一种大流量三级先导式电磁阀的制作方法

本发明属于电磁控制阀技术，具体涉及一种大流量三级先导式电磁阀，可作为液体火箭发动机、卫星在轨执行动力系统、地面试验系统的高压介质的大流量快响应控制阀，实现对介质通路的通断及密封控制。

背景技术：

随着航天装备转型升级，动力系统战术技术指标不断提升，对发动机的响应性能水平要求日益增高，大流量快响应控制阀技术成为制约装备性能提升的关键技术。在某液体喷射系统中，提出了流量5kg/s(流阻要求小于0.3mpa)、响应时间不大于40ms的大通径快响应控制阀研制要求，同时要求结构尺寸及重量要尽可能的小；然而，现有的电磁先导气动控制阀主要采用两级阀门结构方案，受电磁铁结构及响应速度限制，进排气通道直径偏小。主阀采用气动控制结构，由于通径及行程偏大，控制气腔的初始容积及运动至打开位置的终了容积偏大，电磁导阀动作后受进、排气通道限制，主阀芯打开、关闭响应速度偏慢，即在大流量、小流阻的情况下皆存在压力负载过大、响应速度较慢的问题，难以满足系统指标要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有阀门在大流量、小流阻的情况下皆存在压力负载过大、响应速度较慢，无法满足系统指标要求的不足之处，提供了一种大流量三级先导式电磁阀，是一种打开及关闭均卸荷的双向卸荷阀门结构，可消除压力负载的影响，同时，采用两级导阀控制一级主阀的三级阀门集成设计结构，实现控制气的快速充填及排放，使大通径阀门实现小型化及快响应设计。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种大流量三级先导式电磁阀，其特殊之处在于，包括一级电磁导阀、二级气控导阀以及三级控制主阀；

所述三级控制主阀包括主阀体、主阀芯以及主阀弹簧；

所述主阀芯密封设置在主阀体内，并在主阀体间形成两个独立的气腔，分别是开气腔和主阀弹簧安装腔；开气腔可确保控制气与介质完全隔离；所述主阀体上开设有介质入口和介质出口；所述主阀弹簧设置在弹簧安装腔内，为主阀芯提供关闭力，使介质入口与介质出口阻断；

所述一级电磁导阀通过通断电控制二级气控导阀的气路通断，所述二级气控导阀用于控制所述开气腔的充气与排气，为主阀芯提供打开力。

两级导阀的采用使得进排气流道通流面积的放大(即排气流道直径的放大)，提高了控制气的充气速度和排气速度，促进控制主阀开气腔快速充填建压和快速放气泄压，加速控制主阀打开力及关闭力的形成，提高三级控制主阀的打开、关闭响应速度，实现了大通径控制主阀的快响应设计。

进一步地，所述二级气控导阀为两位三通阀门，包括气控导阀阀体、气控导阀阀芯以及气控导阀弹簧；

所述气控导阀阀体上设置有进气口、出气口和排气口；其中，出气口与排气口及三级控制主阀的开气腔均连通；

所述气控导阀阀芯密封设置在气控导阀阀体内，并与气控导阀阀体形成控制腔；

所述气控导阀弹簧位于气控导阀阀体与气控导阀阀芯之间，用于为气控导阀阀芯提供关闭力，使气控导阀阀芯与进气口端形成密封副；

所述一级电磁导阀用于控制所述控制腔的充气与排气，为气控导阀阀芯提供打开力。

进一步地，所述一级电磁导阀为两位三通电磁阀，包括电磁导阀阀体、电磁导阀阀芯、电磁导阀弹簧以及线圈；

电磁导阀阀体上设置有控制气入口、控制气出口以及控制气排气口，其中，控制气出口与二级气控导阀的控制腔连通；电磁导阀阀体的侧壁内缠绕线圈；

电磁导阀阀芯位于电磁导阀阀体内，并与电磁导阀阀体相适配，电磁导阀阀芯上开设有用于连通控制气出口和控制气排气口的气流通道；

电磁导阀阀芯靠近控制气排气口的端部与电磁导阀阀体之间设置电磁导阀弹簧，为电磁导阀阀芯提供关闭力，使电磁导阀阀芯与控制气入口端形成密封副；

线圈通电为电磁导阀阀芯提供打开力，使电磁导阀阀芯与控制气排气口端形成密封副，控制气经控制气出口进入二级气控导阀的控制腔，为气控导阀阀芯提供打开力，使气控导阀阀芯与排气口端形成密封副，进而，控制气经进气口(该进气口与控制气入口连通)进入气控导阀阀体内并经出气口进入三级控制主阀的开气腔内，为主阀芯提供打开力；即，一级电磁导阀采用线圈电磁吸力驱动的两位三通阀门，通过通断电控制一级电磁导阀的气路开关及换向；线圈通电，线圈与电磁导阀阀芯之间产生电磁吸力，驱动阀芯打开，此时，控制气入口端打开、控制气排气口端关闭，实现对二级气控导阀控制腔的充气建压功能；线圈断电，电磁导阀阀芯在电磁导阀弹簧的作用力下处于关闭状态，此时，控制气入口端关闭、控制气排气口端打开，实现对二级气控导阀控制腔的开气腔的排气泄压功能。二级气控导阀采用气动控制的两位三通阀门，通过一级电磁导阀的通断电及换向控制二级气控导阀主路气路的通断及换向，进气口端打开时排气口端关闭，控制气体进入三级控制主阀开气腔驱动主阀芯打开；进气口端关闭时排气口端打开，三级控制主阀开气腔内的气体排放泄压，主阀芯在主阀弹簧的作用力下关闭。一级电磁导阀及二级气控导阀的结构设计，实现了对气控换向阀的流通能力的增大设计，实现了对控制气流量及流速的放大，提升对三级控制主阀开气腔的充气建压及放气泄压速度，加快三级气控主阀打开及关闭响应速度。

进一步地，所述主阀芯分为主阀芯上段、主阀芯中段和主阀芯下段；

所述介质入口开设在主阀芯中段对应的主阀体侧壁上，其开设方向与主阀芯的运动方向垂直；所述介质出口开设在主阀体的下端；

主阀芯上段的下方为开气腔，且主阀芯上段的外壁与主阀体的内壁相适配；

所述主阀弹簧安装腔位于主阀芯中段，该主阀芯中段的截面呈山字型，其外壁与主阀体的内壁相适配；所述主阀弹簧的一端与主阀体相抵，另一端与主阀弹簧安装腔的底面相抵；

主阀芯下段与介质出口处的阀体构成密封副；使得三级控制主阀的整体结构简单紧凑，有效控制主阀体的结构尺寸。

进一步地，所述主阀弹簧安装腔的底面上开设有引压孔，用于将介质引流至主阀弹簧安装腔内。

进一步地，主阀流通通径大，主阀体孔口密封直径大，致使作用在主阀芯上介质力偏大，所需的主阀弹簧关闭负载增大及结构尺寸偏大，为了降低介质力影响，减小主阀弹簧及主阀体的结构尺寸，对主阀芯进行了压力平衡卸荷结构设计，主阀芯的上段及中段与主阀体之间均设置有密封圈，优选o形橡胶密封圈进行主阀介质密封，且密封圈的密封直径大于主阀体的密封直径；在主阀芯关闭状态部分消除入口介质对主阀芯作用力的影响，并通过o形橡胶密封圈与主阀体的密封面积差，使介质作用于主阀芯上时提供适度的关闭作用力，降低密封弹簧力需求。主阀芯打开后，介质通过主阀芯中段下端的引压孔进入主阀芯上的主阀弹簧安装腔，消除介质作用对主阀芯受力的影响，降低所需的弹簧关闭力，在减小结构尺寸的同时提高了主阀芯的关闭响应速度，拓宽了控制主阀的工作压力范围。

进一步地，所述二级气控导阀还包括卸荷环；

所述排气口位于气控导阀阀体上端；所述卸荷环位于气控导阀阀体下端；

所述气控导阀阀芯分为上段、中段和下段；所述上段与气控导阀阀体之间形成排气通道，中段与气控导阀阀体之间形成气流通道；下段则与气控导阀阀体之间形成所述控制腔；

所述气控导阀阀芯下段沿轴向设置有气控导阀弹簧安装腔(即阀芯内腔道)，气控导阀阀芯中段沿周向开设有多个与气控导阀弹簧安装腔连通的引流孔，所述卸荷环的一端伸入气控导阀弹簧安装腔内并与气控导阀阀芯下段的内壁相适配；所述气控导阀弹簧的一端与卸荷环的端面相抵，另一端与气控导阀弹簧安装腔的端面相抵。通过多个引流孔将控制气引入阀芯内腔道，并通过卸荷环密封结构设计，使引入阀芯内腔的控制气为气控导阀阀芯提供关闭力及密封力，减小气控导阀弹簧复位力及结构尺寸。气控导阀阀芯运动至打开位置后，进气口端打开、排气口端关闭，卸荷环设计使气控导阀阀芯所受的介质作用力相互抵消，有利于气控导阀控制腔泄气后在弹簧力的作用下快速关闭。

进一步地，为了提高二级气控导阀的密封力，所述气控导阀阀芯下段与气控导阀阀体之间、卸荷环之间均设置有密封圈，同样，优选o型橡胶密封圈。

进一步地，所述电磁导阀阀体上设置有电磁导阀弹簧安装腔；所述电磁导阀弹簧的一端与电磁导阀阀芯靠近控制气排气口的端面相抵，另一端与导阀弹簧安装腔的底面相抵，由此，电磁导阀弹簧的运动更加可靠。

进一步地，所述主阀体、气控导阀阀体以及电磁导阀阀体采用一体成型设置，通过内部流道布局(最好采用三向垂直布局结构设计)，最大限度压缩空间结构尺寸，进一步实现整体结构小型化和轻质化设计。

本发明的优点是：

1.本发明将一级电磁导阀和二级气控导阀均作为三级控制主阀的先导阀；一级电磁导阀通断电打开或关闭，控制二级气控导阀的打开或关闭，二级气控导阀控制三级控制主阀的打开或关闭，两级导阀组合后实现了对三级控制主阀的流通能力的增大设计，使进排气通道通流面积增大9倍以上，实现了对控制气流量及流速的放大，提升对主阀控制腔的充气建压及放气泄压速度，提高主阀芯打开、关闭响应速度，保证了三级大通径控制主阀的快响应设计，整体结构设计结构能有效提高大流量发动机控制阀的打开及关闭响应速度，减小系统流阻，提高发动机的起动加速性及关机减速性。产品后续可应用于机动载荷要求高的大推力快响应轨控发动机动力系统，也可在其他运载及空间飞行器动力系统中推广应用，应用前景广泛。

2.本发明的三级控制主阀采用压力平衡卸荷结构设计(即双平衡结构设计)，消除了入口压力对主阀芯受力的影响，降低主阀弹簧负载力及结构尺寸需求，有利于三级控制主阀整体结构优化及小型化设计。本发明的三级先导式电磁阀在大流量工况下实现打开、关闭快响应控制及结构尺寸小型化方面具有明显优势。

3.本发明的二级气控导阀的气控导阀阀芯设置有内腔道以及与内腔道连通的引流孔，可将控制气引入阀芯内腔道，通过卸荷环及o型橡胶密封圈结构设计，使引入阀芯内腔的控制气为气控导阀阀芯提供关闭力及密封力，减小气控导阀弹簧复位力及结构尺寸。气控导阀阀芯运动至打开位置后，进气口端打开、排气口端关闭，卸荷环设计使气控导阀阀芯所受的介质作用力相互抵消，有利于气控导阀控制腔撤气后在弹簧力的作用下快速关闭。

4.本发明的一级电磁导阀采用结构简单的两位三通电磁阀，其出气口与二级气控导阀的控制腔连通，反应灵敏，在通电时，可实现对控制腔的快速充气建压功能，断电时，实现控制腔的快速排气泄压功能。

5.本发明中主阀体、气控导阀阀体以及电磁导阀阀体为一体成型设置(即共用阀体结构设计)，通过内部流道布局(最好采用三向垂直布局结构设计)，最大限度压缩空间结构尺寸，进一步实现整体结构小型化和轻质化设计。

附图说明

图1为本发明大流量三级先导式电磁阀结构原理图；

附图标记如下：

1-三级控制主阀；11-主阀体；12-主阀芯；121-主阀芯上段；122-主阀芯中段；123-主阀芯下段；13-主阀弹簧；14-开气腔；15-引压孔；16-主阀弹簧安装腔；

2-二级气控导阀；21-气控导阀阀体；22-气控导阀阀芯；23-气控导阀弹簧；24-控制腔；25-卸荷环；26-引流孔；

3-一级电磁导阀；31-电磁导阀阀体；32-电磁导阀阀芯；33-线圈；34-电磁导阀弹簧；

4-密封圈。

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：

如图1所示，一种大流量三级先导式电磁阀包括一级电磁导阀3、二级气控导阀2以及三级控制主阀1。

其中，一级电磁导阀3为两位三通电磁阀，包括电磁导阀阀体31、电磁导阀阀芯32、电磁导阀弹簧34以及线圈33。电磁导阀阀体31上设置有控制气入口、控制气出口以及控制气排气口，其中，电磁导阀阀芯32位于电磁导阀阀体31内，并与电磁导阀阀体31相适配，电磁导阀阀芯32上开设有用于连通控制气出口和控制气排气口的气流通道；电磁导阀阀体31的侧壁内缠绕线圈33；电磁导阀阀芯32靠近控制气排气口的端部与电磁导阀阀体31之间设置电磁导阀弹簧34，为电磁导阀阀芯32提供关闭力，使线圈33断电时，电磁导阀阀芯32与控制气入口端形成密封副；为了使电磁导阀弹簧34的运动更加可靠，电磁导阀阀体31上设置有电磁导阀弹簧34安装腔；电磁导阀弹簧34的一端与电磁导阀阀芯32靠近控制气排气口的端面相抵，另一端与导阀弹簧安装腔的底面相抵。

二级气控导阀2为两位三通阀门，包括气控导阀阀体21、气控导阀阀芯22、卸荷环25以及气控导阀弹簧23。气控导阀阀芯22密封设置在气控导阀阀体21内，其分为上段、中段和下段；上段与气控导阀阀体21之间形成排气通道，中段与气控导阀阀体21之间形成气流通道；下段则与气控导阀阀体21之间形成控制腔24；气控导阀阀体21上设置有进气口、出气口和排气口；排气口位于气控导阀阀体21上端；卸荷环25位于气控导阀阀体21下端；气控导阀阀芯22下段沿轴向设置有气控导阀弹簧23安装腔(即阀芯内腔道)，气控导阀阀芯22中段沿周向开设有多个与气控导阀弹簧23安装腔连通的引流孔26，卸荷环25的一端伸入气控导阀弹簧23安装腔内并与气控导阀阀芯22下段的内壁相适配；气控导阀弹簧23位于气控导阀弹簧23安装腔中，其一端与卸荷环25的端面相抵，另一端与气控导阀弹簧23安装腔的端面相抵，用于为气控导阀阀芯22提供关闭力，使气控导阀阀芯22与进气口端形成密封副。为了提高二级气控导阀2的密封力，所述气控导阀阀芯22下段与气控导阀阀体21之间、卸荷环25之间均设置有密封圈4，同样，优选o型橡胶密封圈4。通过多个引流孔26将控制气引入阀芯内腔道，通过卸荷环25密封结构设计，使引入阀芯内腔的控制气为气控导阀阀芯22提供关闭力及密封力，减小气控导阀弹簧23复位力及结构尺寸。气控导阀阀芯22运动至打开位置后，进气口端打开、排气口端关闭，卸荷环25设计使气控导阀阀芯22所受的介质作用力相互抵消，有利于气控导阀控制腔24撤气后在弹簧力的作用下快速关闭。

三级控制主阀1为气控主阀，为高压力、大流量的开关控制阀，该阀门结构特点为通径大、行程大，启动或关机动作时侧向液流干扰力大的特点。其包括主阀体11、主阀芯12以及主阀弹簧13。主阀芯12密封设置在主阀体11内，其分为主阀芯上段121、主阀芯中段122和主阀芯下段123。主阀体11上开设有介质入口和介质出口。介质入口开设在主阀芯中段122对应的主阀体11侧壁上，其开设方向与主阀芯12的运动方向垂直；介质出口开设在主阀体11的下端。主阀芯上段121的下方为开气腔14，且上段的外壁与主阀体11的内壁相适配；主阀芯中段122沿轴向设置有主阀弹簧安装腔16，该中段的截面呈山字型，其外壁与主阀体11的内壁相适配；主阀弹簧13的一端与主阀体11相抵，另一端与主阀弹簧安装腔16的底面相抵，用于为主阀芯12提供关闭力，使介质入口与介质出口阻断；主阀芯下段123与介质出口处的阀体构成密封副。主阀弹簧安装腔16的底面上开设有与引压孔15，用于将介质引流至主阀弹簧安装腔16内。同时，由于主阀流通通径大，主阀体11孔口密封直径大，致使作用在主阀芯12上介质力偏大，所需的主阀弹簧13关闭负载增大及结构尺寸偏大，为了降低介质力影响，减小主阀弹簧13及主阀体11的结构尺寸，对主阀芯12进行了压力平衡卸荷结构设计，主阀阀芯的上段及中段与主阀体11之间均设置有密封圈4，优选o形橡胶密封圈4进行动密封，将控制气与液体介质进行隔离，且密封圈4的密封直径大于主阀体11的密封直径；在主阀芯12关闭状态部分消除入口介质对主阀芯12作用力的影响，并通过o形橡胶密封圈4与主阀体11的密封面积差，使介质作用于主阀芯12上时提供适度的关闭作用力，降低密封弹簧力需求。主阀芯12打开后，介质通过主阀芯中段122下端的引压孔15进入主阀芯12上的主阀弹簧安装腔16，消除介质作用对主阀芯12受力的影响，降低所需的弹簧关闭力，在减小结构尺寸的同时提高了主阀芯12的关闭响应速度，拓宽了控制主阀的工作压力范围。同时，主阀芯12与主阀体11运动配合部位采用了主、辅导向结合的结构，主阀芯12与主阀体11运动配合面采用双主导向设计，位于主阀芯中段122o形橡胶密封圈4密封配合处，配合零件的导向面均为一次加工成型，能够保证双导向的匹配性。为了避免侧向介质干扰力的影响，在主阀装配结构上增加了上下两端的辅助导向结构，分别位于主阀芯12的中段和下段活塞杆部位，确保主阀芯12动作可靠。

上述一级电磁导阀3的控制气出口与二级气控导阀2的控制腔24连通，二级气控导阀2的出气口与排气口及三级控制主阀1的开气腔14均连通，一级电磁导阀3通过通断电控制二级气控导阀2的气路通断，为气控导阀阀芯22提供打开力，进而控制三级控制主阀1开气腔14的充气与排气，为主阀芯12提供打开力。

为了最大限度压缩空间结构尺寸，进一步实现整体结构小型化和轻质化设计，主阀体11、气控导阀阀体21以及电磁导阀阀体31为一体成型设置，采用三向垂直布局结构设计。

本发明的工作原理：

采用三级控制阀结构方案，由一级电磁导阀、二级气控导阀及三级控制主阀组成，采用通气作动打开及撤气弹簧力作动关闭的结构工作原理。一级电磁导阀采用线圈电磁吸力驱动的两位三通阀门，通过通断电控制一级电磁导阀的气路开关及换向。二级气控导阀采用气动控制的两位三通阀门，通过一级电磁导阀气体的通断及换向控制二级气控导阀主路气体的通断及换向，一级电磁导阀及二级气控导阀的结构设计，实现了对气控换向阀的流通能力的增大设计，实现了对控制气流量及流速的放大，提升对三级控制主阀控制腔的充气建压及放气泄压速度。三级控制主阀为气动控制的开关阀，通过二级气控导阀气体通断及换向控制三级控制主阀的开关，三级控制主阀的开气腔容积及开关动作行程较大，使得开气腔气体的充填及排放所需时间增加，通过一级电磁导阀及二级气控导阀进、排气路通道直径的放大设计，加快三级控制主阀开气腔的充气建压及排气泄压，提高阀门的打开、关闭响应速度。

在某姿控动力系统试验中，该系统对喷射器控制阀提出了压力3mpa、流量5kg/s、流阻小于0.3mpa、响应时间不大于40ms的大流量、低流阻及快响应的性能指标要求，同时要求结构尺寸及重量要尽可能的小。该动力系统采用了本发明提出的三级先导式电磁阀结构，并完成了气密性、开关动作、吸合电压、响应时间等性能检测，试验结果表明各项性能满足要求吗，且研制产品经过了多次喷射系统整机试车考核，控制阀工作正常、响应迅速、密封可靠，喷射器的起动及关机速度达到了设计目标要求。

由此可见，三级先导式电磁阀的研制满足了液体喷射系统喷射速度、喷射流量及多次喷射控制要求，进行了系统演示试车，工作性能满足要求。本发明除可应用于液体火箭发动机外，在卫星在轨执行系统、地面试验系统等系统用快响应控制阀中均可推广使用，在有效载荷要求高的大推力快响应发动机动力系统及大流量工况液流试验系统中具有广泛的应用前景，具有工作流量大、响应迅速、动作及密封可靠等优点。

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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。