一种粘性介质压力加载、卸载装置及其控制方法

摘要

本发明涉及一种粘性介质压力加载、卸载装置及其控制方法，包括阀体、固连在阀体一侧的介质仓、滑动连接在阀体内一侧的阀杆、滑动连接在阀体内另一侧的圆锥齿轮形阀芯、固连在介质仓内的圆锥齿轮形阀座、抵接在阀杆与圆锥齿轮形阀芯的弹簧和固连在阀体一侧的电磁铁，其中，圆锥齿轮形阀芯端头插入圆锥齿轮形阀座内，圆锥齿轮形阀芯所述端头为圆锥齿轮状，圆锥齿轮形阀座内开设有圆锥齿轮状槽，圆锥齿轮形阀芯所述端头与圆锥齿轮形阀座所述槽相互啮合，本发明具有方法简单、易操作，压力灵敏度较高，可以稳定的对粘性介质压力加载、卸载进行控制的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及阀门技术领域，尤其涉及一种粘性介质压力加载、卸载装置及其控制方法。

背景技术

压力控制装置是一种能够提供压力环境的装置，在工程控制中，常以空气、液体作为工作介质，以气体或液体的压力作为被控制量，利用作用在阀芯上的液体或气体压力和弹簧力相互平衡的工作原理对压力进行控制。粘性介质压力成形技术是近年来发展起来的先进制造技术，已在航天、航空等前沿领域得到应用，粘性介质压力成形过程中，采用粘性介质作为传力介质，其物态为半固态、可流动、并且具有一定的粘度，成形过程中需要对粘性介质的工作压力进行加载和卸载，并将压力控制在合理的范围内。而粘性介质为半固态、可流动、并且具有一定的粘度，同时粘性介质工作压力大小影响其粘度的变化，其性质不同于气体、液体等工作介质，因此传统的以气体或液体为工作介质的压力控制装置不适合粘性介质压力的控制，现有的压力控制装置不能有效的对粘性介质进行压力控制，不能实现对粘性介质压力进行加载、卸载控制，必须探索适合于粘性介质压力加载、卸载的控制装置和控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种粘性介质压力加载、卸载装置及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种粘性介质压力加载、卸载装置及其控制方法，包括阀体、固连在阀体一侧的介质仓、滑动连接在阀体内一侧的阀杆、滑动连接在阀体内另一侧的圆锥齿轮形阀芯、固连在介质仓内的圆锥齿轮形阀座、抵接在阀杆与圆锥齿轮形阀芯的弹簧和固连在阀体一侧的电磁铁，阀体一侧开设有流出口，介质仓一侧固连有粘性介质注入缸，粘性介质注入缸向介质仓内通入粘性介质，粘性介质通过圆锥齿轮形阀芯和圆锥齿轮形阀座流到流出口处，其中，圆锥齿轮形阀芯端头插入圆锥齿轮形阀座内，圆锥齿轮形阀芯所述端头为圆锥齿轮状，圆锥齿轮形阀座内开设有圆锥齿轮状槽，圆锥齿轮形阀芯所述端头与圆锥齿轮形阀座所述槽相互啮合。

通过采用上述技术方案，相比较传统的球面状阀芯与阀座结构，圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座结构形式增大了阀芯和阀座的接触面积，阀芯开启时，使具有一定粘度、流动性较差的粘性介质在单位时间内与采用球面状阀芯与阀座结构的液体流量相近，能够较快地达到压力要求，易于控制粘性介质压力加载与卸载。其中，通过全齿高控制圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座接触面积，如果粘性介质粘度η增大，则全齿高h增大，圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座接触面积增加，开启式时粘性介质流量不会因粘度较大而降低；粘性介质粘度η减小，全齿高h减小，开启式时粘性介质流量不会因粘度较低而增加。

作为对本发明的进一步说明，优选地，圆锥齿轮形阀芯的全齿高尺寸随粘性介质的粘度增大而增大。

通过采用上述技术方案，以根据不同粘性介质的物理性质进行选配，使装置具有较大范围的适用性。

作为对本发明的进一步说明，优选地，粘性介质的粘性介质分子量在10000～300000时，圆锥齿轮形阀芯的全齿高h₁为4.0～4.5mm；粘性介质的粘性介质分子量在310000～500000时，圆锥齿轮形阀芯的全齿高h₂为6.5～7.0mm；粘性介质的粘性介质分子量在510000～700000时，圆锥齿轮形阀芯的全齿高h₃为7.7～8.2mm；粘性介质的粘性介质分子量在710000～900000时，圆锥齿轮形阀芯的全齿高h₄为8.8～9.5mm。

通过采用上述技术方案，可使装置能适配10000～900000的大范围粘性介质，使装置具有极高的适配性和实用性。

作为对本发明的进一步说明，优选地，圆锥齿轮形阀芯圆锥齿轮形端头的母线为具有一定曲率的圆弧曲线，圆锥齿轮形阀座与圆锥齿轮形阀芯啮合的密封面的母线为直线，以使圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座密封面啮合时相切于一条线。

通过采用上述技术方案，避免面-面接触状态下阀芯开启后再次闭合时粘附在接触面上的粘性介质阻碍圆锥齿轮形阀芯闭合。

作为对本发明的进一步说明，优选地，圆锥齿轮形阀芯套接在阀杆一端外，圆锥齿轮形阀芯与阀杆滑动连接。

通过采用上述技术方案，以稳定圆锥齿轮形阀芯的滑动方向，且能保证圆锥齿轮阀芯与阀杆稳定连接，进而可使弹簧施力或受力方向稳定。

作为对本发明的进一步说明，优选地，电磁铁与阀杆另一端抵接。

通过采用上述技术方案，可通过电磁铁控制阀杆运动，使装置更趋智能化，减少人为操作。

作为对本发明的进一步说明，优选地，阀体与圆锥齿轮形阀芯的抵接端面内固连有密封圈，密封圈与圆锥齿轮形阀芯过盈配合。

通过采用上述技术方案，提高装置的密封性，避免粘性介质流到阀杆处。

本发明还提供一种粘性介质压力加载控制方法，包括以下步骤：

Ⅰ：利用电磁铁控制阀杆运动使弹簧压缩，弹簧产生的力使圆锥齿轮形阀芯处于闭合位；

Ⅱ：利用粘性介质注入缸向介质仓注入粘性介质；

Ⅲ：当粘性介质压力达到设定的压力值时，粘性介质注入缸停止注入；

Ⅳ：如果粘性介质压力超过设定压力值时则开始卸载工作，同时停止注入粘性介质，当粘性介质压力小于弹簧的开启力时，则圆锥齿轮形阀芯回到闭合位，在此过程中实现粘性介质的加载控制。

通过采用上述技术方案，可使装置实现加载的动态平衡，保障粘性介质的压力能稳定在设定的范围之内，提高装置的实用性和安全性。

本发明还提供一种粘性介质压力卸载控制方法，包括以下步骤：

Ⅰ：利用电磁铁控制阀杆运动使弹簧压缩，弹簧产生的力作用在圆锥齿轮形阀芯上，在初始状态时使圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座紧密啮合，此时圆锥齿轮形阀芯处于闭合位；

Ⅱ：介质仓与粘性介质工作区域相连通，粘性介质在工作区域被压缩并向圆锥齿轮形阀芯方向流动，同时产生一定的压力作用在圆锥齿轮形阀芯端面，粘性介质压力大于弹簧的开启力时圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座分离形成一定间隙，处于开启位；

Ⅲ：为实现压力控制，粘度不同时粘性介质所需要的圆锥齿轮形阀芯开启间隙不同，相同分子量的粘性介质在工作压力较小时，其粘度较低，流动速率较快，需要较小的圆锥齿轮形阀芯开启间隙，需要较大的弹簧开启力；粘性介质工作压力较大时，其粘度较高，流动速率较慢，需要较大的圆锥齿轮形阀芯开启间隙，需要较小的弹簧开启力；利用电磁铁不同电流大小控制阀杆压缩弹簧的量即可控制圆锥齿轮形阀芯的开启间隙，进而控制粘性介质工作压力；

Ⅳ：圆锥齿轮形阀芯开启后粘性介质从开启间隙中流入阀体，然后从流出口排出，当粘性介质作用在圆锥齿轮形阀芯的压力小于弹簧的开启力时，圆锥齿轮形阀芯重新回到闭合位，在此过程中完成粘性介质卸载。

通过采用上述技术方案，根据粘性介质的压力，动态地调节圆锥齿轮形阀芯的开启间隙，使粘性介质的卸载能够在较为平顺的状态下进行，不仅能使粘性介质顺利卸载，还可避免压力瞬时变化大而造成装置爆裂的问题，提高安全性。

作为对本发明的进一步说明，优选地，粘性介质工作压力控制范围为0～180MPa。

通过采用上述技术方案，相比现有的调节阀门，该装置不仅能实现对粘性介质压力的加载和卸载，还具有更大的控制范围，其实用性也更高。

实施本发明的，具有以下有益效果：

本发明为粘性介质类半固态、可流动、具有一定粘度的介质提供一种压力加载、卸载控制方法，该方法简单、易操作，控制稳定性较好，压力灵敏度较高，可以稳定的对粘性介质压力加载、卸载进行控制。

附图说明

图1为本发明的进行粘性介质压力卸载控制过程初始时圆锥齿轮形阀芯闭合状态示意图；

图2是本发明的进行粘性介质压力卸载控制过程圆锥齿轮形阀芯开启间隙较小状态示意图；

图3是本发明的进行粘性介质压力卸载控制过程圆锥齿轮形阀芯开启间隙较大状态示意图；

图4是本发明的进行粘性介质压力卸载控制过程结束时圆锥齿轮形阀芯重新闭合状态示意图；

图5是本发明的进行粘性介质压力加载控制过程初始时粘性介质开始注入状态示意图；

图6是本发明的进行粘性介质压力加载控制过程粘性介质压力达到设定值状态示意图；

图7是本发明的进行粘性介质压力加载控制过程粘性介质压力超过设定值状态示意图；

图8是本发明的进行粘性介质压力加载控制过程结束状态示意图；

图9是本发明的圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座结构示意图；

图10是本发明的分子量在10000～300000范围(粘度范围η₁～η₁′)时，对应全齿高为h₁的圆锥齿轮形阀芯和圆锥齿轮形阀座结构示意图；

图11是本发明的分子量在310000～500000范围(粘度范围η₂～η₂′)时，对应全齿高为h₂的圆锥齿轮形阀芯和圆锥齿轮形阀座结构示意图；

图12是本发明的分子量在510000～700000范围(粘度范围η₃～η₃′)时，对应全齿高为h₃的圆锥齿轮形阀芯和圆锥齿轮形阀座结构示意图；

图13是本发明的圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座啮合处局部放大示意图。

图14是本发明的圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座啮合处为线-线接触状态示意图。

图15是本发明的圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座啮合处为面-面接触状态示意图。

附图标记说明：

1、阀体；11、密封圈；12、流出口；2、介质仓；21、粘性介质注入缸；3、阀杆；4、圆锥齿轮形阀芯；5、圆锥齿轮形阀座；6、弹簧；7、电磁铁；8、粘性介质。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种粘性介质压力加载、卸载装置及其控制方法，结合图1-图4，包括阀体1、固连在阀体1一侧的介质仓2、滑动连接在阀体1内一侧的阀杆3、滑动连接在阀体1内另一侧的圆锥齿轮形阀芯4、固连在介质仓2内的圆锥齿轮形阀座5、抵接在阀杆3与圆锥齿轮形阀芯4的弹簧6和固连在阀体1一侧的电磁铁7。

结合图1-图4，阀体1和介质仓2均为钢制圆柱状壳体，阀体1一侧开设有流出口12，介质仓2一侧固连有粘性介质注入缸21，粘性介质注入缸21向介质仓2内通入粘性介质8，粘性介质8通过圆锥齿轮形阀芯4和圆锥齿轮形阀座5流到流出口12处；圆锥齿轮形阀芯4套接在阀杆3一端外，圆锥齿轮形阀芯4与阀杆3滑动连接，以稳定圆锥齿轮形阀芯4的滑动方向，且能保证圆锥齿轮阀芯4与阀杆3稳定连接，进而可使弹簧6施力或受力方向稳定；电磁铁7与阀杆3另一端抵接，可通过电磁铁7控制阀杆3运动，使装置更趋智能化，减少人为操作；阀体1与圆锥齿轮形阀芯4的抵接端面内固连有密封圈11，密封圈11与圆锥齿轮形阀芯4过盈配合，提高装置的密封性，防止粘性介质8与阀杆3和弹簧6接触，影响其正常运动。

结合图9-图12，圆锥齿轮形阀芯4端头插入圆锥齿轮形阀座5内，圆锥齿轮形阀芯4所述端头为圆锥齿轮状，圆锥齿轮形阀座5内开设有圆锥齿轮状槽，圆锥齿轮形阀芯4所述端头与圆锥齿轮形阀座5所述槽相互啮合；相比较传统的球面状阀芯与阀座结构，圆锥齿轮形阀芯与圆锥齿轮形阀座结构形式增大了阀芯和阀座的接触面积，阀芯开启时，使具有一定粘度、流动性较差的粘性介质在单位时间内与采用球面状阀芯与阀座结构的液体流量相近，能够较快地达到压力要求，易于控制粘性介质压力加载与卸载；且圆锥齿轮形阀芯4的全齿高尺寸随粘性介质8的粘度增大而增大，通过全齿高控制圆锥齿轮形阀芯4与圆锥齿轮形阀座5之间的接触面积，全齿高h增大，圆锥齿轮形阀芯4与圆锥齿轮形阀座5之间的接触面积增加，开启式时粘性介质8流量增加，即粘性介质粘度η的增大，全齿高h增加，开启式时粘性介质流量不会因粘度较大而降低；粘性介质粘度η减小，全齿高h减小，开启式时粘性介质8流量不会因粘度较低而增加；其中，

1、当粘性介质8的粘性介质分子量在10000～300000(粘度范围η₁～η₁′)时，圆锥齿轮形阀芯4的全齿高h₁为4.0～4.5mm；

2、粘性介质8的粘性介质分子量在310000～500000(粘度范围η₂～η₂′)时，圆锥齿轮形阀芯4的全齿高h₂为6.5～7.0mm；

3、粘性介质8的粘性介质分子量在510000～700000(粘度范围η₃～η₃′)时，圆锥齿轮形阀芯4的全齿高h₃为7.7～8.2mm；

4、粘性介质8的粘性介质分子量在710000～900000(粘度范围η₄～η₄′)时，圆锥齿轮形阀芯4的全齿高h₄为8.8～9.5mm。

利用选配不同全齿高的圆锥齿轮形阀芯4，以根据不同粘性介质8的物理性质进行选配，可使装置能适配10000～900000的大范围粘性介质8，使装置具有极高的适配性和实用性。

结合图13-图15，圆锥齿轮形阀芯4的圆锥齿轮形端头的母线为具有一定曲率的圆弧曲线，圆锥齿轮形阀座5与圆锥齿轮形阀芯4啮合的密封面的母线为直线，以使圆锥齿轮形阀芯4与圆锥齿轮形阀座5密封面啮合时相切于一条线，接触方式为线-线接触，两密封面相切于一条线很容易排开残留的粘性介质8，避免面-面接触状态下阀芯开启后再次闭合时粘附在接触面上的粘性介质阻碍圆锥齿轮形阀芯闭合。

结合图1-图4，本发明还提供一种粘性介质压力卸载控制方法，包括以下步骤：

Ⅰ：利用电磁铁1控制阀杆3运动为弹簧6加载，弹簧6力F作用在圆锥齿轮形阀芯4上，为圆锥齿轮形阀芯4提供与圆锥齿轮形阀座5啮合的作用力F，在初始状态时使圆锥齿轮形阀芯4与圆锥齿轮形阀座5紧密啮合，此时圆锥齿轮形阀芯4处于闭合位(如图1所示)。

Ⅱ：介质仓2与粘性介质8工作区域相连通，粘性介质8在工作区域被压缩向圆锥齿轮形阀芯4方向流动，同时产生一定的压力P作用在圆锥齿轮形阀芯4端面，粘性介质8工作压力控制范围为0～180MPa；粘性介质压力P大于弹簧6的开启力F时圆锥齿轮形阀芯4与圆锥齿轮形阀座5分离形成一定间隙，处于开启位(如图2、图3所示)。

Ⅲ：粘性介质压力P对粘度η有一定的影响(η＝f(P))，为实现压力控制，粘度不同时粘性介质8所需要的圆锥齿轮形阀芯4开启间隙δ不同；其中，

1、当粘性介质8工作压力P较小时，其粘度较低(如图2所示)，流动速率较快，需要较小的开启间隙δ₁，此时需要较大的弹簧6开启力F；

2、当粘性介质8工作压力P较大时，其粘度较高(如图3所示)，流动速率较慢，需要较大的开启间隙δ₂，此时需要较小的弹簧6开启力F。

弹簧6开启力F是粘性介质8工作压力P的非线性函数(F＝f(P))，如图1-4中曲线所示，根据不同粘性介质8工作压力P确定不同弹簧6开启力F，弹簧6开启力F可转换为电磁铁7的电流信号(I＝f(F))，利用电磁铁7不同电流I大小控制阀杆3压缩弹簧量即可控制圆锥齿轮形阀芯4开启间隙δ，进而控制粘性介质8工作压力P。

Ⅳ：圆锥齿轮形阀芯4开启后粘性介质8从开启间隙中流入阀体4，然后从流出口12排出，当粘性介质8作用在阀芯4的压力P小于弹簧6开启力F时，圆锥齿轮形阀芯4重新回到闭合位(如图4所示)，在此过程中完成粘性介质8卸载并实现粘性介质8工作压力动态平衡。

通过上述方法，根据粘性介质8的压力，动态地调节圆锥齿轮形阀芯4的开启间隙，使粘性介质8的卸载能够在较为平顺的状态下进行，不仅能使粘性介质8顺利卸载，还可避免压力瞬时变化大而造成装置爆裂的问题，提高安全性。

结合图5-图8，本发明还提供一种粘性介质压力加载控制方法，包括以下步骤：

Ⅰ：利用电磁铁7控制阀杆3运动为弹簧6加载，产生一定的弹簧力F使圆锥齿轮形阀芯4处于闭合位(如图5所示)。

Ⅱ：利用粘性介质注入缸21向介质仓2注入粘性介质8。

Ⅲ：当粘性介质8压力P达到设定的压力值时，粘性介质注入缸21停止注入(如图6所示)。

Ⅳ：如果粘性介质8压力P超过设定压力值时则按前述卸载控制方法卸载，同时停止注入粘性介质8(如图7所示)，当压力P小于弹簧6开启力F则圆锥齿轮形阀芯4回到闭合位(如图8所示)，在此过程中实现粘性介加载控制。

通过上述方法，可使装置实现加载的动态平衡，保障粘性介质8的压力能稳定在设定的范围之内，提高装置的实用性和安全性。

综上所述，本发明为粘性介质8类半固态、可流动、具有一定粘度的介质提供一种压力加载、卸载控制方法，不仅能实现对粘性介质8压力的加载和卸载，还具有更大的控制范围，其实用性也更高；该方法简单、易操作，控制稳定性较好，压力灵敏度较高，可以稳定的对粘性介质压力加载、卸载进行控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。