[发明专利]一种气动差压共轨驱动执行装置及其执行姿态的受力分析方法

权利要求书

1.一种气动差压共轨驱动执行装置，其特征在于：包括气动执行器、气动阀及气控单元，其中气动阀固设于燃气管路上，气动阀上调节连接气动执行器，气控单元的信号气采集端分别连接气动阀的进气端燃气管路及排气端燃气管路，气控单元的控制气输出端连通气动执行器，为气动执行器开闭气动阀提供控制动力；

所述气动阀包括阀体及转子阀芯，其中阀体的内部沿燃气管路延伸方向的径向活动插接转子阀芯；所述转子阀芯周向旋转并轴向及径向限位连接在阀体内部，转子阀芯的上部升降滑动并同轴插接阀杆，转子阀芯上部的周向外壁上开设有弧形导槽，转子阀芯的中部径向开设过气孔，且转子阀芯的底部通过阀芯轴承与阀体的底部内壁转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种气动差压共轨驱动执行装置，其特征在于：所述气动执行器包括壳体、阀杆、驱动膜片及驱动弹簧，其中壳体固设在气动阀上方，壳体内壁的顶部固接驱动弹簧，壳体内壁的中部密封固设驱动膜片，壳体的底部升降滑动并穿透连接阀杆；所述阀杆的顶部与驱动膜片固定连接，阀杆的下部伸入至气动阀内部，且阀杆的底部径向制出有与弧形导槽的内壁滑动导向连接的阀杆转子；所述驱动弹簧的一端顶压支撑在壳体的顶面内壁上，驱动弹簧的另一端顶压支撑在驱动膜片的顶面上，且驱动弹簧与阀杆共轴心设置。

3.根据权利要求1所述的一种气动差压共轨驱动执行装置，其特征在于：所述气控单元包括指挥器、P1信号管、P2信号管及P3信号管，其中指挥器分别连通P1信号管及P2信号管的排气端，以及P3信号管的进气端；所述P1信号管的进气端连通气动阀的进气端燃气管路；所述P2信号管的进气端连通气动阀的排气端燃气管路，且P2信号管的排气端还连通气动执行器位于驱动膜片上方的壳体内部；所述P3信号管的排气端连通气动执行器位于驱动膜片下方的壳体内部。

4.根据权利要求1所述的一种气动差压共轨驱动执行装置，其特征在于：所述弧形导槽径向开设在转子阀芯的外壁上，该弧形导槽的槽顶开口，弧形导槽的槽底为盲槽，且弧形导槽的槽顶与弧形导槽的槽底的圆心角夹角为90°。

5.一种如权利要求1所述的气动差压共轨驱动执行装置在其执行姿态下的受力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：定义F为阀杆转子的重力方向受力；定义f₁及f₂为F的分力，即阀杆转子施加给弧形导槽内壁的变方向力；定义θ为f₂与F的夹角；定义α为阀芯转动的角度，该角度在计算扭矩做功时以弧度计，弧度以radα表示；定义h为阀芯达到某个转动角度需要驱动膜片产生的对应位移；定义fa为f1在切线方向的分力，fa＝f₁cosθ；定义r为阀芯半径；可得：

f₁＝F×sinθ；………………………………………………………………………(1)

步骤2：由于f₂为摩擦力，根据摩擦力公式：f＝μ×N，其中，μ为摩擦因数，N为正压力，根据轨道受力分析，该摩擦力的正压力为F在轨道曲线法向方向的分力，因此可得：

f₂＝μ×F×sinθ；……………………………………………………………………(2)

步骤3：根据转动扭矩公式：T＝F×r×cosθ，可得：

f₁分力扭矩为：T₁＝f₁×r×cosθ…………………………………………………(3)

f₂分力扭矩为：T₂＝f₂×r×cos(90°-θ)…………………………………………(4)

其中，f₂分力与阀芯转动方向的夹角为(90°-θ)；

步骤4：由于F为f₁和f₂合力，根据能量守恒定律可知，F做功与2个分力做功应相等；根据做功计算公式：W＝F×s×cosθ，其中，F为力，s为位移，θ为力与运动方向的夹角，可得：合力做功为：W_F＝F×h，(合力方向与阀杆运动方向无夹角)，根据旋转做功计算公式：W＝T×radα，其中，T为扭矩，radα为扭矩产生的角度位移(弧度)；

f₁分力做功为：W_f1＝T₁×radα，代入式(3)，可得：

W_f1＝f₁×r×cosθ×radα，代入式(1)，可得：

W_f1＝F×sinθ×r×cosθ×radα

W_f1＝F×r×radα×sinθcosθ………………………………………………………(5)

f₂分力做功为：W_f2＝T₂×radα，代入式(4)，可得：

W_f2＝f₂×r×cos(90°-θ)×radα，代入式(2)，可得：

W_f2＝μ×F×sinθ×r×cos(90°-θ)×radα

W_f2＝μ×F×r×radα×sinθ×cos(90°-θ)…………………………………………(6)

步骤5：根据能量守恒定律，可得：W_F＝W_f1+|W_f2|，由于f₂做功为损耗，故在计算总做功时应取其绝对值；代入式(5)和式(6)，得：

F×h＝F×r×radα×sinθcosθ+|μ×F×r×radα×sinθ×cos(90°-θ)|

对公式进一步演算可得：

h＝r×radα×sinθcosθ+|μ×r×radα×sinθcos(90°-θ)|

h＝r×radα×(sinθcosθ+|μsinθcos(90°-θ)|)

根据正余弦换算公式：

其中：正好为90°的弧度，因此可得cos(90°-θ)＝-sinθ………………………(7)

代入式(7)，可得：

h＝r×radα×(sinθcosθ+|-μsinθsinθ|)

h＝r×radα×(sinθcosθ+μsinθsinθ)………………………………………………(8)

步骤6：根据三角函数辅助角公式，可推导得：

其中，μ为金属摩擦因数，取值：0.25，代入式(9)进一步演化：

步骤7：根据式(1)和式(3)可得：阀芯扭矩最小值为：

T₁＝f₁×r×cosθ

T＝F×r×sinθcosθ

根据三角函数公式：可得：

代入式(10)可得：

其中：F＝|F_KX-F_P3|

F_KX为气动执行器中弹簧的加载力，可根据弹簧系数与压缩量计算而得；

F_P3为P3气压作用在膜片上的加载力，可根据P3导入气压值与膜片受力面积计算而得；

因此，根据式(11)，可计算出阀芯在任意旋转角度时所需的最小扭矩值。