带双自由度控制的组合式阀芯组件、套筒控制阀及其方法

1.本发明涉及控制阀领域，尤其涉及一种带双自由度控制的组合式阀芯组件、套筒控制阀及其方法。


背景技术：

2.控制阀是一种通过执行机构控制阀芯开度，达到保持流体压力、温度、速度、流量等过程参量在适当的操作范围内的部件。随着工业应用的需求不断增高，控制阀需要应用于高温、高压、大流量、高压差等复杂极端工况，核电、化工、军事等行业对大可调比、高精度的控制阀需求愈发紧迫。目前的套筒式控制阀的可调比与调节精度较低，能以满足复杂极端工况的应用。因此，构建一种通过齿轮结构实现驱动的组合式阀芯套筒控制阀，提出其应用方法，为高温、高压、大流量、高压差等复杂极端工况控制阀的设计提供思路，是目前流体控制领域的重要研究方向。
3.因此，亟需提供一种能够应用于复杂极端工况，实现大可调比、高调节精度的控制阀及其应用方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种带双自由度控制的组合式阀芯组件、套筒控制阀及其方法。本发明可以在不改变控制阀阀体结构的前提下，通过外部执行机构调整控制阀阀塞及套筒位置，改变控制阀流量特性，实现对流体的双自由度精确控制。
5.本发明所采用的具体技术方案如下：
6.第一方面，本发明提供了一种带双自由度控制的组合式阀芯组件，包括由内到外依次同轴贴合布设的阀塞、内层套筒和外层套筒；
7.所述阀塞为柱状结构，沿轴向开设有若干竖直通孔，顶部用于与阀杆相连，能随阀杆的竖向移动沿内层套筒的内壁上下密封滑动；所述内层套筒周向开设有若干第一节流窗口，第一节流窗口的高度小于阀塞高度；内层套筒内壁上端沿周向加工有内齿轮齿形，内齿轮齿形用于与套筒旋杆底部的外齿轮齿形啮合；套筒旋杆与阀盖密封连接且上部露出阀盖；通过旋转套筒旋杆，能使内层套筒在啮合传动下沿外层套筒内壁密封转动；所述外层套筒与阀体固定连接，周向均匀开设有若干第二节流窗口，第二节流窗口与第一节流窗口的数量和尺寸均相同。
8.作为优选，所述阀塞与内层套筒之间采用间隙配合，内层套筒和外层套筒之间采用间隙配合。
9.作为优选，所述套筒旋杆底部的外齿轮齿形与内层套筒内壁上端的内齿轮齿形，两者的齿形结构模数相等。
10.作为优选，所述旋转套筒旋杆上设有霍尔效应角度传感器。
11.作为优选，所述外层套筒与内层套筒内壁上端均进行倒角加工，阀塞与阀杆之间
采用螺栓连接。
12.第二方面，本发明提供了一种具有第一方面任一所述组合式阀芯组件的套筒控制阀，包括阀体、阀座、阀杆、阀盖、执行机构和执行机构支架；
13.所述阀体顶部密封设有阀盖，阀盖上方设有执行机构支架，执行机构支架上固定有用于控制阀杆轴向移动的执行机构；所述外层套筒底部通过阀座固定于阀体内腔，顶部设于阀盖底部且周向与阀体密封连接。
14.作为优选，所述阀座为阶梯状环形零件，其阶梯高度与外层套筒和内层套筒相配合，用以外层套筒与内层套筒的轴向和径向定位；所述内层套筒齿形部分齿根圆直径小于内层套筒内径，用以套筒旋杆的轴向定位；所述阀盖为阶梯状柱形零件，其中心轴位置加工有贯穿孔用以定位阀杆，在中心轴偏心位置加工有贯穿孔用以定位套筒旋杆。
15.作为优选，所述阀杆与阀盖之间使用环形的密封填料填充，密封填料底部安装环形的填料垫圈，密封填料顶部通过填料压盖压紧，为密封填料提供密封。
16.作为优选，所述第一节流窗口和第二节流窗口的面积均小于阀体入口面积；内层套筒在套筒旋杆驱动下沿外层套筒的轴向旋转范围，应当使第一节流窗口和第二节流窗口能够重合；所述阀塞在阀杆的驱动下沿内层套筒的上下移动范围，应当使阀塞能够完全遮蔽和打开第一节流窗口。
17.第三方面，本发明提供了一种利用第二方面任一所述套筒控制阀的使用方法，具体如下：
18.将霍尔效应角度传感器与套筒旋杆连接，通过霍尔效应角度传感器实时获取套筒旋杆的旋转角度数据；通过内层套筒与套筒旋杆齿数之比计算出齿轮传动的传动比i＝z1/z2，则内层套筒旋转角度α＝β/i；其中，z1为内层套筒的内齿轮齿数，z2为套筒旋杆的外齿轮齿数，β为霍尔效应角度传感器记录的套筒旋杆旋转角度；
19.根据控制阀应用场景需求，控制套筒旋杆的旋转角度以调节第一节流窗口和第二节流窗口的重合面积；同时，通过执行机构调整阀杆的轴向位移，使阀塞移动到目标高度，调整对第一节流窗口的遮挡面积；
20.从入口进入阀体内腔的流体，经过第一节流窗口和第二节流窗口的重合处并从阀塞底部经阀座从出口流出阀体内腔；通过控制阀塞与内层套筒的运动位置，实现对套筒控制阀的开度调整。
21.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
22.本发明可以在不改变传统控制阀结构的前提下，通过齿轮传动，实现内层套筒的旋转。通过阀塞上下位移改变阀塞与内层套筒之间的流通面积，通过内层套筒旋转改变内层套筒与外层套筒之间的流通面积，且两个流通面积相互影响，实现了对流体的双自由度控制，提高了控制阀的调节精度与最大可调比。
附图说明
23.图1是带双自由度控制的套筒控制阀结构示意图。
24.图2是外层套筒结构示意图；其中，图(a)为剖面图，图(b)为正视图，图(c)为俯视图，图(d)为局部放大图。
25.图3是内层套筒结构示意图；其中，图(a)为剖面图，图(b)为正视图，图(c)为俯视
图，图(d)为局部放大图。
26.图4是套筒旋杆结构示意图；其中，图(a)为正视图，图(b)为仰视图。
27.图5是内层套筒与套筒旋杆齿轮啮合示意图。
28.图中：阀体1、阀座2、阀塞3、内层套筒4、外层套筒5、阀杆6、阀盖7、套筒旋杆8、填料压盖9、执行机构10、执行机构支架11、密封填料12、填料垫圈13。
具体实施方式
29.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。
30.如图1所示，为本发明提供的一种带双自由度控制的组合式阀芯组件，该组合式阀芯组件主要包括阀塞3、内层套筒4和外层套筒5。其中，阀塞3、内层套筒4和外层套筒5由内到外依次同轴布设，且阀塞3和内层套筒4之间间隙配合，阀塞3能在内层套筒4的内壁限位下沿上下竖直移动，内层套筒4和外层套筒5之间间隙配合，内层套筒4能在外层套筒5的内壁限位下沿中心轴转动。
31.下面将对各部件的结构和连接方式进行具体说明。
32.本发明的组合式阀芯组件中，阀塞3为柱状结构，其上沿轴向开设有若干竖直通孔，保证阀塞3上方与下方之间压力相同，减少阀塞3上下移动所需的驱动力。阀塞3顶部用于与阀杆6相连，能随阀杆6的竖向移动沿内层套筒4的内壁上下密封滑动。在本实施例中，阀塞3为圆柱形实心零件，阀塞3直径与内层套筒4内径相同。
33.本发明的组合式阀芯组件中，如图3所示，内层套筒4周向开设有多个间隔设置的第一节流窗口，第一节流窗口的高度小于阀塞3高度。内层套筒4内壁上端沿周向加工有一段内齿轮齿形，内齿轮齿形用于与套筒旋杆8底部的外齿轮齿形啮合，如图5所示。套筒旋杆8与阀盖7密封连接且上部露出阀盖7，套筒旋杆8的结构如图4所示。通过旋转套筒旋杆8，能使内层套筒4在啮合传动下沿外层套筒5内壁密封转动。
34.在本实施例中，内层套筒4为中空圆柱形零件，其外壁具有用以流体流通的第一节流窗口，第一节流窗口沿外壁周向均匀分布，第一节流窗口的总数量为n。内层套筒4外径与外层套筒5内径相同，内层套筒4能够在外层套筒5内部自由旋转。内层套筒4内壁上端加工有内齿轮齿形，其齿轮齿数为z1，模数为m。内层套筒4高度应小于阀座2与阀盖7之间的高度差，保证内层套筒能够在外层套筒内部自由旋转，减少套筒旋杆所提供的驱动力。套筒旋杆8的齿形结构模数与内层套筒4的齿形结构模数相等。阀塞3在阀杆6的驱动下沿内层套筒4的上下移动范围，应当使阀塞3能够完全遮蔽和打开第一节流窗口。
35.在本实施例中，旋转套筒旋杆8上设有霍尔效应角度传感器。霍尔效应角度传感器通过螺纹连接与套筒旋杆连接，通过支架固定。霍尔效应角度传感器使用外界电源提供供电，通过数据线缆与外界计算机连接，使用计算机读取套筒旋杆实时旋转角度。套筒旋杆旋转驱动力通过回转式执行机构或内六角扳手提供。
36.本发明的组合式阀芯组件中，如图2所示，外层套筒5与阀体1固定连接，周向均匀开设有若干第二节流窗口，第二节流窗口与第一节流窗口的数量和尺寸均相同。流体从阀体1入口出流入，通过外层套筒5以及内层套筒4的节流窗，再通过阀座流出阀体1出口。
37.在本实施例中，外层套筒5为中空圆柱形零件，其外壁具有台阶状突出结构，用以
与阀体1、阀盖7配合起到轴向定位作用，其外壁具有用以流体流通的第二节流窗口，第二节流窗口沿外壁周向均匀分布，第二节流窗口的总数量为n。第一节流窗口和第二节流窗口的面积均应小于阀体1入口面积，以保证控制阀在大流量情况下的调节能力。内层套筒4在套筒旋杆8驱动下沿外层套筒5的轴向旋转范围，应当使第一节流窗口和第二节流窗口能够重合。
38.如图1所示，本发明还提供了一种具有上述组合式阀芯组件的套筒控制阀，该套筒控制阀主要包括阀体1、阀座2、阀杆6、阀盖7、执行机构10和执行机构支架11。阀体1顶部密封设有阀盖7。阀盖7上方设有执行机构支架11，执行机构支架11上固定有用于控制阀杆6轴向移动的执行机构10。实际使用时，通过信号输入控制执行机构运动，调整阀塞位置。外层套筒5底部通过阀座2固定于阀体1内腔，顶部设于阀盖7底部且周向与阀体1密封连接。
39.具体的，阀杆6、套筒旋杆8是为阀塞3、内层套筒4运动提供驱动力的部件。阀杆6为长杆形零件，阀杆6顶端与执行机构10连接，执行机构10推动阀杆6上下移动，从而为阀塞3在内层套筒4内部运动提供驱动力。如图4所示，套筒旋杆8为阶梯状杆形零件，套筒旋杆8下端加工有标准外齿轮齿形，其齿轮齿数为z2，模数为m。套筒旋杆8中段加工有环形槽，其数量为a，用以安装o形密封圈。套筒旋杆8齿形与内层套筒4齿形模数相等，齿形相互啮合，套筒旋杆8旋转通过齿轮传动带动内层套筒4旋转。
40.在该套筒控制阀中，通过o形密封圈、密封填料、特殊结构进行密封，具体如下：
41.外层套筒5外壁上端与台阶状突出结构加工有环形开槽，用以安装o形密封圈，为外层套筒5与阀体1、阀盖7之间提供密封。内层套筒4外壁下端与节流窗之上部分加工有环形开槽，用以安装o形密封圈，为内层套筒4与外层套筒5之间提供密封。阀塞3外壁上端加工有环形开槽，用以安装o形密封圈，为阀塞3与内层套筒4之间提供密封。阀座2外壁下端加工有环形开槽，用以安装o形密封圈，为阀座2与阀体1之间提供密封。阀杆6与阀盖7之间使用环形密封填料填充，填料底部安装环形填料垫，填料通过填料压盖9压紧，为阀杆6与阀盖7提供密封。阀塞3与阀座2接触部分进行倒角加工，阀塞3外壁下端倒角为45
°
，阀座2内壁上端倒角为44
°
，为控制阀关闭情况下的阀塞3与阀座2提供密封。
42.在该套筒控制阀中，对零件进行特殊加工以便装配。阀杆6与阀塞3之间采用螺栓连接，阀杆6与阀塞3的螺孔采用配打加工，以保证装配精准度。外层套筒5内壁上端进行倒角加工，以便将内层套筒4安装进外层套筒5内部。内层套筒4内壁上端进行倒角加工，以便将内层套筒4安装进外层套筒5内部。内层套筒4齿形部分齿根圆直径小于内层套筒4内径，用以套筒旋杆8的轴向定位作用。内层套筒4与外层套筒5之间采用间隙配合加工，阀塞3与内层套筒4之间采用间隙配合加工，套筒旋杆8与阀盖7之间采用间隙配合加工。阀杆6与阀盖7之间采用间隙配合加工。
43.在该套筒控制阀中，对零件进行特殊加工以便提高稳定性。阀塞3开有均匀分布的孔，保证阀塞3上方与下方之间压力相同，减少阀塞3上下移动所需驱动力。阀杆6在运动过程中与填料接触的部位使用较高等级表面粗糙度加工，减少阀杆6在运动过程中受到的摩擦力，减少阀塞3上下移动所需驱动力。阀杆6与阀塞3的螺栓连接使用防松垫圈，保证控制阀使用过程中阀杆6与阀塞3连接的稳定性。作为优选的，内层套筒4高度应小于阀座2与阀盖7之间的高度差，保证内层套筒4能够在外层套筒5内部自由旋转，减少套筒旋杆8所提供的驱动力。作为优选的，外层套筒5或内层套筒4的节流窗面积应小于阀体入口面积，以保证
控制阀在大流量情况下的调节能力。
44.利用上述套筒控制阀的使用方法，具体如下：
45.首先，安装阀体1、阀盖7、阀座2、阀塞3、阀杆6、内层套筒4、外层套筒5、套筒旋杆8、填料压盖9、执行机构10等零件，随后将套筒控制阀通过标准法兰与入口管道以及出口管道连接。
46.将霍尔效应角度传感器与套筒旋杆8连接，固定角度传感器，通过霍尔效应角度传感器实时获取套筒旋杆8的旋转角度数据。
47.通过内层套筒4与套筒旋杆8齿数之比计算出齿轮传动的传动比i＝z1/z2，则内层套筒4旋转角度α＝β/i。其中，z1为内层套筒4的内齿轮齿数，z2为套筒旋杆8的外齿轮齿数，β为霍尔效应角度传感器记录的套筒旋杆8旋转角度。
48.根据控制阀应用场景需求，控制套筒旋杆8的旋转角度以调节第一节流窗口和第二节流窗口的重合面积。同时，通过执行机构10调整阀杆6的轴向位移，使阀塞3移动到目标高度，调整对第一节流窗口的遮挡面积。
49.从入口进入阀体1内腔的流体，经过第一节流窗口和第二节流窗口的重合处并从阀塞3底部经阀座2从出口流出阀体1内腔。通过控制阀塞3与内层套筒4的运动位置，分别改变第一节流窗与第二节流窗的面积，且两个流通面积相互影响，实现了对控制阀内流体的双自由度控制。
50.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。

技术特征：
1.一种带双自由度控制的组合式阀芯组件，其特征在于，包括由内到外依次同轴贴合布设的阀塞(3)、内层套筒(4)和外层套筒(5)；所述阀塞(3)为柱状结构，沿轴向开设有若干竖直通孔，顶部用于与阀杆(6)相连，能随阀杆(6)的竖向移动沿内层套筒(4)的内壁上下密封滑动；所述内层套筒(4)周向开设有若干第一节流窗口，第一节流窗口的高度小于阀塞(3)高度；内层套筒(4)内壁上端沿周向加工有内齿轮齿形，内齿轮齿形用于与套筒旋杆(8)底部的外齿轮齿形啮合；套筒旋杆(8)与阀盖(7)密封连接且上部露出阀盖(7)；通过旋转套筒旋杆(8)，能使内层套筒(4)在啮合传动下沿外层套筒(5)内壁密封转动；所述外层套筒(5)与阀体(1)固定连接，周向均匀开设有若干第二节流窗口，第二节流窗口与第一节流窗口的数量和尺寸均相同。2.根据权利要求1所述的一种带双自由度控制的组合式阀芯组件，其特征在于，所述阀塞(3)与内层套筒(4)之间采用间隙配合，内层套筒(4)和外层套筒(5)之间采用间隙配合。3.根据权利要求1所述的一种带双自由度控制的组合式阀芯组件，其特征在于，所述套筒旋杆(8)底部的外齿轮齿形与内层套筒(4)内壁上端的内齿轮齿形，两者的齿形结构模数相等。4.根据权利要求1所述的一种带双自由度控制的组合式阀芯组件，其特征在于，所述旋转套筒旋杆(8)上设有霍尔效应角度传感器。5.根据权利要求1所述的一种带双自由度控制的组合式阀芯组件，其特征在于，所述外层套筒(5)与内层套筒(4)内壁上端均进行倒角加工，阀塞(3)与阀杆(6)之间采用螺栓连接。6.一种具有权利要求1～5任一所述组合式阀芯组件的套筒控制阀，其特征在于，包括阀体(1)、阀座(2)、阀杆(6)、阀盖(7)、执行机构(10)和执行机构支架(11)；所述阀体(1)顶部密封设有阀盖(7)，阀盖(7)上方设有执行机构支架(11)，执行机构支架(11)上固定有用于控制阀杆(6)轴向移动的执行机构(10)；所述外层套筒(5)底部通过阀座(2)固定于阀体(1)内腔，顶部设于阀盖(7)底部且周向与阀体(1)密封连接。7.根据权利要求6所述的套筒控制阀，其特征在于，所述阀座(2)为阶梯状环形零件，其阶梯高度与外层套筒(5)和内层套筒(4)相配合，用以外层套筒(5)与内层套筒(4)的轴向和径向定位；所述内层套筒(4)齿形部分齿根圆直径小于内层套筒(4)内径，用以套筒旋杆(8)的轴向定位；所述阀盖(7)为阶梯状柱形零件，其中心轴位置加工有贯穿孔用以定位阀杆(6)，在中心轴偏心位置加工有贯穿孔用以定位套筒旋杆(8)。8.根据权利要求6所述的套筒控制阀，其特征在于，所述阀杆(6)与阀盖(7)之间使用环形的密封填料(12)填充，密封填料(12)底部安装环形的填料垫圈(13)，密封填料(12)顶部通过填料压盖(9)压紧，为密封填料(12)提供密封。9.根据权利要求6所述的套筒控制阀，其特征在于，所述第一节流窗口和第二节流窗口的面积均小于阀体(1)入口面积；内层套筒(4)在套筒旋杆(8)驱动下沿外层套筒(5)的轴向旋转范围，应当使第一节流窗口和第二节流窗口能够重合；所述阀塞(3)在阀杆(6)的驱动下沿内层套筒(4)的上下移动范围，应当使阀塞(3)能够完全遮蔽和打开第一节流窗口。10.一种利用权利要求6～9任一所述套筒控制阀的使用方法，其特征在于，具体如下：将霍尔效应角度传感器与套筒旋杆(8)连接，通过霍尔效应角度传感器实时获取套筒旋杆(8)的旋转角度数据；通过内层套筒(4)与套筒旋杆(8)齿数之比计算出齿轮传动的传
动比i＝z1/z2，则内层套筒(4)旋转角度α＝β/i；其中，z1为内层套筒(4)的内齿轮齿数，z2为套筒旋杆(8)的外齿轮齿数，β为霍尔效应角度传感器记录的套筒旋杆(8)旋转角度；根据控制阀应用场景需求，控制套筒旋杆(8)的旋转角度以调节第一节流窗口和第二节流窗口的重合面积；同时，通过执行机构(10)调整阀杆(6)的轴向位移，使阀塞(3)移动到目标高度，调整对第一节流窗口的遮挡面积；从入口进入阀体(1)内腔的流体，经过第一节流窗口和第二节流窗口的重合处并从阀塞(3)底部经阀座(2)从出口流出阀体(1)内腔；通过控制阀塞(3)与内层套筒(4)的运动位置，实现对套筒控制阀开度的双自由度调整。

技术总结
本发明公开了一种带双自由度控制的组合式阀芯组件、套筒控制阀及其方法，涉及控制阀领域。组合式阀芯组件由内层套筒、外层套筒、阀塞、套筒旋杆、阀杆组成。套筒控制阀由组合式阀芯组件、阀体、阀盖、阀座、填料压盖、执行机构组成。阀塞与阀杆连接，阀杆驱动阀塞在内层套筒内部上下移动。内层套筒加工有内齿轮，套筒旋杆加工有外齿轮，内层套筒与套筒旋杆的齿轮相啮合，套筒旋杆旋转驱动内层套筒在外层套筒内部旋转运动。外层套筒与内层套筒开有节流窗，允许流体通过节流窗流出。通过内层套筒的旋转位置与阀塞的位移位置，实现对流体的双自由度控制。本发明提出的结构能够提高控制阀调节精度及最大可调比。度及最大可调比。度及最大可调比。


技术研发人员：钱锦远 罗宇轩 周兆年 金志江
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/8/1