CN115013723B - 先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶及高压气源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压气源装置，尤其涉及一种先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，包括瓶体和设于所述瓶体头部的快插头组件以及设于所述瓶体尾部的手柄；所述快插头组件包括插头壳体和设于所述插头壳体内活门密封组件；所述插头壳体的一端设为插入端，另一端设为连接端，且所述连接端与所述瓶体可拆卸密封连接，且所述插入端的端部外周均布有至少2枚对接锁紧钉；所述插头壳体内由插入端至连接端依次设有相连通的供气腔、第一连通腔和第二连通腔；所述插入端外周均布有多个与供气腔连通的通气孔；所述活门密封组件包括顶杆、密封圈、主活门、先导活门、弹簧组件。本发明实现了气瓶的盲插盲拔，且开启阻力小，模块化设计，大大节约了备份成本。

Description

先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶及高压气源装置

技术领域

本发明涉及一种高压气源装置，尤其涉及一种先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶及高压气源装置。

背景技术

在一些特殊的场合，需要高压气源装置为执行器提供动力。例如如下场合：

一、在战机副油箱挂架及导弹发射挂架中，就安装有高压气源装置，通过飞行员在座舱内的操作，特定时刻打开此高压气源装置，驱动挂架上气缸内的活塞运动打开锁扣装置，使副油箱或导弹脱离挂架。

二、单兵导弹发射装置也需要高压气源装置提供初始动力使弹体飞离发射筒。

对于目前的如战机副油箱抛投及导弹反射离架的高压气源装置，由两部分组成，第一部分为气瓶支架总成A，如说明书附图10所示，包含供气插孔A1、电磁阀A2、控制线路插头插座A3、管路件A4 等附件，安装固定于战机某一仓室内，检修时才会拆下。第二部分为高压储能气瓶B，如说明书附图11所示，由快插头B1、瓶体B2、压力表B3等附件组成。为保证安全，高压储能气瓶平时充满高压气体后脱离战机单独存放，战机升空前才由地勤人员快速插入气瓶支架内，手动打开气瓶内的阀门B4为电磁阀供气；战机执行任务(或训练)归来落地后，地勤人员将高压储能气瓶在带压状态下快速拔下(战机升空训练时，若没有抛投副油箱或发射导弹，气瓶压力略有降低，但仍为高压状态，约为29MPa)，重新补充至规定压力，以备下次再用。带压插拔的意思是指(升空前)不能将空的气瓶装上战机上再现场充气，或者(落地后)将气瓶内的高压气体完全排空后才能安全拔下，那样操作有一定的危险性且耗时过长，战机不能及时升空或转移，严重影响作战效能。

现有的高压储能气瓶存在如下缺陷：

1、插拔速度不够快：现有的高压储能气瓶中，均在气瓶和气瓶支架上做有标记位置，地勤人员要在目视准确对准标记位置的情况下，才能插入和拔出气瓶，若夜间执行任务或现场光线不佳，速度会更慢，没能实现真正意义的快速盲插盲拔；

2、现有的高压储能气瓶内的密封结构复杂，且可靠性低，24小时压降大，均至少大于0.05MPa；

3、维护性能差：由于现有的高压储能气瓶内部结构复杂，密封件散布于瓶体内，一旦高压储能气瓶出现密封泄露问题，只能整瓶返厂维修，因此需要较多的整瓶备份，增加成本。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶及高压气源装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，包括瓶体和设于所述瓶体头部的快插头组件以及设于所述瓶体尾部的手柄；所述快插头组件包括插头壳体和设于所述插头壳体内活门密封组件；所述插头壳体的一端设为插入端，另一端设为连接端，且所述连接端与所述瓶体可拆卸密封连接，且所述插入端的端部外周均布有至少2枚对接锁紧钉；所述插头壳体内由插入端至连接端依次设有相连通的供气腔、第一连通腔和第二连通腔；所述插入端外周均布有多个与供气腔连通的通气孔；所述活门密封组件包括顶杆、密封圈、主活门、先导活门、弹簧组件，所述主活门活动地设于所述第一连通腔内且可隔绝所述供气腔，所述先导活门活动地设于所述主活门端部的盲孔内，所述弹簧组件一端抵接所述先导活门，另一端连接所述插头壳体，所述顶杆活动设于所述供气腔内，其一端通过密封圈密封地贯穿所述插入端，另一端贯通至所述主活门的盲孔内。

在本发明提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的一种较佳实施例中，所述顶杆的两端分别设有第一顶柱和第二顶柱，所述第一顶柱通过密封圈与插头壳体密封地贯穿所述插入端，所述第二顶柱贯通至所述主活门的盲孔内。

在本发明提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的一种较佳实施例中，所述第一顶柱内设有排气盲孔，所述顶杆的杆身四周设有与所述排气盲孔相连通的贯通孔；所述插头壳体内还设有泄气腔，所述泄气腔位于所述供气腔的前端，所述泄气腔内螺接有螺堵，所述螺堵上设有多个泄气孔；所述螺堵内可活动限位地设有与所述顶杆同轴的放气座。

在本发明提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的一种较佳实施例中，所述顶杆的第一顶柱位于所述泄气腔内的一端还套设有导向套，所述导向套位于所述第一顶柱的端部设为扩口状，且所述导向套上设有排气孔。

在本发明提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的一种较佳实施例中，所述放气座和主活门均采用PEEK复合材料制成。

在本发明提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的一种较佳实施例中，所述供气腔的直径＜所述第一连通腔的直径＜第二连通腔的直径。

在本发明提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的一种较佳实施例中，所述供气腔与所述主活门的接触面的端面以及所述先导活门与所述主活门的接触面的端面均设有环状凸筋。

在本发明提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的一种较佳实施例中，所述插头壳体位于所述通气孔处设有倒等腰梯形的凹槽，且所述通气孔的前端和后段均设有密封槽，所述密封槽内设有密封圈。

在本发明提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的一种较佳实施例中，所述连接端上还设有螺塞，所述螺塞与所述瓶体螺纹连接。

还提供一种高压气源装置，包括上述任一所述实施例中的所述高压储能气瓶和气瓶支架总成，所述气瓶支架总成包括电磁阀供气组件，所述电磁阀供气组件的供气插孔的孔底内壁设有与所述对接锁紧钉相匹配的铍青铜耐磨螺旋槽，且孔底设有阀杆，供气插孔内还设有与所述通气孔相连通的所述电磁阀供气孔。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1、本发明的高压储能气瓶在插入端设计对接锁紧钉，与高压储能气瓶的供气插孔内的螺旋槽螺旋锁紧，实现了高压储能气瓶的快速盲插/盲拔；

2、所述高压储能气瓶通过供气插孔内的阀杆控制活门密封组件实现瓶体内高压气体的通断，开启阻力极小，降低了气瓶的安装难度；

3、采用所述活门密封组件与插头壳体之间的动密封结构作为主要密封手段，密封结构简单，密封效果好，24小时压降小于0.01MPa；

4、所述高压储能气瓶采用模块化设计，由快插头组件、瓶体、手柄三部分组成，各部分均可单独装配、测试。其中快插头组件由于内部装有活门密封组件，长期使用后会磨损，为此将此组件作为易损件作为备份，紧急情况下，地勤人员可以快速更换而不用返厂维修，且组件的价格远低于总成，大大节约了备份成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的结构示意图；

图2是图1提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的主视图；

图3是图2提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的左视图；

图4是图2提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的右视图；

图5是图2提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的俯视图；

图6是图5提供的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶的A-A 剖视图；

图7是本发明提供的所述快插头组件的剖视图；

图8是本发明提供的所述快插头组件在放气状态的剖视图；

图9是本发明提供的高压气源装置的结构原理图；

图10是传统的高压气源装置的结构原理图；

图11是传统的高压储能气瓶的结构原理图；

图12是采用直动式活门在关闭状态下的受力分析图；

图13是采用直动式活门在空气状态下的受力分析图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，如附图1～附图6所示，包括瓶体10和设于所述瓶体头部的快插头组件20 以及设于所述瓶体尾部的手柄30，所述瓶体10的尾部设有压力表40 和单向充气阀50，且压力表40的表下装有安全阀60(安全阀位于瓶体内)。

优选的，本实施例的所述快插头组件20包括插头壳体201和设于所述插头壳体201内活门密封组件；所述插头壳体201的一端设为插入端，用于插入气瓶支架总成，为电磁阀供气，如附图9所示，另一端设为连接端，且所述连接端与所述瓶体10可拆卸密封连接，如附图6和附图7所示，具体密封方式为：在连接端的外周上设置密封圈E，与瓶体实现密封；而本实施例的可拆卸连接方式优选为：在所述连接端上设置螺塞70，所述螺塞70与所述瓶体10螺纹连接，这种模块化的连接方式，便于快插头组件的拆装。

优选的，本实施例在所述插头壳体201的所述插入端的端部外周均布有至少2枚对接锁紧钉2010，本实施例设计为3枚；对应的，所述气瓶支架总成的供气插孔内设有与之相匹配的螺旋槽，高压储能气瓶利用对接锁紧钉与螺旋槽螺旋锁紧的方式进行固定，这种安装方式相比于传统设置对接标记槽及键的方式，实现了快速盲插和盲拔。经测试，对接锁定时间平均为6秒，解锁拔出时间为4秒。

优选的，本实施例的所述快插头组件20的内部结构为：如附图 7所示，所述插头壳体201内由插入端至连接端依次设有相连通的供气腔201a、第一连通腔201b和第二连通腔201c，且所述供气腔201a 的直径＜所述第一连通腔201b的直径＜第二连通腔201c的直径；所述插入端外周均布有多个与供气腔201a连通的通气孔2011，该通气孔作为气瓶支架总成的供气插孔内相电磁阀供气的出气通道。优选的，所述插头壳体201位于所述通气孔2011处设有倒等腰梯形的凹槽2012，所述凹槽降低了所述通气孔与电磁阀进气孔之间的容错率，使通气孔与电磁阀进气孔错位一定范围均满足供气需求。所述通气孔 2011的前端和后段均设有密封槽，所述密封槽内设有密封圈F，作为插头壳体的插入端与供气插孔之间的密封，保证供气过程不漏气。

优选的，如附图7所示，本实施例的所述活门密封组件包括顶杆 202、密封圈203、主活门204、先导活门205、弹簧组件206，所述主活门204活动地设于所述第一连通腔201b内且可隔绝所述供气腔 201a，所述先导活门205活动地设于所述主活门204端部的盲孔内，所述弹簧组件206一端抵接所述先导活门205，另一端连接所述插头壳体201，第一连通腔201b与第二连通腔201c始终相通，所述顶杆 202活动设于所述供气腔201a内，其一端通过密封圈203密封地贯穿所述插入端，另一端贯通至所述主活门204的盲孔内；优选的，所述顶杆202的两端分别设有第一顶柱2021和第二顶柱2022，所述第一顶柱2021通过密封圈203与插头壳体201密封地贯穿所述插入端，所述第二顶柱2022贯通至所述主活门204的盲孔内；且本实施例的第二顶柱2022的长度d1＞所述主活门204的盲孔孔底d2的厚度。

优选的，所述主活门204采用PEEK复合材料制成，具体可将 PEEK与PTFE共混制成复合材料，制造成本实施例的所述主活门作为动密封零件，具有材质具有突出的耐磨性和良好的密封效果。

优选的，本实施例的所述供气腔201a与所述主活门204的接触面的端面以及所述先导活门205与所述主活门204的接触面的端面均设有环状凸筋200，如附图7和附图8所示，该环状凸筋的设计，降低了先导活门以及供气腔腔口部位的接触面与主活门的接触面积，提高了密封效果，使其能达到24小时压降小于0.01MPa的目的。

工作原理如下：

气瓶关闭状态时，如附图7所示，先导活门在弹簧组件的作用下将主活门顶紧供气腔的腔口，隔绝供气腔与第一连通腔。此时，主活门与先导活门之间形成第一密封结构，主活门与供气腔的腔口之间形成第二密封结构。

气瓶开启状态时，如附图8所示，将顶杆向主活门的方向推进，先打开先导活门，第一密封结构失效，瓶体内高压气体进入供气腔，继续推进顶杆，顶杆将主活门彻底打开，第二密封结构失效。

实施例二

在实施例一的基础上，如附图7所示，本实施例进一步在所述第一顶柱2021内设有排气盲孔2021a，优选的，所述排气盲孔的孔径为φ0.5mm，所述顶杆202的杆身四周设有与所述排气盲孔2021a相连通的贯通孔2021b。本实施例在所述第一顶柱内设计的所述排气盲孔及贯通孔，使气瓶在关闭状态时，能将供气腔内的高压气体排出。

而为了保证气瓶在开启状态时，供气腔内的高压气体不外泄，如附图8所示，本实施例在所述插头壳体201内还设有泄气腔201d，所述泄气腔201d位于所述供气腔201a的前端，所述泄气腔201d内螺接有螺堵207，所述螺堵207上设有多个泄气孔2070，所述螺堵207内可活动限位地设有与所述顶杆202同轴的放气座208，优选的，所述放气座208采用PEEK复合材料制成，具体可将PEEK与PTFE 共混制成复合材料，制造成本实施例的所述放气座作为动密封零件，具有材质具有突出的耐磨性和良好的密封效果。

工作原理如下：

气瓶关闭时，如附图7所示，同实施例一所述，主活门与先导活门之间形成第一密封结构，供气腔与第一连通腔由主活门隔绝；

气瓶开启状态时，如附图8所示，第一顶柱通过密封圈与插头壳体之间形成第三密封结构，放气座与第一顶柱之间形成第四密封结构，此时，第三密封结构和第四密封结构的共同作用，将供气腔与泄气腔隔离，防止气瓶开启状态使的漏气。

当拔下气瓶时，第一密封结构和第二密封结构恢复密封效果，第三密封结构和第四密封结构失效，供气腔与泄气腔连通，供气腔内的高压气体经由贯通孔、排气盲孔、泄气孔排出。

本实施例设计的排气结构的目的在于：在完全拔出气瓶前，将供气腔内的气体提前放气，防止供气腔内封存的少量高压气体从插入端的密封圈槽快速泄出冲击操作人员，同时损坏密封圈(密封圈由O 型密封圈和挡圈组成)。

实施例三

在实施例二的基础上，如附图7和附图8所示，本实施例在所述顶杆202的第一顶柱2021位于所述泄气腔201d内的一端还套设有导向套209，所述导向套保证了顶杆的位置精度和稳定性。所述导向套 209位于所述第一顶柱2021的端部设为扩口状，且所述导向套209上设有排气孔2090。

实施例四

本实施例提供一种高压气源装置，如附图9所示，包括实施例一～实施例三中任一所述的高压储能气瓶和气瓶支架总成A，所述气瓶支架总成A包括电磁阀供气组件，所述电磁阀供气组件的供气插孔 A1的孔底内壁设有与所述对接锁紧钉2010相匹配的铍青铜耐磨螺旋槽(图中未示出)，且孔底设有阀杆A101，供气插孔内还设有与所述通气孔2021b相连通的所述电磁阀供气孔A102。

具体实施时：

安装气瓶时，将充满气的气瓶前端的快插头组件插入为电磁阀供气的供气插孔内，用手顺时针旋转气瓶尾部的手柄带动快插头组件持续进入，进入的过程中，顶杆在阀杆的作用下推进，先打开先导活门，继续推进到位后锁定，此时主活门彻底打开，第一密封结构和第二密封结构失效，而第三密封结构和第四密封结构起到密封作用。

拔出气瓶时，先逆时针旋转尾部手柄，在气动力和弹簧组件的作用下，气瓶解除锁定；继续旋转；先导活门先关闭，然后主活门再关闭，封存瓶内高压气体；持续旋转，排出残存高压气体后，安全拔下。

本发明采用的先导式开启方式的受力分析如下：

将所述第一顶柱的杆径为4mm，排气盲孔的孔径为0.5mm，先导活门在主活门内的第一密封结构的接触线圆径因为4mm，瓶中封存30MPa高压气体。

打开先导活门的瞬时最大气动力为：3.14*2*2*30＝377牛，弹簧组件的弹力约为60牛，合力为437牛。

先导活门打开后，上述377牛的气动阻力消失，仅剩60牛的弹簧力；同时在第三密封结构处再次产生377牛的气动阻力，合力仍为 437牛。

在本申请中，气瓶通过对接锁紧钉2010与螺旋槽螺旋锁紧的方式进行安装，由阀杆顶开，旋入旋出气瓶来控制气瓶的开启和关闭，在干摩擦的极端条件下，开启30MPa的气瓶时的扭力仅约45牛，阻力极小，只需单手握持手柄操作即可。

传统采用直动式的开启方式的受力分析如下：

瓶中封存30MPa高压气体，活门的直径为8mm，阀门的直径为 10mm。

如附图12所示，活门为关闭状态，通道A与一密封容器连接，通道A、密封容器及阀杆此时处于常压状态(0.1MPa)，此时活门受到的气压力F1＝3.14*5*5*(30-0.1)＝2347.2牛，方向向左，阀杆受到的气压力F2＝3.14*4*4*(30-0.1)＝1502.2牛，方向向右，合力 F3＝F1-F2＝2347.2-1502.2＝845牛，方向向左，此合力使活门趋向于关闭，也是打开活门需要克服的初始阻力。

打开活门时的受力分析如下：

如附图13所示，高压气体经通道A到达与之相连的密封常压容器，压强趋于平衡，假如平衡后的压强为29.9MPa，此时活门左右端面压强一样，受到的气压力F1＝0牛，阀杆受到的气压力 F2＝3.14*4*4*(29.9-0.1)＝1497.2牛，方向向右，合力F4＝F2-F1＝1497.2牛，方向向右，此合力也是关闭活门需要克服的初始阻力。

通过以上的分析可以看到，采用直动式活门时开启和关闭活门时需要克服的阻力较大，不借助机械增力机构很难徒手完成。减小通道 A的直径尺寸可以使开启阻力变小，但过流面积(流量)随之减小；减小阀杆的直径尺寸可以使关闭阻力变小，但阀杆的机械强度随之降低，有断裂的风险，同时使密封圈槽的加工变得非常困难。阀杆安装在瓶体内部，关闭时始终会受到气压阻力，不改变设计结构，这个阻力永远无法消除；阀杆需要从瓶体内伸出到瓶体外部，占用瓶体有效容积，增加了整个系统的体积、重量及尺寸。

本发明的气瓶采用的是先导活门+主活门的开启方式，将阀杆的安装位置由瓶体内部调整至瓶体外部，不受气压力；不占用瓶体有效容积。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，其特征在于：包括瓶体和设于所述瓶体头部的快插头组件以及设于所述瓶体尾部的手柄；

所述快插头组件包括插头壳体和设于所述插头壳体内活门密封组件；

所述插头壳体的一端设为插入端，另一端设为连接端，且所述连接端与所述瓶体可拆卸密封连接，且所述插入端的端部外周均布有至少2枚对接锁紧钉；

所述插头壳体内由插入端至连接端依次设有相连通的供气腔、第一连通腔和第二连通腔；所述插入端外周均布有多个与供气腔连通的通气孔；

所述活门密封组件包括顶杆、密封圈、主活门、先导活门、弹簧组件，所述主活门活动地设于所述第一连通腔内且可隔绝所述供气腔，所述先导活门活动地设于所述主活门端部的盲孔内，所述弹簧组件一端抵接所述先导活门，另一端连接所述插头壳体，所述顶杆活动设于所述供气腔内，其一端通过密封圈密封地贯穿所述插入端，另一端贯通至所述主活门的盲孔内。

2.根据权利要求1所述的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，其特征在于：所述顶杆的两端分别设有第一顶柱和第二顶柱，所述第一顶柱通过密封圈与插头壳体密封地贯穿所述插入端，所述第二顶柱贯通至所述主活门的盲孔内。

3.根据权利要求2所述的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，其特征在于：所述第一顶柱内设有排气盲孔，所述顶杆的杆身四周设有与所述排气盲孔相连通的贯通孔；

所述插头壳体内还设有泄气腔，所述泄气腔位于所述供气腔的前端，所述泄气腔内螺接有螺堵，所述螺堵上设有多个泄气孔；

所述螺堵内可活动限位地设有与所述顶杆同轴的放气座。

4.根据权利要求3所述的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，其特征在于：所述顶杆的第一顶柱位于所述泄气腔内的一端还套设有导向套，所述导向套位于所述第一顶柱的端部设为扩口状，且所述导向套上设有排气孔。

5.根据权利要求3所述的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，其特征在于：所述放气座和主活门均采用PEEK复合材料制成。

6.根据权利要求1所述的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，其特征在于：所述供气腔的直径＜所述第一连通腔的直径＜第二连通腔的直径。

7.根据权利要求6所述的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，其特征在于：所述供气腔与所述主活门的接触面的端面以及所述先导活门与所述主活门的接触面的端面均设有环状凸筋。

8.根据权利要求1所述的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，其特征在于：所述插头壳体位于所述通气孔处设有倒等腰梯形的凹槽，且所述通气孔的前端和后段均设有密封槽，所述密封槽内设有密封圈。

9.根据权利要求1所述的先导式活门带压快插拔型高压储能气瓶，其特征在于：所述连接端上还设有螺塞，所述螺塞与所述瓶体螺纹连接。

10.一种高压气源装置，其特征在于：包括权利要求1～9任一所述的高压储能气瓶和气瓶支架总成，所述气瓶支架总成包括电磁阀供气组件，所述电磁阀供气组件的供气插孔的孔底内壁设有与所述对接锁紧钉相匹配的铍青铜耐磨螺旋槽，且孔底设有阀杆，供气插孔内还设有与所述通气孔相连通的所述电磁阀供气孔。