能改变进口和出口的节流面积。
13.作为优选，所述下端盖压设于下膜片的底部外周，并通过连接螺栓连接固定于下阀盖底部。
14.第二方面，本发明提供了一种根据第一方面任一所述具有前馈-反馈控制功能的自力式多级减压阀的压力调节方法，具体如下：
15.通过调节机构改变上调节弹簧及下调节弹簧的预紧力，以设置套筒的初始目标开度；
16.正常工况下，流体经阀前导管充满第一调节腔，并对上膜片产生向上的作用力；流体经阀后导管充满第二调节腔，并对下膜片产生向上的作用力；上阀杆、套筒和下阀杆构成的驱动机构受力平衡，流体经进口通道进入阀体的主阀腔，通过套筒上部的第一节流孔进入套筒内部，实现一级减压；随后流体经套筒底部的第二节流孔从出口通道流出阀体的主阀腔，实现二级减压；
17.当自力式多级减压阀的阀前压力改变时，第一调节腔中流体对上膜片产生的作用力大小发生变化；驱动机构原始的平衡条件被打破，并在力的作用下发生轴向位移，改变上调节弹簧和下调节弹簧的压缩量，以抵消由于阀前压力改变产生的作用力，驱动机构达到新的平衡；同时，套筒的开度变化也降低了由于阀前压力改变对阀后压力的影响，实现前馈调节；
18.当自力式多级减压阀的阀后压力改变时，第二调节腔中流体对下膜片产生的作用力大小发生变化；驱动机构原始的平衡条件被打破，并在力的作用下发生轴向位移，改变上调节弹簧和下调节弹簧的压缩量，以抵消由于阀后压力改变产生的作用力，驱动机构达到新的平衡；同时，套筒的开度变化也维持了阀后压力的稳定，实现反馈调节。
19.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
20.1)本发明利用多孔套筒实现多级减压，提高了自力式减压阀的允许压差。
21.2)本发明通过阀门前后介质压力与两膜片及弹簧的作用带动多孔套筒上下移动对阀后压力进行前馈-反馈复合控制，实现对阀后压力的快速调节。
附图说明
22.图1为自力式多级减压阀的结构示意图；
23.图2为自力式多级减压阀的剖面结构示意图；
24.图3为自力式多级减压阀的工作流程示意图；
25.图4为自力式多级减压阀的前馈-反馈控制功能框图。
26.图中：1、手轮；2、导向套；3、上调节弹簧；4、上膜片；5、上密封填料； 6、阀体；7、上阀杆；8、阀前导管；9、套筒；10、下阀杆；11、下调节弹簧； 12、下膜片；13、下端盖；14、连接螺栓；15、下密封填料；16、下阀盖；17、阀后导管。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
28.如图1～3所示，为本发明提供的一种具有前馈-反馈控制功能的自力式多级减压阀，该自力式多级减压阀根据功能主要可以分为前馈模块、减压模块和反馈模块。其中，前馈模块包括带有上端盖的手轮1、导向套2、上调节弹簧3、上膜片4、上密封填料5、上阀杆7、阀前导管8；减压模块包括套筒9和阀体6；反馈模块包括下阀杆10、下调节弹簧11、下膜片12、下端盖13、下密封填料 15、下阀盖16、阀后导管17。下面将对各模块的结构和连接方式进行具体说明。
29.阀体6顶部开设凹槽，凹槽的槽口向上，槽口处覆盖固定有柔性的上膜片4，上膜片4能将整个槽口完全覆盖。上膜片4与凹槽之间形成封闭的第一调节腔，第一调节腔通过阀前导管8与进口通道连通。上膜片4顶部接触固定有上调节弹簧3，上调节弹簧3具有轴向弹力且始终处于压缩状态。上调节弹簧3的一端与上膜片4顶部固定连接，另一端与能改变其轴向压缩量的调节机构相连。由于上调节弹簧3与上膜片4相连，因此，调节机构能通过改变上调节弹簧3的预紧力进而调节上膜片4的初始弹力。
30.在实际应用时，上膜片4可以采用具有较大形变能力的弹性材料，例如橡胶等。调节机构可以采用如下结构：调节机构包括手轮1和导向套2，其中，手轮 1底部连接有上端盖，上端盖周向具有外螺纹，导向套2为具有内螺纹结构的筒状结构，手轮1通过上端盖与导向套2构成螺纹连接。上端盖底部与上调节弹簧 3的一端固定，上调节弹簧3的另一端固定于上膜片4顶部，通过转动手轮1能调节上调节弹簧3和下调节弹簧11的初始预紧力。导向套2压设于上膜片4顶部的外周，并通过螺栓连接固定于阀体6顶部。
31.阀体6内部开设竖直的主阀腔，主阀腔位于第一调节腔下方且与第一调节腔互不连通。主阀腔内设有套筒9，套筒9外壁应当与阀体6内壁之间贴合封闭连接，且套筒9能够在阀体6内壁的限位作用下沿轴向上下移动。上膜片4通过上阀杆7与套筒9固定连接，在实际应用时，上膜片4与上阀杆7可以通过螺母连接，两者的连接处尽量保持密封，防止第一调节腔中的流体经连接处溢出。
32.套筒9的顶端和底端封闭，顶端均匀开设多个竖向贯通的通流孔，通流孔能够将套筒上方的主阀腔空间与套筒内部相连通，从而使得阀门工作时进入套筒中的流体可以从通流孔流入多孔套筒9上方的主阀腔空间，降低套筒9顶部上下面压差，减小套筒上下移动过程中所需的推力。位于套筒9上部一段长度的侧壁上周向开设多个第一节流孔，第一节流孔能与进口通道连通，根据调节连通的孔洞数来进行一级减压。位于套筒9下部一段长度的侧壁上周向开设多个第二节流孔，第二节流孔能与出口通道连通，根据调节连通的孔洞数来进行二级减压。为了保证套筒对进出口压力的调节效果，套筒9处于下极限位置时节流面积最大，所有第一节流孔均能与进口通道连通，所有第二节流孔均能与出口通道连通，套筒9中部周向封闭且不开设孔洞，进而实现通过套筒9的上下移动能改变进口和出口的节流面
积。
33.在实际应用时，可以在主阀腔的上部开设环状的进水腔室，进水腔室的一侧与阀体的进水通道相连通，进水腔室的尺寸应当大于套筒9外周尺寸，从而对从进水通道进入套筒中的流体可以起到缓冲暂存的作用；同样的，可以在主阀腔的下部开设环状的出水腔室，出水腔室的一侧与阀体的出水通道相连通，出水腔室的尺寸应当大于套筒9外周尺寸，从而对从套筒中流出的流体可以起到缓冲暂存的作用。
34.阀体6底部固定连接有下阀盖16。下阀盖16开口向下且开口处覆盖固定有柔性的下膜片12，下膜片12顶部与下阀盖16之间设有下调节弹簧11，下调节弹簧11具有轴向预紧力，套筒9底部通过下阀杆10与下膜片12固定连接。下阀盖16底部连接有下端盖13，下端盖13与下膜片12之间形成第二调节腔，第二调节腔通过阀后导管17与出口通道连通。套筒9可以由上阀杆7与下阀杆10 带动上下移动，从而改变套筒上开孔的节流面积，实现两级减压。
35.在实际应用时，下膜片12与下阀杆10可以通过螺母连接，两者的连接处尽量保持密封，防止第二调节腔中的流体经连接处向上溢出。为了进一步保证密封性，可以在上阀杆7与阀体6之间设有上密封填料5，用于隔绝第一调节腔和主阀腔；可以在下阀杆10与阀体6之间设有下密封填料15，用于隔绝第二调节腔和下调节弹簧所在处。上密封填料5和下密封填料15可以采用橡胶、碳纤维、柔性石墨、工程塑料等润滑性较好的材料中的一种或多种。
36.在实际应用时，上阀杆7下端与套筒9螺纹连接，套筒9下端与下阀杆10 螺纹连接，下阀杆10与下膜片12通过螺母连接，下阀杆10与下阀盖16间设有下密封填料15，下阀盖16与阀体6螺栓连接，下阀盖16底部与下调节弹簧11 连接，下调节弹簧11底部与下膜片12连接，下膜片12与下端盖13通过连接螺栓14固定在下阀盖16。
37.如图4所示，根据上述具有前馈-反馈控制功能的自力式多级减压阀的压力调节方法，具体如下：
38.通过转动手轮1来改变上调节弹簧3及下调节弹簧11的预紧力，从而设置套筒的初始开度，达到调节阀后压力初始设定值的目的。
39.当自力式多级减压阀工作时，阀后压力p3作为被控变量，阀后流体由阀后导管17引入下端盖13与下膜片12所构成的第二调节腔内，阀后压力p3作用于下膜片12上，与下调节弹簧11共同带动下阀杆10移动，从而改变套筒9的开度，实现对阀后压力p3进行反馈调节的功能。
40.阀前压力p1波动时会影响阀后压力p3，阀前压力p1对于阀后压力p3的调节过程而言是干扰量。阀前流体由阀前导管8引入阀体6的第一调节腔内，阀前压力p1作用于上膜片4上，与上调节弹簧3共同带动上阀杆7移动，从而改变套筒9的开度，实现对阀前压力p1进行前馈调节的功能。
41.正常工况下，流体经阀前导管8充满第一调节腔，并对上膜片4产生向上的作用力。流体经阀后导管17充满第二调节腔，并对下膜片12产生向上的作用力。上阀杆7、套筒9和下阀杆10构成的驱动机构受力平衡，流体经进口通道进入阀体6的主阀腔，通过套筒9上部的第一节流孔进入套筒9内部，阀前压力p1一级减压为p2。随后流体经套筒9底部的第二节流孔从出口通道流出阀体6的主阀腔，压力p2二级减压为阀后压力p3，实现自力式多级减压阀多级减压的功能。
42.当自力式多级减压阀工作过程中阀前压力p1突然增大(减小)时，原本流体压力与
弹簧作用力所构成的平衡条件被打破，使上阀杆7、下阀杆10和套筒9 所构成的驱动机构受到一个作用方向向上(向下)的合力，带动驱动机构向上(向下)运动，同时上调节弹簧3和下调节弹簧11的压缩量发生改变，提供了一个向下(向上)的作用力，抵消了由于阀前压力p1增大而产生的作用力，此时驱动机构达到一个新的平衡。套筒9的开度与阀前压力p1增大(减小)前的开度相比减小(增大)，及时降低了阀前压力p1增大(减小)对阀后压力p3的影响，实现对阀前压力p1的及时粗调。
43.当自力式多级减压阀工作过程中阀后压力p3突然增大(减小)时，原本流体压力与弹簧作用力所构成的平衡条件被打破，使上阀杆7、下阀杆10和多孔套筒9所构成的驱动机构受到一个作用方向向上(向下)的合力，带动驱动机构向上(向下)运动，同时上调节弹簧3和下调节弹簧11的压缩量发生改变，提供了一个向下(向上)的作用力，抵消了由于阀后压力p3增大而产生的作用力，此时驱动机构达到一个新的平衡。套筒9的开度与阀后压力p3增大(减小)前的开度相比减小(增大)，从而增大(减小)了流阻，维持阀后压力p3的稳定。
44.本发明通过阀门前后介质压力与两膜片及弹簧的作用带动套筒上下移动对阀后压力进行前馈-反馈复合控制，实现对阀后压力的快速调节。除此之外，双阀杆结构使调节过程稳定，且多孔套筒实现了多级减压，提高了自力式减压阀的允许压差。
45.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。