一种具有逆流导通与稳压切换功能的减压阀的制作方法

本公开涉及但不限于减压阀，尤其涉及一种具有逆流导通与稳压切换功能的减压阀。

背景技术：

1、减压阀是流体管路系统中用于将上游高压介质降低至下游设定压力的核心调节元件,广泛应用于工业液压、城市供水、化工输送和航天推进等领域。传统减压阀通常采用弹簧加载式或先导式结构,依靠弹簧预紧力与介质压力之间的力平衡关系实现单向减压输出。在正常工况下,上游压力始终高于下游压力,介质沿正向流动并经阀芯节流降压后输出至下游管路。然而在实际工程中,下游管路因负载突卸、蓄能器释放、泵站切换或阀门误操作等原因可能出现下游压力瞬时异常升高甚至超过上游压力的反压工况。现有减压阀在面对这种反压工况时,由于结构上仅具备单向减压功能,无法为下游高压介质提供受控的逆向回流通道,导致下游过压滞留和管路水锤冲击,严重时引发管路振动、密封失效甚至设备损坏。目前工程上常见的解决方式是在减压阀下游并联安装独立的安全阀或溢流阀进行被动泄压,但这种方式存在响应滞后、泄压过程不可控以及系统管路复杂等不足。部分改进方案采用电磁先导阀与减压阀组合实现逆流旁通,但电磁先导阀的响应带宽受限于电磁铁的电感时间常数,难以在毫秒级时间尺度内完成精确的开度调节。此外,现有减压阀在逆流泄压过程中缺少有效的阻尼稳压机构,高压介质从下游向上游快速回流时容易产生剧烈的压力脉动和流速振荡,对上游管路形成二次冲击。因此,如何在减压阀本体内集成兼具快速响应驱动能力和梯度阻尼消能功能的逆流导通机构,并通过闭环控制算法实现逆流过程中下游压力的主动稳压收敛,是当前减压阀技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本公开在于提供一种具有逆流导通与稳压切换功能的减压阀，实现了在下游压力异常高于上游时自动开启逆流旁通流道进行受控回流泄压,并在泄压过程中通过梯度晶格结构逐级衰减压力冲击和通过滑模变结构控制连续调节逆流阀瓣开度使下游压力快速收敛至目标值,解决了传统减压阀无法在反压工况下实现受控逆流导通和主动稳压的问题,具有响应速度快、压力脉动抑制效果好、控制精度高和运行可靠的优点。

2、为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种具有逆流导通与稳压切换功能的减压阀，包括：阀体，阀体内设置上游入口腔、下游出口腔、主减压流道和逆流旁通流道，主减压流道连通上游入口腔与下游出口腔，逆流旁通流道连通下游出口腔与上游入口腔；

4、主阀芯组件，设置在主减压流道内，用于对正向流经主减压流道的介质进行减压输出；

5、超磁致伸缩驱动组件，安装在逆流旁通流道上，包括外壳体、螺线管激励线圈、永磁偏置磁路和terfenol-d超磁致伸缩棒，永磁偏置磁路与terfenol-d超磁致伸缩棒配合形成沿terfenol-d超磁致伸缩棒轴向闭合的偏置磁回路，螺线管激励线圈接收驱动电流后在terfenol-d超磁致伸缩棒内叠加产生可变激励磁场，terfenol-d超磁致伸缩棒在偏置磁场与可变激励磁场的合成磁场作用下沿轴向产生伸长位移；

6、提升式逆流阀瓣，与terfenol-d超磁致伸缩棒的输出端传动连接并配合设置在逆流旁通流道内的逆流阀座，在轴向伸长位移的推动下脱离逆流阀座以导通逆流旁通流道；

7、阻尼稳压腔，设置在逆流旁通流道上且位于下游出口腔与上游入口腔之间，阻尼稳压腔内部沿介质回流方向设置孔隙率递增的梯度密度晶格结构；

8、压力传感器组，包括分别设置在上游入口腔、下游出口腔和阻尼稳压腔的第1压力传感器、第2压力传感器和第3压力传感器；

9、控制器，接收第1压力传感器、第2压力传感器和第3压力传感器的压力信号，根据下游压力值与上游压力值的差值判定逆流导通工况，并采用滑模变结构控制算法生成驱动电流指令输出至螺线管激励线圈以调节提升式逆流阀瓣的开度，实现下游压力向预设的下游目标压力值的稳压收敛。

10、进一步的，永磁偏置磁路由沿terfenol-d超磁致伸缩棒轴向交替排列的永磁环和导磁软铁环以及包围在外侧的筒形导磁外磁轭组成，永磁环、导磁软铁环和筒形导磁外磁轭共同形成沿terfenol-d超磁致伸缩棒轴向闭合的偏置磁回路；螺线管激励线圈套设在永磁偏置磁路外侧与筒形导磁外磁轭内侧之间的环形空间内。

11、进一步的，terfenol-d超磁致伸缩棒的顶端通过碟形弹簧预压组件保持轴向预压缩载荷以消除磁滞死区，碟形弹簧预压组件的输出端经球面传力垫与提升式逆流阀瓣的阀杆端面保持球面接触。

12、进一步的，阻尼稳压腔为采用选区激光熔化工艺以316l不锈钢粉末一体打印成型的整体构件。

13、进一步的，梯度密度晶格结构沿介质回流方向依次包括入口端高密度晶格区段、中间过渡晶格区段和出口端低密度晶格区段，3个区段均采用体心立方晶格单元；入口端高密度晶格区段的晶格单元边长为2mm、晶格杆件直径为0.8mm、孔隙率为40%；中间过渡晶格区段的晶格单元边长为3mm、晶格杆件直径为0.6mm、孔隙率为58%；出口端低密度晶格区段的晶格单元边长为4mm、晶格杆件直径为0.4mm、孔隙率为75%；回流介质依次流经入口端高密度晶格区段、中间过渡晶格区段和出口端低密度晶格区段时，入口端高密度晶格区段的密集杆件迫使回流介质反复分流与汇流从而在杆件尾流区产生微尺度旋涡，将压力冲击动能转化为湍流耗散热能以衰减压力峰值；中间过渡晶格区段的杆件间距逐渐增大使微尺度旋涡逐步合并衰减，回流介质的压力脉动幅值进一步降低；出口端低密度晶格区段提供大孔隙通流面积使回流介质以低流速平稳流出并经回流通道汇入上游入口腔。

14、进一步的，第1压力传感器、第2压力传感器和第3压力传感器分别以不低于1khz的采样频率持续采集上游压力值、下游压力值和阻尼稳压腔压力值并发送至控制器；控制器在每个采样周期内对连续若干个采样周期内的下游压力值和上游压力值分别执行滑动均值滤波，将滤波后的下游压力值减去滤波后的上游压力值得到反向压差值，将当前采样周期的反向压差值减去上一采样周期的反向压差值再除以采样周期得到反向压差变化率；当反向压差值大于预设的逆流进入阈值并且反向压差变化率大于零的状态连续持续超过预设的进入确认周期数时，控制器判定进入逆流导通工况并生成逆流开启指令。

15、进一步的，控制器将预设的下游目标压力值减去滤波后的下游压力值得到压力跟踪误差，将压力跟踪误差乘以控制周期后逐周期累加得到压力跟踪误差的累积积分值，将压力跟踪误差乘以第1滑模系数后加上累积积分值乘以第2滑模系数所得之和作为滑模切换变量。

16、进一步的，控制器对滑模切换变量执行超螺旋二阶滑模运算：设置第1超螺旋状态寄存器和第2超螺旋状态寄存器；在每个控制周期内，取滑模切换变量的绝对值并求其算术平方根，将该算术平方根乘以第1超螺旋增益再乘以滑模切换变量的符号值得到第1超螺旋分量，将第1超螺旋状态寄存器的当前存储值与第1超螺旋分量相加得到基础控制量并写入第1超螺旋状态寄存器；将滑模切换变量的符号值乘以第2超螺旋增益得到第2超螺旋分量，将第2超螺旋状态寄存器的当前存储值加上第2超螺旋分量乘以控制周期所得的乘积后写入第2超螺旋状态寄存器。

17、进一步的，控制器同步运行非线性干扰观测器，非线性干扰观测器以阻尼稳压腔压力值和当前驱动电流值为输入；在每个控制周期内，根据预先通过静态标定试验获取并存储在控制器内的驱动电流-输出力对应查找表将当前驱动电流值换算为标称输出力，将标称输出力减去阻尼稳压腔压力值乘以预先通过阀瓣几何尺寸标定得到的等效受力面积参数所得的乘积得到标称净力，将扰动估计寄存器当前存储的扰动估计值与标称净力之差乘以观测器增益再乘以控制周期后累加至扰动估计寄存器以更新扰动估计值；控制器将基础控制量加上扰动估计值得到补偿后的总控制量，经限幅处理后转换为驱动电流指令输出至螺线管激励线圈。

18、进一步的，当压力跟踪误差的绝对值连续保持在预设的稳态误差带以内超过预设的退出确认周期数时，控制器将驱动电流指令按预设的递减斜率逐周期递减至零，提升式逆流阀瓣在传动连接结构的回复力作用下重新落座于逆流阀座的锥面密封面，逆流旁通流道关闭；逆流旁通流道关闭后控制器进入预设时长的锁定监测期，在锁定监测期内控制器仅持续采集压力信号而不响应逆流进入阈值的触发判定，锁定监测期结束后控制器恢复逆流导通工况判定功能。

19、本发明的一种具有逆流导通与稳压切换功能的减压阀，具有以下有益效果：本发明通过在减压阀阀体内集成超磁致伸缩驱动组件、梯度晶格阻尼稳压腔和滑模变结构控制算法,实现了减压阀在正向减压输出与逆流导通泄压之间的主动切换,解决了传统减压阀仅具备单向减压功能而无法应对下游异常过压工况的技术缺陷。采用terfenol-d超磁致伸缩棒作为逆流旁通阀芯的驱动元件,相较于传统电磁铁驱动方式具有更高的响应带宽和更大的单位体积输出力,能够在极短时间内完成逆流阀瓣的精确开启和连续调节,显著缩短了逆流导通的响应延迟。永磁偏置磁路的引入使terfenol-d超磁致伸缩棒稳定工作在磁致伸缩曲线的线性区段,保证了驱动位移与激励电流之间的线性对应关系,降低了控制算法的实现复杂度。阻尼稳压腔采用选区激光熔化工艺一体打印成型的梯度密度晶格结构,沿介质回流方向孔隙率逐段递增,使得回流介质在入口端经历强烈的分流汇流和旋涡耗散以衰减压力峰值,在出口端以低流速平稳流出,有效抑制了逆流泄压过程中的压力脉动和水锤冲击,避免了对上游管路的二次冲击。基于超螺旋算法的二阶滑模控制器输出连续平滑的驱动电流信号,消除了传统滑模控制的高频抖振问题,配合非线性干扰观测器对流体动力扰动和摩擦力扰动的实时估计与前馈补偿,实现了逆流导通过程中下游压力向目标值的快速稳定收敛。逆流进入判定中引入的滑动均值滤波和多周期确认机制有效避免了压力噪声引起的误触发,退出阶段设置的递减斜率关闭和锁定监测期防止了阀瓣的频繁开关振荡,提升了整机运行的可靠性和使用寿命。