专利名称：一种压差控制阀及使用该阀的反重力铸造压力控制方法
技术领域：
本发明属于流体压力调节阀领域，是一种压差控制阀及使用该阀的反重力铸造压力 控制方法。二、 背景技术膜片式调节阀是一种流体流量及压力控制中常用的阀门结构。在现有调节阀中通常 使用一个膜片或活塞结构接受控制端施加的压力，并在压力控制下驱动阀芯在阀体内的 动作，实现阀门的开闭并进而实现阀门开度的控制。如专利文件ZL02274971.3提出的一 种压力铸造用薄膜调节阀，通过接受来自于闭环反馈系统的控制信号并进而实现膜片的 」二下移动并带动阀芯动作获得不同的阀门开度。这种薄膜调节阀已经在多个行业中得到 应用，其缺点在于需要一个闭环反馈系统向其输入压力信号，因而难以直接实现压差的 反馈和控制，也难于直接实现阔门开启压差阈值的预设。使用现有调节阀进行压力或流量控制时，由于其仅接受一路压力的输入作用，因而 通常只能实现单路压力或流量的控制。对于某些需要在两个流体回路之间控制一定压差 的使用场合，则需要使用前级传感装置对压差数值进行检测，进而调整调节阀的输入压 力，控制不同的调节阀开度，功能实现较为复杂。利用专利文件ZL01807958.X所提出的一种自动调节阀，可以通过判断两路压力的大 小并进而控制阀门的通断，但这种阀门仅仅是比较两路压力的大小而非压差的数值，难 以实现阀门开启压差的调整，同时使用这种阀门也不能实现高精度的流量控制。使用自力式压差控制阀也可以实现压差的控制，但压差值的调整不便，同时自力式 压差控制阀多用于精确度要求不高且响应速度较快的场合，对于被控对象响应滞后明显 的场合并不适合。如对于国防专利申报文件200410029119.8所述及的一种反重力铸造压力控制系统来 说，需要在控制中实现反重力铸造机上F压室压力的控制并在其间建立一定大小的压差， 以驱动金属液在可控的压差条件下完成充型和凝固。在压差控制的过程中，要求上下压 室的压差能够稳定的控制在某限值以内，从而避免上下压室压差过大导致铸型破坏或充 型失败。在这一例子中使用现有膜片式调节阀会导致气路构造复杂，如现有技术中使用 了四个调节阀来实现两个压室的压力控制并进而实现一定的压差，控制难度较大，当系 统控制特性不良时可能出现明显的超调现象，从而导致压差超限并造成事故。而使用现 有压差控制阀难于实现便利的压差调节，同时铸造压室压力对气路压力的明显滞后也使 得现有的压差控制阀难于应用。 三、发明内容针对现有膜片式调节阀仅能通过检测单路压力并进而控制单路流量或压力，同时难 以直接实现可调压差控制的问题，本发明提出了一种压差控制阀及其在反重力铸造压力 控制中的使用方法。本发明中的压差控制装置包括压差阈值调整器、压差比较器和调节阀。压差阈值调 整器由调节手柄和弹簧构成，通过调节手柄对弹簧一端施加预紧力，以实现可调的预设 阀门开启阈值。压差比较器是由上膜室盖、膜片和下膜室盖构成的空腔壳体，膜片位于 膜室中间，其外侧与上膜室盖和下膜室盖固定连接在一起，形成上膜室与下膜室两个相 互隔离的腔体；上膜室盖和下膜室盖上有测压口；膜片的中心有阀杆通孔。压差调节阀 由阀杆、阀盖、阀体、阀芯构成，倒三角形的阀芯被吊装在阀杆的端头，置于阀盖和阀 体内部，并穿过压差比较器中的膜片与弹簧另一端连接；同时阀杆穿透膜片中心通孔时 与膜片固定连接，同时确保上膜室与下膜室之间的密封。本发明中，调节阀中阀芯的运动由膜片接受到的压差和弹簧预紧力共同驱动当通 过压差阈值调整器预设阀门开启阈值，使阀杆产生向下的力，若此时膜片室无压差，则 膜片在阀杆的带动下，产生变形向下运动，使位于阀杆端头的阀芯向下运动，将阀体封 闭，使调节阀进入关闭状态；若上膜室和下膜室的压差值足以抵消弹簧的作用力时，压 差控制阀进入开启状态，同时可根据测得压差与预设阈值之间的偏差大小自动实现阀门 开度的控制，阀门的开度取决于偏差的大小以及弹簧、膜片结构的弹性模量，从而实现 流体流量和压差的有效控制。在本发明中，还提出了一种使用上述压差控制阔的反重力铸造压力控制方法。实现 此控制方法的装置连接方式是将压力主控阀连接于高压气罐和主机下压室之间，将压 差控制阀连接于高压气罐和主机上压室之间，并将反重力铸造主机的上、下压室通过管 路分别与压差控制阀中的上、下测压口连接，通过压力主控阀控制反重力铸造主机下压 室的压力，通过上述的压差控制阀检测反重力铸造主机两压室之间的压差，依据两压室 压差与设定阈值的比较结果控制气体进入另一压室的流量，将上下压室的压差控制在适 当的范围之内。具体控制过程是首先根据铸件尺寸、合金种类以及充型凝固过程的要求，参照附图3的形式，按减 压操作、差压充型、加压凝固、卸除压力四个环节设计反重力铸造压力控制目标曲线；将压差控制器的开启阈值设置在所控制的最大压差，即当上下压室压差小于所需的 最大压差时，压差控制阀关闭，当上下压室压差大于等于所需的最大压差时，压差控制
阀开启；将低压气罐的压力设置在低于预设压室最低压力的水平，将高压气罐的压力设 置在高于预设压室最高压力的水平；在减压操作阶段，关闭压力主控阀，打开互通阀、上压室排气阀及下压室排气阀， 卸除上压室和下压室的压力至预设的压室最低压力，在此期间下压室压力与上压室压力 相等，压差控制阀关闭，上下压室同步完成减压操作；在差压充型阶段，关闭互通阀和上压室下压室排气阀，打开压力主控阀将高压气体 导入下压室，使下压室压力上升并在上下压室之间形成充型压差，在此期间下压室压力 与上压室压力之差值小于所控制的最大压差，压差控制阀关闭，上压室压力保持不变；在差压充型阶段，继续关闭互通阀和上压室下压室排气阀，打开压力主控阀将高压 气体导入下压室，使下压室压力上升至设定的压室最高压力并维持若上下压室压差升 高，当其大于所控制的最大压差时，压差控制阀开启，气体进入上压室使其压力升高， 使上下压室压差减小；当上下压室压差小于所控制的最大压差时，压差控制阀关闭，使 上下压室压差增大；在压差控制阀动作的过程中，即可将上下压室压差维持在接近于所 控制最大压差的水平；在卸除压力阶段，关闭压力主控阀，打开互通阀和上压室下压室排气阀，将上下压 室内的气体同步卸除到低压气罐，使其压力降低到常压；在此期间上下压室压差小于所 控制的最大压差，故压差控制阀关闭，上下压室同步完成卸压操作。使用本发明提供的开启阈值可调的压差控制阀能方便地调整阀门开启阈值，并根据 一个位置与另一个位置之间的压差大小与设定压差阈值的偏差自动关闭或打丌，并能根 据偏差数值控制阀门的开度，实现压差的有效控制。将此压差控制阀应用于反重力压力 控制系统中时，可显著降低气路的复杂性和控制的实施难度，可有效简化气路，将反重 力铸造的上下压室压差控制在适当的范围之内，具有运行成本低，结构简单，可靠高的 特点。四
附图1是压差控制阀的结构示意图；附图2是具有上述压差控制阀门的反重力铸造压力控制装置结构图；附图3是反重力铸造压力控制装置需实现的压力曲线图。其中2.调节螺孔 3.调节螺杆 4.上托盘7.上测压口 8.上膜室盖 9.膜片12.支撑体 13.阀杆 14.阀盖17.下压室 18.坩埚 19.升液管1. 6.调节手柄 下托盘 11.下测压口 16.阀芯10.下膜室盖 15.阀体 20.铸型 21.上压室 22.低压气罐23.压力表24.上压室排气阀25.下压室排气阀 26.互通阀 27.压力主控阔 28.压差控制阀29.压力表30.高压气罐 五具体实施例方式下面将参照附图详细描述本发明实施过程。 实施例一本实施例是一种开启阈值可调的压差控制阀，包括压差阈值调整器、压差比较器、 调节阀。压差阈值调整器包括调节手柄l、调节螺杆3、弹簧5、弹簧托盘4和6、支撑体12。 支撑体12为框架结构，框架上部有调节螺孔2，调节螺杆3穿过该螺孔，两端分别与调 节手柄1和弹簧上托盘4连接。压差比较器的膜片室包括上膜室盖8、下膜室盖10和膜片9，由上膜室盖、膜片和 下膜室盖构成的空腔壳体，膜片位于膜室中间，其外侧通过螺栓夹紧固定在上膜室盖和 下膜室之间，并密闭形成封闭的上膜室和下膜室；上膜室盖和下膜室盖上有测压口；膜 片的中心有阀杆通孔。压差调节阀由阔杆13、阀盖14、阀体15和阀芯16构成，阀体分为上阀室和下阀室， 中间有隔板，该隔板中心部位有截面呈倒梯形的开孔；阀杆13贯穿阀体15和膜室，-端与弹簧下托盘6连接，另一端位于阀体内；倒梯形的阀芯被吊装在阀杆的端头，其外形与隔板开孔外形一致，两者间可紧密闭合。本实施例的安装方式如下将阀芯16通过螺纹与阀杆13连接，置于阀体15内，盖 上阀盖14并以螺栓紧固，以垫圈密封其安装间隙；在阔盖14上以螺栓安装支撑体12， 降下膜室盖10以螺栓安装于支撑体12上，阀杆13经由支撑体12及下膜室盖10上的通 孔进入膜室，并通过螺帽以及阀杆上的螺纹与膜片9固定夹紧实现联动；阀杆13经由上 膜室盖8伸出膜室；上膜室盖8、膜片9、下膜室盖IO通过螺栓在边缘处紧固并密闭形 成封闭的膜室；阀杆13上端通过螺纹与簧片下托盘6紧固，簧片下托盘6上连接弹簧5， 弹簧5上端与簧片上托盘连接；在支撑体螺口 2处旋入调节螺杆3，调节螺杆3下端通过 螺纹与簧片上托盘4紧固，调节螺杆3上端通过螺纹与调节手柄1紧固；在阀杆13与阀 盖14、下膜室盖10、上膜室盖8贴合的位置以填料密封，防止流体泄漏；阀芯16的外 形与阀体15上对应的阀孔完全一致，以保证阀门关闭时阀芯16与阀体15密实防止流体 泄漏。为描述阀门的动作方式，将上测压嘴7处测得的流体压力记为P1，也即膜片上表面 承受的压力数值；下测压嘴11处测得的流体压力记为P2，也即膜片下表面承受的压力 数值。
当弹簧5处于压縮状态时，记弹簧预紧压力为F，弹簧弹性模量为k，膜片面积为A， 上述装置在使用过程中的动作原理是当PI > P2 - F/A时，阀杆13在上下膜室810的压差及弹簧5压力的作用下并不提升， 阀芯16与阀体15保持密封状态，流体不能通过阀流动；当Pl《P2 - F/A时，阀杆13在上下膜室810的压差作用下克服弹簧5的压力向上运 动，阀芯16与阀体15之间出现缝隙，流体开始通过阀流动，同时阀芯16升起的高度h 与实际压差和设定压差的偏差大小相关，其表达式为hKP2-PlfA/k-F/k，从而实现不同 的阀门开度，实现不同的流体流量。上述装置的开启阈值由预紧压力F和膜片面积A的比值给定，而压差响应特性则与 膜片面积A和弹簧弹性模量k的比值相关。同样，当弹簧5处于拉伸状态时，记弹簧预紧拉力为F，弹簧弹性模量为k，膜片面 积为A，上述装置在使用过程中的动作原理是当PI > P2 + F/A时，阀杆13在上下膜室810的压差及弹簧5压力的作用下并不提 升，阀芯16与阀体15保持密封状态，流体不能通过阀流动；当Pl S P2 + F/A时，阀杆13在上下膜室810的压差作用下克服弹簧5的拉力向上 运动，阀芯16与阀体15之间出现缝隙，流体开始通过阀流动，同时阀芯16升起的高度 h与实际压差和设定压差的偏差大小相关，其表达式为hKP2-PlfA/k + F/k，从而实现不 同的阀门开度。上述装置的开启阈值由预紧拉力F和膜片面积A的比值给定，而压差响应特性则与 膜片面积A和弹簧弹性模量k的比值相关。实施例二本实施例是一种基于实施例一所描述的压差控制阀28的反重力铸造压力控制方法。 将压差控制阀28应用于反重力铸造控制装置，该装置还包括上压室21、下压室17、埘 埚18、铸型20、升液管19;压力控制系统包括低压气罐22、高压气罐30、压力主控阀 27、压差控制阀28、上压室排气阀24、下压室排气阀25、互通阀26、压力表23及29。反重力铸造控制装置的连接方式是上压室21与下压室17之间以隔板隔开，分别 形成封闭的空间；将盛有金属液的坩埚18置于下压室17，将铸型20置于隔板之上、上 压室21之内，升液管19下端没入金属液，上端穿过隔板与铸型20浇口对接；下压室17 分别与压力主控阀27和下压室排气阀25的一端连接，同时下压室17还与互通阀26的 一端连接；上压室21分别与压差控制阀28和上压室排气阀24的一端连接，同时上压室 21也与互通阀26的另一端连接;压力主控阀27和压差主控阀28的另一端均与高压气罐 30的出口连接，上压室排气阀24和下压室排气阀25的另一端均与低压气罐22的出口连 接；由下压室17取得的气体压力经由压力传送管分别接入下压室压力表29和压差控制 阀28的下测压端；由上压室21取得的气体压力经由压力传送管分别接入上压室压力表 23和压差控制阀28的上测压端。本实施例需实现如附图三所示的压力控制目标曲线，Pl为下压室压力，P2为上压 室压力，AP为所需实现的上下压室压差。主要的功能是，首先在tl时间内将上下压室压 力同步降低到低压条件下的p5并保持到时间t2，以充分去除金属液及铸型内的气体和水 分，在时间t2 t3区间在上下压室之间建立压差p3驱动金属液沿升液管上升进入铸型完 成充型，然后迅速对上下压室同步加压，使下压室压力在时间t3 t4区间升高到pl，同 时上下压室之间保持压差p3并维持到时间t5使金属液在压力条件下完成凝固，最后降 低上下压室压力到常压，以便取出铸件。可见图中压力值之间有以下关系p4 - p5 = pl - p2 = p3本实施例中，基于压差控制阀的反重力铸造压力控制方法是，通过一个压力主控阀 控制下压室的压力、通过使用压差控制阀依据预设的压差阈值控制上压室的压力，从而 将两路流体之间的压差控制在适当的水平，实现金属液充型和加压凝固的控制。为完成上述控制方法，首先将压差控制器28的开启阈值设置在AP的最大值p3，即 当P1-P2〈p3时，压差控制阀关闭，当P1-P22p3时，压差控制阀开启；将低压气罐 22的压力设置在低于p5的水平，将高压气罐30的压力设置在高于pl的水平。在时间区间0 t2，关闭压力主控阀27，打开互通阀26和上下压室排气阀23、 24， 将上下压室压力同步卸除到低压气罐22，使P1、 P2降低到p5并维持到时间t2，在此期 间下压室压力P1与上压室压力P2相等，故压差控制阀28关闭，上下压室同步完成减压 操作。在时间区间t2 t3，关闭互通阀26和上下压室排气阀23、 24，打开压力主控阀27 将高压气罐30中的气体导入下压室17，使下压室压力Pl沿曲线上升至p4。在此期间下 压室压力P1与上压室压力P2之差值小于p3，作用在膜片上下表面的气体压力不足以抵 消弹簧5的压力，阀杆13并不提升，阀芯16与阀体15保持密封状态，故压差控制阀28 关闭，上压室压力保持不变。在时间区间t3 t5，继续关闭互通阀26和上下压室排气阀23、 24，打开压力主控阀 27将高压气罐30中的气体导入下压室17，使下压室压力Pl沿曲线上升至pl并维持。 在此期间，若下压室压力P1与上压室压力P2之差值升高，当其大于p3时，作用在膜片 上下表面的气体压力足以抵消弹簧5的压力，阀杆13提升，阀芯16与阀体15之间出现
缝隙，压差控制阀28开启，上压室21进气P2升高，使下压室压力Pl与上压室压力P2 之差值减小；当下压室压力Pl与上压室压力P2之差值小于p3时，作用在膜片上下表面 的气体压力不足以抵消弹簧5的压力，阀杆13并不提升，阀芯16与阀体15保持密封状 态，故压差控制阀28关闭，使下压室压力P1与上压室压力P2之差值增大；在压差控制 阀28动作的过程中，即可将上下压室压差维持在接近于p3的水平。
在时间区间t5 t6，关闭压力主控阀27，打开互通阀26和上下压室排气阀23、 24， 将上下压室压力同步卸除到低压气罐22，使P1、 P2降低到0。在此期间下压室压力P1 与上压室压力P2之差值小于p3，故压差控制阀28关闭，上下压室同步完成卸压操作。
权利要求
1.一种压差控制阀，包括压差阈值调整器、压差比较器和调节阀，其特征在于a.压差阈值调整器由调节手柄(1)、调节螺杆(3)、支撑体(12)和弹簧(5)构成，调节手柄(1)与调节螺杆(3)固定连接，调节螺杆(3)通过调节螺孔(2)与支撑体(12)连接，调节螺杆(3)另一端与弹簧(5)连接，并且支撑体(12)与压差比较器外壳和调节阀体(15)固定连接；b.压差比较器由上膜室盖(8)、膜片(9)、下膜室盖(10)构成，上膜室盖(8)和下膜室盖(10)上分别有测压口(7)、(11)，上膜室盖(8)和下膜室盖(10)中心有阀杆通孔；膜片(9)外沿分别固定在上膜室盖(8)和下膜室盖(10)之间；膜片中心有阀杆通孔，并将膜片(9)与阀杆(13)固定连接；c.调节阀由阀杆(13)、阀盖(14)、阀体(15)、阀芯(16)构成，阀杆(13)穿过上膜室盖(8)与下膜室盖(10)构成的膜室，一端与弹簧(5)连接，另一端吊装阀芯(16)置于阀体(15)内。
2. 如权利要求1所述压差控制阀，其特征还在于阀杆(13)与上膜室盖(8)、下 膜室盖(IO)、阀盖(14)结合的位置用填料密封。
3. —种具有权利要求1所述控制阀的反重力铸造控制装置，包括上压室(21)、 下压室(17)、坩埚(1S)、铸型(20)、升液管(19)、气罐(22、 30)、压力主控阀(27)、 压差控制阀(28)、上压室排气斷24)、下压室排气阀(25)、互通阀(26)、压力表(23、 29)，其特征在于将压力主控阀连接于高压气罐和主机下压室之间，将压差控制 阀连接于高压气罐和主机上压室之间，并将反重力铸造主机的上、下压室通过管 路分别与压差控制阀中的上、下测压口连接。
4. 一种基于权利要求1和3所述反重力铸造压力控制方法，其特征在于使 用压力主控阀(27)控制反重力铸造主机下压室的压力，使用压差控制阀(28) 检测反重力铸造主机上压室(21)和下压室(17)之间的压差，依据两压室压差 与设定阈值的比较结果控制气体进入另-一压室的流量，将上下压室的压差控制在 适当的范围之内，具体控制过程是 根据铸件尺寸、合金种类以及充型凝固过程的要求设计反重力铸造压力控制 目标曲线；将压差控制器的开启阈值设置在所控制的最大压差；将低压气罐的压力设置 在低于预设压室最低压力的水平，将高压气罐的压力设置在高于预设压室最高压 力的水平；关闭压力主控阀，打开互通阀、上压室排气阀及下压室排气阀，卸除上压室 和下压室的压力至预设压力，上下压室同步完成减压操作；关闭互通阀和上压室下压室排气阀，打开压力主控阀将高压气体导入下压 室，使下压室压力上升并在上下压室之间形成充型压差；继续关闭互通阀和上压室下压室排气阔，打开压力主控阀将高压气体导入下 压室，使下压室压力上升至设定压力并维持，压差控制阀根据上下压室压差开启 或关闭，将上下压室压差维持在设定的水平；关闭压力主控阀，打开互通阀和上压室下压室排气阀，将上下压室内的气体 同步卸除到低压气罐，使其压力降低到常压。
全文摘要
本发明是一种压差控制阀及使用该阀的反重力铸造压力控制方法。压差控制阀(28)的阈值调整器通过调节手柄(1)对弹簧(5)一端施加预紧力，以实现可调的预设阀门开启阈值。压差比较器通过膜片(9)根据测得压差与预设阈值之间的偏差大小，自动实现阀门开度的控制，从而实现流体流量和压差的有效控制。将该压差控制阀(28)与压力主控阀(27)共同用于反重力铸造机的压力控制系统中，通过反重力铸造主机上下压室(21、17)之间的压差与设定阈值的比较，实现压差的有效控制。本发明可显著降低气路的复杂性和控制的实施难度，可有效简化气路，将反重力铸造的上下压室压差控制在适当的范围之内，具有运行成本低，结构简单，可靠高的特点。
文档编号B22D17/32GK101116905SQ20061010441
公开日2008年2月6日 申请日期2006年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者鑫 林, 猛 王, 黄卫东 申请人:西北工业大学