一种气压式快速开关阀的制作方法

本发明涉及一种气压式快速开关阀,尤其是一种风洞压缩空气控制开关阀，属于阀门领域。

背景技术：

亚跨超风洞是速度范围为马赫数0.4＜M≤4.5的高速风洞，典型的亚跨超风洞结构由气源、总阀、快速阀、调压阀、前室、喷管、试验段、出口等组成，如附图6示意。试验时，气源内的压缩空气经过总阀→快速阀→调压阀后进入前室整流，由喷管调整速度，在试验段内试验后由出口排出。另外有一些风洞将快速阀与调压阀的功能整合，由一个快速调压阀实现快速启闭和调压的功能，由于其内容与本发明无关，在此不再赘述。

沿着气流方向，起到隔绝气源与风洞作用的阀门为总阀、快速阀和调压阀。总阀的作用是将气源关闭，防止气源内的气体泄漏，其特点是密封性能好，开关速度慢，开关次数少，一般采用密封性能良好的球阀、截止阀或蝶阀作为总阀，在节假日停产、风洞检修的时候关闭，在风洞的日常试验及准备过程中始终处于打开状态；调压阀的作用是通过调节开度调整前室及喷管前的压力始终相对稳定，从而使气流速度和流场稳定，一般的结构形式为蝶板式、锥桶式、狭缝式等，其特点是密封性能很差或者无密封作用，仅作为开度调节使用；快速阀的作用是在试验开始时快速打开，试验结束时快速关闭，在风洞的日常生产试验过程中始终处于关闭状态，隔绝气源与风洞，是风洞试验使用最频繁的设备之一。快速阀的特点是开关迅速、在意外失电情况下也能够自动关闭。

随着现代先进风洞朝着更高的试验效率和更多的试验次数发展，快速阀的年使用频次已经远远超过了一般的阀门所能承受的年开关次数的极限。以中国航天空气动力技术研究院600mm口径量级的FD06亚跨超风洞为例，1962年建成至2000年左右，每年的吹风次数都远远小于3000次的额定年吹风次数，快速阀工作性能良好稳定，一台快速阀的检修周期可达到8年，使用寿命达到30年；自2000年以后，FD06风洞的吹风次数逐年提高，尤其在2012年至2015年期间，年平均吹风次数达到1.2万次，是额定开关次数的4倍，原有的快速阀的使用寿命和可靠性能大幅度下降，出现了打不开关不住的现象，严重制约了风洞的试验效率。原有的风洞快速阀与本发明的结构形式类似，采用的是液压设计，并且气流方向与本发明相反，即整流锥在前，气流由右侧流向左侧，还有密封结构等都完全不同。经过超强度的反复开启关闭，逐渐暴露出来一些无法解决的问题，比如密封垫磨损后容易被吹出、密封垫必须内衬加强筋、液压管及管接头长期震动漏油、液压震动较大，夏天液压站长期带电温升过快等。经过总结经验，结合风洞试验对快速阀开关迅速、失电快关、反复开关的要求，有针对性地提出了一种气压式的快速开关阀作为风洞快速阀使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种气压式快速开关阀，应用于亚跨超声速风洞作为快速阀使用，适应非常频繁的快速开启关闭工况。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种气压式快速开关阀，包括阀体、气源和气源控制回路；

所述气源用于提供阀体开关所需的气体；

所述气源控制回路用于切换气源气体的流向；

所述阀体包括外壳(1)、前密封组件(2.0)、后密封组件(3.0)、气缸(4.0)、中心轴(5.0)；

外壳(1)包括两端开口的壳体和壳体内部的中段固定的内中心筒，内中心筒筒底具有开口，开口与中心轴(5.0)的后端尺寸匹配，开口与外壳外表面之间设置通气道；

前密封组件(2.0)包括外圈和内圈，外圈与外壳(1)壳体的上游开口端匹配，内圈与外圈固定连接，内圈的开口与中心轴(5.0)的前端尺寸匹配，内圈具有通孔，外圈具有和内圈的通孔相通的通气道，外圈和内圈的前端面作为工作介质入口；

后密封组件(3.0)包括压盘，压盘固定压紧在外壳(1)内中心筒的开口端；

中心轴(5.0)固定在前密封组件(2.0)内圈和外壳(1)内中心筒开口之间；中心轴(5.0)的中部为活塞盘，中心轴(5.0)前端具有第一气孔，中心轴靠近活塞盘前端的位置具有第二气孔，第一气孔与第二气孔之间为中空的气体通道；第一气孔与前密封组件(2.0)内圈的通孔连通；中心轴(5.0)后端具有第三气孔，中心轴靠近活塞盘后端的位置具有第四气孔，第三气孔与第四气孔之间为中空的气体通道；第三气孔和外壳(1)筒底开口连通；

气缸(4.0)包括外套筒(4.21)和气缸内筒(4.22)，所述气缸内筒(4.22)套设在中心轴(5.0)上，并可以沿中心轴(5.0)移动，中心轴(5.0)的活塞盘作为气缸(4.0)的活塞，气缸内筒(4.22)经活塞盘分为前、后气室；当需要关闭阀体时，所述气源控制回路控制气源气体经前密封组件(2.0)的通气道进入中心轴(5.0)第一气孔，经第二气孔进入气缸的前气室，气缸的后气室与大气相通，气缸(4.0)向前移动，外套筒(4.21)的前端压紧前密封组件(2.0)外圈，外套筒(4.21)的后端压紧后密封组件(3.0)压盘，气缸(4.0)的外套筒(4.21)与外壳(1)的内中心筒形成密封结构，工作介质无法通过所述阀体；当需要开启阀体时，所述气源控制回路控制气源气体经外壳(1)的通气道进入中心轴(5.0)第三气孔，经第四气孔进入气缸的后气室，气缸的前气室与大气相通，气缸(4.0)向后移动，工作介质经前密封组件(2.0)进入开关阀，经过前密封组件(2.0)和后密封组件(3.0)之间的空隙、气缸(4.0)的外套筒(4.21)与外壳(1)的内中心筒之间形成的空隙，由外壳(1)壳体后开口端流出开关阀。

优选的，前密封组件(2.0)还包括前密封垫(2.4)，外壳(1)壳体的前端具有环状凸起，前密封组件(2.0)的外圈将前密封垫(2.4)压紧至外壳(1)壳体的前端的环状凸起。

优选的，后密封组件(3.0)包括后密封垫(3.4)，后密封组件(3.0)的压盘将后密封垫(3.4)固定在外壳(1)内中心筒的前端，且密封垫内径小于在中心筒内部直径；气缸(4.0)的外套筒后端具有翻边，当气缸运行至最前端时，外套筒后端的翻边压紧后密封垫(3.4)。

优选的，还包括整流尾锥(6)，设置在外壳(1)中心筒筒底后端，将工作介质导流向外壳(1)壳体后开口端。

优选的，还包括上游管接头(7)和下游管接头(8)，上游管接头(7)连接在前密封组件(2.0)外圈和内圈之间通气道的入口端；下游管接头(8)连接在外壳(1)通气道的出口端。

优选的，所述气源控制回路包括二位四通阀(W1)和密封空气罐(W6)，二位四通阀(W1)处于断电状态时，上游管接头(7)与密封空气罐(W6)连接，下游管接头(8)与大气连接，阀体处于关闭状态；当控制二位四通阀(W2)带电时，上游管接头(7)与大气连接，下游管接头(8)与密封空气罐(W6)连接，阀体开启。

优选的，密封空气罐(W6)的洁净压缩空气来源于风洞中压气。

优选的，气缸(4.0)的包括前气缸盖、后气缸盖和气缸筒；

所述前气缸盖组件包括第一顶丝(4.1)、第一弹簧(4.2)、第一钢珠(4.3)、第一压紧盘(4.5)、前密封环(4.6)、前气缸盖(4.7)、轴套(4.8)、第一节流顶丝(4.9)；前气缸盖(4.7)后段通过轴套(4.8)套装在中心轴(5.0)的前段，前气缸盖(4.7)的前段与中心轴(5.0)之间设置前密封环(4.6)，并通过第一压紧盘(4.5)压紧；前气缸盖(4.7)具有第一竖通孔，第一竖通孔内设置第一顶丝(4.1)、第一弹簧(4.2)和第一钢珠(4.3)，第一顶丝(4.1)通过第一弹簧(4.2)将第一钢珠(4.3)预压在第一竖通孔内，第一竖通孔钢珠所在位置的侧壁上具有第一横通孔；第一轴套(4.8)对应第一竖通孔的位置设置第二竖通孔；当前气室开始进气时，第一轴套(4.8)第二竖通孔正对第二气孔，气源气体经第一气孔、第二气孔、第二竖通孔进入第一竖通孔内，将钢珠(4.3)压向顶丝(4.1)，开启第一横通孔，气体经第一横通孔进入前气室；当气缸移动至第二竖通孔与第二气孔错开的位置，钢珠(4.3)回弹，重新封闭第一横通孔；前气缸盖(4.7)还具有第三竖通孔，第三竖通孔内设置第一节流顶丝(4.9)，第一节流顶丝(4.9)为锥形，调节第一节流顶丝(4.9)插入第三竖通孔的长度，能够改变第三竖通孔内的气道开度；第三竖通孔的侧壁上具有第二横通孔，使得第三竖通孔与前气室相通，当气缸位于最后端时，中心轴活塞盘封闭第二横通孔；第一轴套(4.8)对应第三竖通孔位置设置第四竖通孔，当气缸位于最后端时，第一轴套(4.8)第四竖通孔正对第二气孔；当前气室进气后，气缸向前移动，中心轴活塞盘不再封闭第二横通孔，气源气体经第一气孔与第二气孔之间的气体通道、第四竖通孔、第三竖通孔、第二横通孔进入前气室；当第一轴套(4.8)第四竖通孔与第二气孔错开后，气体不再进入第四竖通孔；排气时，气缸向后移动，当第一轴套(4.8)第四竖通孔与第二气孔相对后，气体经前气室进入第二横通孔，再经第三竖通孔、第四竖通孔进入第二气孔，通过第一气孔排气；

所述后气缸盖与所述前气缸盖组件结构相同，套装在中心轴(5.0)的后段；

所述气缸筒包括外套筒(4.21)、气缸内筒(4.22)和肋(4.23)；所述肋(4.23)用于将外套筒(4.21)和气缸内筒(4.22)之间的固定连接。

优选的，中心轴(5.0)的包括前密封盖(5.1)、前密封环(5.2)、中心轴杆(5.3)和密封环(5.4)、后密封盖(5.6)和后密封环(5.5)；

中心轴杆(5.3)中部为活塞盘，中心轴杆(5.3)前端具有第一气孔，活塞盘前端具有第二气孔，第一气孔与第二气孔之间为中空的气体通道；中心轴杆(5.3)后端具有第三气孔，活塞盘后端具有第四气孔，第三气孔与第四气孔之间为中空的气体通道；前密封盖(5.1)压紧前密封环(5.2)至中心轴杆(5.3)的前端；后密封盖(5.6)压紧后密封环(5.5)至中心轴杆(5.3)的后端。

优选的工作介质和气源均为洁净气体，压力等级为2.5MPa。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明一种气压式快速开关阀，主要的运动部件在油雾润滑的配合下适应反复开启关闭的工况，每年的开启关闭次数1.5万次，检修周期1年，使用寿命10年。具有可靠性高，使用寿命长的优点；

(2)本发明的气压式快速开关阀，设置气源二位四通阀的状态为失电以后自动关闭阀门，保证了即使在意外状况下也能够关闭阀门，安全性高；

(3)本发明的气压式快速开关阀，密封气源采用风洞试验最为常用的洁净中压气(压力等级2.5MPa)，并且当即使密封气有少量泄露等意外情况发生时，气源也能够被迅速补充，具有密封气来源经济便捷的优点；采用气压作为阀门的密封动力来源，即使密封气有少量泄露也不会污染风洞，降低了阀体内部对密封气密封的要求，具有洁净的优点；

(4)本发明的气压式快速开关阀，采用气压作为阀门的密封动力来源，能够满足阀门开启或关闭时间不大于1s的要求，具有动作迅速的优点；

(5)本发明的气压式快速开关阀，气缸内部设置的缓冲装置既能够保证动作迅速又可有效防止气缸与活塞的撞击，具有运行平稳可靠的优点；

(6)本发明的气压式快速开关阀，气缸的外套筒只承受工作介质的径向力而不承受轴向力，从而可以大大降低开关阀门所需的能量，具有密封气压力要求低的优点。

(7)本发明的前、后密封垫基本只受到正压力，在结构上又被压紧盘与外壳紧紧包裹住，消除了密封圈容易被气流吹走的故障隐患，增加了密封垫的耐用性。

附图说明

图1为本发明的总体组成及阀体结构示意图，阀门处于关闭状态；

图2为阀门全开状态下的阀体结构示意图；

图3为前密封组件部位在阀门开启或关闭瞬间气流的流向示意图,实线部分为前密封组件；

图4为后密封组件部位在阀门开启或关闭瞬间气流的流向示意图,实线部分为后密封组件；

图5为气缸与中心轴的结构示意图，图示为阀门关闭状态；

图6为典型的下吹暂冲式亚跨超风洞的结构组成示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种气压式快速开关阀，如附图1示意，包括阀体和气源两大部分，上半部分虚线框内的结构表示阀体，下半部分虚线框内的结构表示气源，附图1表示的为阀门关闭状态，附图2表示的为阀门打开状态。其中阀体的特征包括外壳(1)、前密封组件(2.0)、后密封组件(3.0)、气缸(4.0)、中心轴(5.0)、整流尾锥(6)、管咀(7，8)等；气源的特征包括二位四通阀(W1)、油雾器(W2)、单向阀(W3)、截止阀(W4)、减压阀(W5)、密封空气罐(W6)、安全阀(W7)、压力表(W8)、油气分离器(W9)等。当二位四通阀(W1)处于断电状态时，上游管接头(7)与密封空气罐(W6)连接，下游管接头(8)与大气连接，气缸(4.0)的左侧带压右侧无压，气缸(4.0)压紧前密封组件(2.0)与后密封组件(3.0)，阀门处于关闭状态；反之，当控制二位四通阀(W2)带电时，如附图2示意，气缸(4.0)的右侧带压左侧无压，气缸(4.0)移动至右侧，阀门处于打开状态，工作介质通过气缸(4.0)外部与外壳(1)之间的空腔由左侧流向右侧。密封空气罐(W6)的洁净压缩空气来源于风洞中压气，管道及连接形式图中省略。

设置的二位四通阀(W2)的特点在断电状态下关闭阀门，从而保证了即使是在意外失电的故障情况下，阀门也能快速关闭，保证了风洞试验的安全性。

气缸(4.0)与中心轴(5.0)共同组成了气缸-活塞结构，依靠密封空气罐(W6)内的压缩空气驱动气缸(4.0)运动，压紧前后密封组件(2.0，3.0)实现密封。

如附图3示意，前密封组件(2.0)的特征包括紧固螺栓(2.1)、止动垫圈(2.2)、前压紧盘(2.3)、前密封垫(2.4)。前压紧盘(2.3)是有一个内部中空轮辐的轮毂形状的盘状物，前密封垫(2.4)是硬度适中的耐油橡胶制品，紧固螺栓(2.1)压紧前压紧盘(2.3)和前密封垫(2.4)，固定在外壳(1)上，止动垫圈(2.2)防止紧固螺栓(2.1)松动。

如附图4示意，后密封组件(3.0)的特征包括紧固螺栓(3.1)、止动垫圈(3.2)、后压紧盘(3.3)、后密封垫(3.4)。后压紧盘(3.3)是带凹槽的法兰形状的压板，后密封垫(3.4)是硬度适中的耐油橡胶制品，紧固螺栓(3.1)压紧后压紧盘(3.3)和后密封垫(3.4)，固定在外壳(1)上，止动垫圈(3.2)防止紧固螺栓(3.1)松动。

如附图5示意，气缸(4.0)的包括前气缸盖、后气缸盖和气缸筒；前气缸盖(4.1～4.9)由顶丝(4.1)、弹簧(4.2)、钢珠(4.3)、紧固螺栓(4.4)、压紧盘(4.5)、密封环(4.6)、前气缸盖(4.7)、轴套(4.8)、节流顶丝(4.9)组成；后气缸盖(4.11～4.19)由顶丝(4.11)、弹簧(4.12)、钢珠(4.13)、紧固螺栓(4.14)、压紧盘(4.15)、密封环(4.16)、前气缸盖(4.17)、轴套(4.18)、节流顶丝(4.19)组成；气缸筒由外套筒(4.21)、气缸内筒(4.22)、肋(4.23)组成。整体铸造或焊接组成的气缸筒(4.21～4.23)，以及前密封垫片(4.10)和后密封垫片(4.20)。附图中未完整表达的特征还包括前气缸盖(4.1～4.9)以及后气缸盖(4.11～4.19)与气缸内筒(4.22)的连接依靠螺栓(未示出)拧紧，依靠止动垫圈(未示出)防止螺栓松动。附图中未完整表达的特征还包括外套筒(4.21)与外壳(1)之间依靠平键连接，限定了气缸(4.0)不具有滚转方向的自由度。

如附图1和附图5示意，中心轴(5.0)的特征包括前密封盖(5.1)和前密封环(5.2)、中心轴杆(5.3)和密封环(5.4)、后密封盖(5.6)和后密封环(5.5)。中心轴杆(5.3)为其活塞形状的中段封闭两端中空的空心轴，前侧的空腔依靠前密封盖(5.1)和前密封环(5.2)密封，后侧的空腔依靠后密封盖(5.6)和后密封环(5.5)密封。中心轴杆(5.3)水平架设在外壳(1)的中心孔与前压紧盘(2.3)之间，与气缸内筒(4.22)的内壁面采用密封环(5.4)密封，前侧的内部空腔通过前压盘(2.3)的内部空腔与上游管接头(7)连接，后侧的内部空腔通过外壳(1)的内部空腔与下游管接头(8)连接。

如图1、图2示意，由于气缸(4.0)的外套筒(4.21)只承受工作介质的径向力而不承受轴向力，从而可以大大降低开关阀门所需的能量，密封气的压力可降至2MPa，使用风洞中压气就可以作为密封气来源。

阀门内工作介质的流向是从左向右，在阀门开启或即将关闭的瞬间，如附图3所示，此时气流作用于前密封垫(2.4)的力大体可视为正压力，从结构上看前密封垫(2.4)又被前压紧盘(2.3)与外壳(1)紧紧包裹住，所以前密封垫(2.4)不容易被气流吹出；同理，如附图4所示，后密封垫(3.4)的气体作用力大体可视为正压力，在结构上又被后压紧盘(3.3)与外壳(1)紧紧包裹住，所以后密封垫(3.4)也不容易被气流吹出。同时前后密封垫(2.4，3.4)本体的刚度可大大降低，充分发挥橡胶材质的优良回弹性能。这种结构设计整体地提高了密封垫(2.4，3.4)的使用寿命。

气缸(4.0)前后的两个轴套(4.8，4.18)采用了黄铜内镶聚四氟乙烯的无油润滑材料，气缸(4.0)与中心轴(5.0)的运动副之间采用了适宜频繁往复运动的动密封装置：如密封环(4.6、4.16)采用了V型密封圈，密封环(5.4)采用了O型密封圈，再配合密封气的油雾润滑作用，运动部件能够承受频繁开启关闭的工况。

气缸(4.0)的前后缸盖内部分别设置了缓冲装置，使气缸(4.0)的加减速过程更加平稳，并且加速过程快，为一级加速缓冲；减速过程慢，为二级减速缓冲。如附图5，以图示右侧的气缸室排气，左侧的气缸室充气示例，右侧气缸室的正常排气过程是从中心轴杆(5.3)上的上下两个大孔直接排出，当气缸(4.0)向左运动到终端之前的一端距离时，中心轴杆(5.3)上的大孔被封堵，气体被迫从后气缸盖(4.17)上部的小孔流入大孔，而下部的小孔在顶丝(4.11)、弹簧(4.12)、钢珠(4.13)的作用下成为单向阀，气体不能流出，形成一级减速缓冲；当气缸(4.0)继续向左运动马上撞击终端之前，后气缸盖(4.17)上部小孔的气流艰难地从缝隙之间，形成二级减速缓冲。同理，以图示右侧的气缸室充气，左侧的气缸室排气示例，中心轴杆(5.3)上大孔的气体从后气缸盖(4.17)的上下两个小孔同时进入，形成一级缓冲加速，当气缸盖(4.17)向右运动到大孔不再被封闭时，气体直接从大孔进入右气缸室，形成正常加速。设置的缓冲装置，运动部件的运动速度虽快，但是加减速过程平稳，提高了运动部件承受频繁开启关闭工况的能力。

本发明采用气压为动力源，驱动阀体内的气缸带动外套筒运动，当运动至前端时，外套筒压紧前后两道密封垫片实现阀门关闭；当运动至后端时外套筒与密封垫片分离实现阀门开启。动力源采用风洞试验最为常用的洁净中压气(压力等级2MPa)，来源经济便捷；气源的组成零件采用常用的外购件，易于更换维护；设置气源二位四通阀的状态为失电以后自动关闭阀门，保证了即使在意外状况下也能够保证风洞安全；阀体内的气体流动方向使得密封垫处于背风状态，防止受到管道气的反复吹动损坏，结构上也有利于发挥密封垫橡胶的良好回弹作用，从而提高密封垫的使用寿命；气缸的轴套采用以黄铜为基础内镶聚四氟乙烯塑料的无油润滑材料，气缸与轴的动密封采用V型密封圈，气缸与活塞的动密封采用O型圈，再配合气源的油雾润滑，可有效提高活塞与气缸的使用寿命。

本发明的气压式快速开关阀，主要应用于亚跨超声速风洞作为快速阀使用，适应非常频繁的快速开启关闭工况，具体适用范围为：气源为洁净压缩空气，压力等级2.5MPa；阀体公称直径DN200～DN2600，适应的工作介质为洁净压缩空气，压力等级2.5MPa，阀门开启或关闭时间不大于1s；每年的开启关闭次数1.5万次；检修周期1年，使用寿命10年。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。