CN105240576A - 工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，它包括至少两个可相对开合的膜瓣，膜瓣之间的间隙为供流体流通的通道，膜瓣相互之间组合形成穹顶形结构或棱锥形结构，穹顶形结构或棱锥形结构的顶部朝向与流体流动方向一致；或者它包括一内环片和一外环片，外环片套置在内环片上，外环片和内环片之间的间隙为供流体流通的通道，内环片和外环片相互之间组合形成环向延伸的拱形结构，拱形结构的顶部朝向与流体流动方向一致。本发明响应速度快。

Description

工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀

技术领域

本发明涉及一种工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀。

背景技术

单向阀作为基本部件，在液压***中有着广泛的应用，在近几年关于各种新型液压***的研究中，液压***一般工作在几十到几百赫兹的频率范围内，***达到如此高的工作频率，已经远远超出以前液压***对于单向阀的频响要求，这样，在新型液压***中，单向阀的响应速度无法满足液压***的动作要求，将会使得整个液压***的性能降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种响应速度快的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀。

为解决上述技术问题，本发明提供的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，它包括至少两个可相对开合的膜瓣，膜瓣之间的间隙为供流体流通的通道，膜瓣相互之间组合形成穹顶形结构或棱锥形结构，穹顶形结构或棱锥形结构的顶部朝向与流体流动方向一致；或者

它包括一内环片和一外环片，外环片套置在内环片上，外环片和内环片之间的间隙为供流体流通的通道，内环片和外环片相互之间组合形成环向延伸的拱形结构，拱形结构的顶部朝向与流体流动方向一致。

作为优选，所述的膜瓣为两个，两个膜瓣的顶边相互抵靠形成穹顶形结构。

作为优选，两个膜瓣的顶边上均设置有向流体流动方向延伸的唇边。

作为优选，所述的膜瓣为三个，三个膜瓣的侧边依次抵靠形成棱锥形结构。

作为优选，三个膜瓣的侧边上均设置有向流体流动方向延伸的唇边。

作为优选，每个膜瓣均固定在一膜瓣座上，膜瓣与相应的膜瓣座通过一可发生弹性形变的连接部相连接。

作为优选，所述的内环片固定在一内固定环上，内环片与内固定环通过一可发生弹性形变的连接部相连接；所述的外环片固定在一外固定环上，外环片与外固定环通过一可发生弹性形变的连接部相连接。

作为优选，所述的连接部上设置有张力槽。

作为优选，所述的连接部上设置有弹性褶皱。

作为优选，内环片和外环片相互之间组合形成的环向延伸的拱形结构内设置有一支撑骨架，支撑骨架为环向延伸的拱形结构，支撑骨架上布满通孔。

采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

在液体正向流过该单向阀时，膜瓣受到液体的正向压力而打开，在膜瓣之间形成供液体流过的间隙，由于膜瓣相互组合形成穹顶形结构或棱锥形结构，使得正流向液体在打开膜瓣时可以非常有效的分解膜瓣背部受到的反向压力，所以可以以较小的正向压力差迅速打开膜瓣，使得该单向阀的响应速度快；而当液体反向流动时，液体使得膜瓣相互之间紧压，由于膜瓣相互组合形成穹顶形结构或棱锥形结构，膜瓣可以有效分解液体的反向压力，使得该单向阀可以有效抵抗反流向液体施加在膜瓣背部的压力，以防止膜瓣变形。

附图说明

图1是膜瓣为两个时本发明的侧视图；

图2是膜瓣为两个时本发明的***图；

图3是膜瓣为两个时本发明的正视图；

图4是图3中的A-A向剖视图；

图5是膜瓣为三个时本发明的侧视图；

图6是膜瓣为三个时本发明的***图；

图7是膜瓣为三个时本发明的正视图；

图8是图7中的B-B向剖视图；

图9是膜瓣为两个时本发明另一实施例的***图；

图10是膜瓣为两个时本发明另一实施例的剖视图；

图11是膜瓣打开时的结构示意图；

图12是膜瓣打开时的结构示意图；

图13是膜瓣打开时的结构示意图；

图14是图13的C-C向剖视图；

图15是膜瓣启闭的动作视图；

图16是目前工业用单向启闭阀的工作示意图。

其中，1、膜瓣；2、唇边；3、膜瓣座；4、张力槽；5、支撑骨架；501、通孔；6、内环片；601、内固定环；7、外环片；701、外固定环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

本发明工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀包括至少两个可相对开合的膜瓣1，膜瓣1之间的间隙为供流体流通的通道，膜瓣1相互之间组合形成穹顶形结构或棱锥形结构，穹顶形结构或棱锥形结构的顶部朝向与流体流动方向一致。

由图1～图4所示，当膜瓣1为两个时，膜瓣1大致为叶瓣形，两个膜瓣1的顶边相互抵靠形成穹顶形结构。

由图5～图8所示，当膜瓣1为三个时，膜瓣1大致为三角形，三个膜瓣1的侧边依次抵靠形成棱锥形结构。

当然，所述的膜瓣也可以为四个甚至更多个，所有膜瓣的侧边依次抵靠形成棱锥形结构。

每个膜瓣1均固定在一膜瓣座3上，膜瓣座3依次相连围合成环状结构，该环状结构具有一开口，液体正向流动时，液体先流过该开口，然后液体对膜瓣1的腹部施加压力，使得膜瓣1打开，膜瓣1之间形成间隙，液体从该间隙流过。

膜瓣1与相应的膜瓣座3通过一连接部相连接，连接部上设置有张力槽4或弹性褶皱，张力槽4分为凹形张力槽和凸形张力槽，在膜瓣受到正向流动的液体的压力时，张力槽或弹性褶皱发生弹性变形，以对膜瓣的开合提供变形量，以使得膜瓣可以开合。

传统的单向阀，其膜瓣打开时其变形区域必定发生在膜瓣上，这就决定了膜瓣不能使用硬质材料，所以传统的单向阀注定不能在高压控制泵上使用，而本发明中由于设置张力槽这样的复位弹性结构，所以膜瓣完全可以采用硬质材料，以保证该单向阀可以在高压液流介质内正常工作。

当膜瓣1为两个时，两个膜瓣1的顶边上均设置有向流体流动方向延伸的唇边2，当膜瓣1为三个或三个以上时，所有膜瓣1的侧边上均设置有向流体流动方向延伸的唇边2，也就是说唇边2沿液体流动的正方向延伸，膜瓣的相抵靠的顶边或侧边上的唇边相抵，唇边结构有利于降低因为膜瓣受力变形、或膜瓣制造误差等所导致的相邻膜瓣的错位而发生的反向渗漏、或膜瓣相抵受力不均而导致的结构坍塌，从而可以避免单向阀的功能失效；该唇边还有另一个优点，就是液体单向流动时，不仅可以有效避免‘锋利’棱边对液体的扰流紊流的发生，而且还具有了避免由此紊流而可能引发的“汽泡”这一额外缺陷的诱发。

由图9、图10所示，此时工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀包括一内环片6和一外环片7，外环片7套置在内环片6上，外环片7和内环片6之间的间隙为供流体流通的通道，内环片6和外环片7相互之间组合形成环向延伸的拱形结构，拱形结构的顶部朝向与流体流动方向一致。

所述的内环片6固定在一内固定环601上，内环片6与内固定环601通过一可发生弹性形变的连接部相连接；所述的外环片7固定在一外固定环701上，外环片7与外固定环701通过一可发生弹性形变的连接部相连接；连接部上设置有张力槽或弹性褶皱，在内环片6和外环片7受到正向流动的液体的压力时，张力槽或弹性褶皱发生弹性变形，以对内环片和外环片的相对开合提供变形量，以使得内环片和外环片可以相对开合。

内环片6和外环片7相互之间组合形成的环向延伸的拱形结构内设置有一支撑骨架5，支撑骨架5为环向延伸的拱形结构，支撑骨架5可以用于支撑内环片6和外环片7，可以防止反向流动的液体对内环片6和外环片7的背部施加压力而使得内环片6和外环片7变形，从而可以保证内环片6和外环片7的反流向抗压能力，支撑骨架5上布满通孔501，液体可以流过通孔501。

由图11～图14所示，当膜瓣打开时，膜瓣的尖角相互分离，液体从膜瓣的尖角之间缝隙流过。

由图15所示，当膜瓣打开时，膜瓣由闭合位置转换到打开位置，在此过程中，张力槽发生弹性形变，膜瓣发生转动，膜瓣的尖角沿弧形轨迹移动，液体流动方向与膜瓣的启闭方向是一种几乎垂直的关系，这样就使得膜瓣打开时所受的液体反向压力较小，使得膜瓣较容易打开和关闭，使得本发明的单向流动启闭阀响应频率较高，而且三叶膜瓣的尖角结构，更利于叶瓣切入液体，所以三叶膜瓣相对二叶膜瓣就具有了更高频率响应的启闭特性。

本发明所指的高频响应单向流动启闭阀是指单向流动启闭阀的响应频率大于50赫兹。

目前工业用单向启闭阀，大都其开启与关闭方向均与它所控制的液体的流向是一致的，见图16，当液体向上流动时，球阀上移，当液体向下流动时，球阀下移，

由图16可知，设阀门球受到：弹性力-kx，阻尼力周期性外力(驱动力)为此处液体的动量冲击压力d(m₀υ)/dt，其中d(m₀υ)/dt式中的速度分量是指液体流速从υ₁到υ₂的变化量，即dυ＝υ₂-υ₁，这样由于液体密度不变，则对球体作用的液体质量m₀恒定，所以d(m₀υ)/dt变换可得d(m₀υ)/dt＝m₀×d(υ₂-υ₁)/dt＝m₀×(dυ₂/dt-dυ₁/dt)，对于外腔无限大的容积视为dυ₂/dt＝0，再在上式中共同乘除一个流道的截面积S与深度l，则可得 $d\left(m\mathrm{\υ}\right)/dt=-\mathrm{\ρ}v\frac{d\mathrm{\υ}}{dt},$ 所以阀门球受力为： $\mathrm{\ρ}v\frac{d\mathrm{\υ}}{dt}\mathrm{...}\left(1\right)$

式中ρ为液体密度，v为流道体积。

令dυ₁/dt＝A₀cos(ωt)，则(1)式变为：ρvA₀cos(ωt)＝Acos(ωt)，设阀门球质量为m，则由图建立受力平衡方程：

mx″+γx′+kx＝Acos(ωt)………………………(2)

令 $\frac{k}{m}={\mathrm{\ω}}_0^2,\frac{\mathrm{\γ}}{m}=2\mathrm{\β},\frac{A}{m}=f_0$

∵β<ω₀欠阻尼状态，其通解为：

x(t)＝x₀(t)+x₁(t)＝A₀e^-βtcos(ω′t+α)+A₁cos(ωt+φ)…………(3)

其中 ${\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}=\sqrt{{\mathrm{\&omega;}}^2-{\mathrm{\&beta;}}^2},tg\mathrm{\&phi;}=\frac{-2\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&omega;}}{{\mathrm{\&omega;}}_0^2-{\mathrm{\&omega;}}^2},A_1=f_0/\sqrt{{({\mathrm{\&omega;}}_0^2-{\mathrm{\&omega;}}^2)}^2+4{\mathrm{\&beta;}}^2{\mathrm{\&omega;}}^2}$

(3)式中与振幅有关的A₀e^-βt与A₁中，第一项是时间衰减量，当阀门质量m越大衰减率也就越大；第二项是频率衰减量，当策动频率ω越高振幅越小。另外tgφ中φ为阀门球的滞后角，由于当ω>ω₀时阀门球的振动方向将趋于与液体振动方向相反的振动方式，这样阀门球将无法正常工作，所以工业单向启闭阀工作范围一般在ω<ω₀区域内，要求阻尼系数γ足够小，确保阀门球的滞后角φ小，以保证其单向启闭阀的高频快速响应特性。

由上分析，对于快速启闭阀即应要求：①启闭体的质量m应小，或k、m比率应高(但这样阀门的开启压力就增高了，这与低压阀门开启形成了矛盾体，这是传统启闭阀最致命的缺陷)；②快速启闭阀的结构设计和液体的流动方式应使阻尼系数γ足够小(但在流动方向上的γ值是最大的，这是由于γ往往正比与这样就阻碍了阀门的快速关闭，这又是传统启闭阀要害的缺陷)。

这样借用(2)式mx″+γx′+kx＝Acos(ωt)简要定性地对比分析下，本专利膜瓣式启闭阀的快速响应性。首先传统启闭阀开启时，液体流速从υ₁变为υ₂，方向发生了明显的变化，而膜瓣式启闭阀其阀门的开启几乎对液体流向没发生任何变化，所以传统启闭阀的mx″值比当下启闭阀的mx″值大得多，这样就可等效的认为：参与对液体作用的等效移动阀门体的质量，其膜瓣式的m值远比传统的m值小的多；第二点，液体流动对膜瓣式启闭阀的阻尼系数γ，比传统的阻尼系数γ小得多，这是由于在其法向的分量最小。基于以上两点足以说明膜瓣式启闭阀具有非常高的快频响应特性。

而且由上分析，传统的启闭阀是一种“塞流阀”，而膜瓣式启闭阀却是一种“截流阀”，并由此可以得出一个较普遍的控制效果，“截流”比“塞流”控制响应速度更快。

以上仅就本发明应用较佳的实例做出了说明，但不能理解为是对权利要求的限制，本发明的结构可以有其他变化，不局限于上述结构。总之，凡在本发明的独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，它包括至少两个可相对开合的膜瓣(1)，膜瓣(1)之间的间隙为供流体流通的通道，膜瓣(1)相互之间组合形成穹顶形结构或棱锥形结构，穹顶形结构或棱锥形结构的顶部朝向与流体流动方向一致；或者

它包括一内环片(6)和一外环片(7)，外环片(7)套置在内环片(6)上，外环片(7)和内环片(6)之间的间隙为供流体流通的通道，内环片(6)和外环片(7)相互之间组合形成环向延伸的拱形结构，拱形结构的顶部朝向与流体流动方向一致。

2.根据权利要求1所述的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，所述的膜瓣(1)为两个，两个膜瓣(1)的顶边相互抵靠形成穹顶形结构。

3.根据权利要求2所述的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，两个膜瓣(1)的顶边上均设置有向流体流动方向延伸的唇边(2)。

4.根据权利要求1所述的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，所述的膜瓣(1)为三个，三个膜瓣(1)的侧边依次抵靠形成棱锥形结构。

5.根据权利要求4所述的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，三个膜瓣(1)的侧边上均设置有向流体流动方向延伸的唇边(2)。

6.根据权利要求1所述的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，每个膜瓣(1)均固定在一膜瓣座(3)上，膜瓣(1)与相应的膜瓣座(3)通过一可发生弹性形变的连接部相连接。

7.根据权利要求1所述的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，所述的内环片(6)固定在一内固定环(601)上，内环片(6)与内固定环(601)通过一可发生弹性形变的连接部相连接；所述的外环片(7)固定在一外固定环(701)上，外环片(7)与外固定环(701)通过一可发生弹性形变的连接部相连接。

8.根据权利要求6或7所述的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，所述的连接部上设置有张力槽(4)。

9.根据权利要求6或7所述的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，所述的连接部上设置有弹性褶皱。

10.根据权利要求1所述的工业用仿生瓣膜式高频响应单向流动启闭阀，其特征在于，内环片(6)和外环片(7)相互之间组合形成的环向延伸的拱形结构内设置有一支撑骨架(5)，支撑骨架(5)为环向延伸的拱形结构，支撑骨架(5)上布满通孔(501)。