技术领域
[0001] 本
发明提供一种气动
伺服阀，它涉及一种具有下游产品
温度调节功能、环境适应性强、稳定可靠的气动伺服阀，属于机械工程技术领域。
背景技术
[0002] 飞机
发动机受工作模式限制，在地面起动时必须依靠外界动
力源来起动
压气机转子，当转子达到足够的转速，使压气机提供足够高的压力和空气流量，一旦喷油点火，发动机
涡轮产生的功足以继续
加速发动机到慢车转速(王鹏.民用飞机发动机起动系统技术研究[J].民用飞机设计与研究,2010(2):4-6.)。常用的发动机起动方式分为电起动和涡轮起动：传统的电起动系统由于重量大、低温起动不可靠、起动功率和起动次数受限制等原因已经不能满足现代航空发动机的起动需求(Colin M.Taylor.Electric Starting of Large Aircraft Engines[M].SAE International,2002-1-2953.)；空气涡轮起动机(Air Turbine Starter，ATS)由于具有结构简单、重量轻、尺寸小、功率大、起动时间短、使用方便、安全可靠、成本低等显著优点，因而得到了越来越广泛的应用。典型的发动机空气涡轮起动系统主要有
辅助动力装置(Auxiliary Power Unit，APU)、伺服引气阀和空气涡轮起动机(ATS)构成：在发动机起动时，由APU压气机输出的高压空气，经过伺服引气阀调节，冲击空气涡轮起动机的涡轮
叶片，然后带动发动机高压转子从而起动发动机。
[0003] 作为空气涡轮起动系统的关键部件，伺服引气阀的基本工作原理为：引入一部分APU输出的高压供气，通过
阀体通道，流经控制伺服机构进入到执行器，通过执行器的移动来实现对
控制阀的开启和关闭。1986年，William E.Seidel等人设计了空气涡轮起动系统中伺服引气阀的雏形；通过将蝶阀下游端的气体压
力反馈到伺服控制机构阀芯上，同
喷嘴挡板阀调节后的压力、斜坡控制阀、减压阀一起调节阀芯的位移，控制进入到执行器的气流量，实现对于
流体压强稳定，流体压强上升速度和流体驱动的机构的响应速率的控制(William E.Seidel,Albert L.Markunas,Thomas A.Nelson.CONTROL VALVE[P].US,4617958.1986-10-21.)。1987年，Kenneth C.Allen等人通过
电子控制单元将传统的伺服引气阀机械结构和
传感器联系在一起：传感器将监测到的值反馈到电子控制单元，基于
算法从通过
电磁阀调节气体通道的开度，从而控制进入流量的大小，增大或减小蝶阀的开度，实现对气体流量的自动控制；阀自身能够调节入口压力的
波动。此外，该结构能够控制进入涡轮起动机的气流速度，并保证在正常工作时气流速度的稳定；并且在电磁阀断电时具有自我保护功能(Kenneth C.Allen,Robert H.Findlay.ELECTRICALLY CONTROLLED STARTER AIR VALVE[P].US,4702273.1987-10-27.)。1989年，Pierre C.Mouton等人设计了一种关于伺服阀的结构；控制阀蝶阀固定在一根长轴上，二者转动的
角度保持一致；控制长轴转动的运动件两端一边靠气体压力推动，另外一端靠弹性固定件
支撑，行程的终端靠机械凸台
锁死；当气压端同环境压力相通时，运动部件内部的高压气体逐渐克服另外一端的弹性力推动运动件移动，当运动件完全脱离弹性固定件时，控制阀快速开启(Pierre C.Mouton.CONTROL DEVICE FOR A STARTER VALVE OF A TURBINE AERO-ENGINE[P].US,
4805873.1989-2-12.)。
[0004] 关于伺服引气阀的工作状态检测；1995年，Alan W.Smith等人设计了一种新结构：他们在控制阀下端的两个不同
位置分别放置一个
压力传感器，然后将检测到的值反馈到电子控制单元进行比较，通过差值来判定控制阀的工作状态。当其处于关闭时，由于没有气体通过，因此两者的压差是趋近于零的；相反，当其打开时，会有气流经过，由于气体沿程压降损失，使得差值比较明显。此外，还可以通过两者的压差的大小来判断控制阀是否失效；当检测到差值超过一定范围时，系统自动关闭控制阀，能有效保护下游端元器件(Alan W.Smith.STARTER AIR VALVE POSITION PRESSURE TRANSDUCER[P].US,5463865.1995-11-
7.)。2012年，Peter Kenneth Zeiner等人则提出了另外一种构想，他们依靠涡轮
转速传感器和电回路实现伺服引气阀的状态检测；速度传感器是基于运动导体在
磁场中运动产生电荷原理，将涡轮的转速转换成
电压变化幅值；把监测到的涡轮转速值传递给
电路，电路将接收到的值与预定值进行比较：当其低于预定值时，则涡轮转速变慢，即伺服引气阀处于关闭状态；反之则阀处于开启状态(Peter Kenneth Zeiner,Dave Oman,Jimmy Wiggins.AIR TURBINE START SYSTEM WITH MONOPOLE STARTER AIR VALVE POSITION.US2012/0266606 A1.2012-10-25.)。
[0005] Jimmy Wiggins等人于2006年提出的一种双执行器伺服引气阀的结构设计，用来解决极端条件下伺服引气阀由于
冰封而不能正常开启的问题。双执行器与其他执行器相比，在条件相同的情况下能够输出双倍的力矩，大大增加了执行器的开启力矩，近似于将上腔的压力增大了一倍，从而有效克服由于冰层产生的阻力，实现控制阀的正常开启和闭合，同时也有效地缩短了伺服引气阀的开启时间(Jimmy Wiggins,Glenn Lane,Dori Marshall,Michael Kolic.DUAL ACTUATOR AIR TURBINE STARTER VALVE[P].US6684898 B2.2004-2-3.)。
[0006] 由于下游空气涡轮起动机对温度较为敏感，当供气温度过高时，气动伺服阀需要具有温度调节功能；且要求在各种海拔和季节均能正常气动，气动伺服阀也需要较强的环境适应能力；另外，在发生故障等突发情况时，要求气动伺服阀能够及时有效的切断供气压力，保证蝶板复位。因此研制一款具有下游产品温度调节功能、环境适应性强、稳定可靠的气动伺服阀具有十分重要的理论意义和工程应用价值。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种气动伺服阀，本发明的气动伺服阀中加设有先导的气动减压阀(1)，增强了气动伺服阀对供气条件的适应性；同时气动减压阀(1)在出口容腔V2和压力作用腔V3之间有
串联阻尼孔(5)；提高了气动伺服阀工作的
稳定性；气动减压阀(1)出口处开有排气孔(6)，保证了气动减压阀(1)阀口始终打开，V2腔压力始终维持在调定值，提高了气动伺服阀的响应速度和稳定性；本发明的电磁
球阀(10)使得气动伺服阀具有故障回位功能，当单喷嘴
挡板阀(13)故障时，可直接关闭电磁球阀(10)，切断作动器(23)供气源，使得作动器(23)的
活塞(21)在作动器复位
弹簧(22)力作用下复位，蝶板(26)关闭；本发明还设有温度传感器(19)可检测并反馈气动伺服阀下游温度，通过电子
控制器(18)调节蝶板(26)开度和供气流量，可避免高温供气导致的下游产品温度持续上升。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] 本发明一种气动伺服阀，它包括气动减压阀(1)、排气孔(6)、串联节流孔(7)、电磁球阀(10)、单喷嘴挡板阀(13)、电子控制器(18)、温度传感器(19)、作动器(23)、
连杆机构(28)、蝶板(26)、
角位移传感器(27)和气体主通道(29)；
[0010] 它们相互之间的关系是：
[0011] 气动伺服阀上游压力p1经气动减压阀(1)减压至一稳定压力p2；电磁球阀(10)不通电时，该电磁球阀(10)在弹簧力作用下关闭，作动器(23)上下腔均接通
大气压力p0，该作动器(23)的活塞(21)在作动器
复位弹簧(22)力作用下不动作，蝶板(26)保持关闭；该电磁球阀(10)通电后，其球阀阀芯(8)打开，高压气体进入该作动器(23)上腔，该作动器(23)的活塞(21)在上腔压力作用下做直线运动，通过连杆机构(28)转换为蝶板(26)的转动，该蝶板(26)与气体主通道(29)形成可变节流孔，可通过改变该蝶板(26)转角，调节气动主通道(29)流量；调节该单喷嘴挡板阀(13)的输入
电流，可改变其挡板(15)与喷嘴(14)的间隙，进入对该作动器(23)上腔压力进行调节，当该作动器(23)上腔压力与作动器(23)下腔中的作动器复位弹簧(22)力平衡时，该作动器(23)的活塞(21)固定在某一位置，该蝶板(26)打开至某一角度；在该蝶板(26)处安装有角位移传感器(27)，在该气动伺服阀下游安装有温度传感器(19)，可根据需要对该蝶板(26)转角进行伺服控制；
[0012] 各组成部分的结构(即形状构造)详述如下：
[0013] 所述的气动伺服阀中加设有先导的“气动减压阀(1)”，其结构(即形状构造)是：主要由减压阀阀体(2)、锥阀阀芯(3)、调压弹簧(4)构成；锥阀阀芯(3)安装在减压阀阀体(2)内，出口压力通过减压阀阀体(2)上的串联阻尼孔(5)进入气动减压阀(1)的压力作用腔V3，该腔压力作用在锥阀阀芯(3)端面；锥阀阀芯(3)在压力作用腔压力、供气压力、环境压力和调压弹簧(4)力的作用下平衡。
[0014] 当供气压力p1在大于该气动减压阀(1)调定压力的范围内变动时，该气动减压阀(1)可保证该气动减压阀(1)出口容腔保持恒定，增强了该气动伺服阀(1)对该气动减压阀(1)供气条件的适应性；
[0015] 所述的气动减压阀(1)在出口容腔V2和压力作用腔V3之间串联有“串联阻尼孔(5)”，该“串联阻尼孔(5)”串联在“气动减压阀(1)”出口容腔和压力作用腔V3之间，起气体节流作用；
[0016] 当入口压力或负载流量变化时，该串联阻尼孔(5)可保证V3容腔压力不会突然变化，增加了气动减压阀(1)阻尼，提高了锥阀阀芯(3)运动的稳定性以及气动减压阀(1)出口压力的稳定性；
[0017] 所述的气动减压阀出口处开有“排气孔(6)”，该“排气孔(6)”开设在“气动减压阀(1)”出口容腔上；
[0018] 若无排气孔(6)，则当电磁球阀(10)关闭时，气动减压阀(1)负载流量为0，气动减压阀(1)阀口关闭，电磁球阀(10)开启后，气动减压阀(1)阀口重新打开，V2腔压力重新调节至调定值，该气动减压阀(1)调整时间变长，响应变慢，而且调整过程可能导致V4腔压力波动，影响该气动减压阀(1)稳定性；因此，该排气孔(6)可保证气动减压阀(1)出口流量始终不为0，气动减压阀(1)阀口始终打开，V2腔压力始终维持在调定值，提高了该气动减压阀(1)的响应速度和稳定性；
[0019] 所述的“单喷嘴挡板阀(13)”，主要由力矩
马达(17)、弹簧管(16)、挡板(15)和喷嘴(14)构成；挡板(15)一端与力矩马达(17)的
衔铁压配固定后，套入弹簧管(16)中；挡板(15)另一端与喷嘴(14)配合形成节流孔；力矩马达(17)在输入电流的作用下产生输出力矩，挡板(15)在力矩马达(17)输出力矩的作用下发生转动，弹簧管(16)产生阻力矩，挡板(15)平衡在某一位置；因此，通过调节力矩马达(17)的输入电流可以改变挡板(15)转角，进而改变挡板(15)与喷嘴(14)之间节流孔的节流面积；
[0020] 通过调节输入电流可改变其挡板(15)与喷嘴(14)间的间隙，形成可变节流孔；结合串联节流孔(7)形成三通气动半桥，通过调节单喷嘴挡板阀(13)的输入电流ic，可控制V4腔压力，进而控制蝶板(26)开度；
[0021] 所述的“电磁球阀(10)”，主要由球阀阀芯(8)、
阀座(9)、球阀复位弹簧(11)和电
磁铁(12)构成；当电磁铁(12)断电时，球阀阀芯(8)在球阀复位弹簧(11)作用下压在阀座(9)高压侧上，切断了高压气源与作动器(23)上腔的通道，此时作动器(23)上腔接通环境压力；当电磁铁(12)得电时，球阀阀芯(8)被吸起，球阀阀芯(8)压在阀座(9)低压侧上，打开了高压气源与作动器(23)上腔的通道，切断了外界环境与作动器(23)上腔的通道；
[0022] 该电磁球阀(10)使得气动伺服阀具有故障回位功能，当单喷嘴挡板阀(13)故障时，可直接关闭电磁球阀(10)，切断作动器(23)上腔供气源，使得该作动器(23)活塞(21)在作动器复位弹簧(22)力作用下复位，该蝶板(26)关闭；
[0023] 所述的“温度传感器(19)”，可选择
热电偶、热敏
电阻、电阻温度检测器(RTD)、IC温度传感器等多种形式；
[0024] 该温度传感器(19)可检测并反馈该气动伺服阀下游温度，通过电子控制器(18)调节该蝶板(26)开度和供气流量，可避免高温供气导致的下游产品温度持续上升；其工作机理为：当供气温度较高且供气流量较大时，气动伺服阀下游产品可能因冷却不足，温度持续升高而发生破坏；此时电子控制器(18)根据温度传感器(19)的反馈
信号，适当减小该蝶板(26)开度，减小高温气体的供气流量，减低下游产品温度；
[0025] 所述“电子控制器(18)”，主要负责把传感器送来的信号进行整形、放大、模拟量的A/D转换等处理；根据输入信息和内存的控制策略及数据、图表等进行分析和运算，产生控制命令；把控制命令生成、放大为可驱动各种执行器的
控制信号并输出；
[0026] 所述“作动器(23)”，主要由缸筒(20)、活塞(21)和作动器复位弹簧(22)构成；活塞(21)安装在缸筒(20)内部，作动器复位弹簧(22)安装在作动器(23)下腔；
[0027] 所述“连杆机构(28)”，为
曲柄滑
块机构，其中活塞(21)作为“滑块”，在活塞上铰接有连杆(24)，该连杆(24)另一端铰接有曲柄(25)，该曲柄(25)与蝶板(26)固结；因此，该连杆机构(28)可以将活塞(21)的直线运动转化为蝶板(26)的旋转运动；
[0028] 所述“蝶板(26)”，是圆形薄板，可绕其直径方向的中
心轴旋转，进而控制气体主通道(29)的
开关及气体主通道(29)气体流量的控制；
[0029] 所述“角位移传感器(27)”，是一种角位移传感器(27)；可以为电位器原理角度传感器与霍尔原理角度传感器；
[0030] 所述“气体主通道(29)”，是一个空心圆柱形的气体通道。
[0031] 本发明同
现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
[0032] 1、本发明的气动伺服阀中加设有先导的气动减压阀(1)，当供气压力p1在大于气动减压阀(1)调定压力的范围内变动、或负载流量变动时，该气动减压阀(1)可保证出口容腔保持恒定，增强了气动伺服阀对供气条件的适应性。
[0033] 3、本发明的气动减压阀(1)在出口容腔V2和压力作用腔V3之间有串联阻尼孔(5)；当入口压力或负载流量变化时，该串联阻尼孔(5)可保证V3容腔压力不会突然变化，增加了气动减压阀(1)阻尼，提高了锥阀阀芯(3)运动的稳定性以及气动减压阀(1)出口压力的稳定性。
[0034] 4、本发明的气动减压阀(1)出口处开有排气孔(6)；若无排气孔(6)，则当电磁球阀(10)关闭时，气动减压阀(1)负载流量为0，气动减压阀(1)阀口关闭，电磁球阀(10)开启后，气动减压阀(1)阀口重新打开，V2腔压力重新调节至调定值，整阀调整时间变长，响应变慢，而且调整过程可能导致V4腔压力波动，影响该气动伺服阀稳定性；因此，排气孔(6)可保证气动减压阀(1)出口流量始终不为0，阀口始终打开，V2腔压力始终维持在调定值，提高了该气动伺服阀的响应速度和稳定性。
[0035] 5、本发明的单喷嘴挡板阀(13)通过调节输入电流可改变挡板(15)与喷嘴(14)间的间隙，形成可变节流孔；结合串联节流孔(7)形成三通气动半桥，通过调节单喷嘴挡板阀(13)的输入电流ic，可控制V4腔压力，进而控制蝶板(26)开度。
[0036] 6、本发明的电磁球阀(10)使得气动伺服阀具有故障回位功能，当单喷嘴挡板阀(13)故障时，可直接关闭电磁球阀(10)，切断作动器(23)供气源，使得作动器(23)的活塞(21)在作动器复位弹簧(22)力作用下复位，蝶板(26)关闭。
[0037] 7、本发明的温度传感器(19)可检测并反馈气动伺服阀下游温度，通过电子控制器(18)调节蝶板(26)开度和供气流量，可避免高温供气导致的下游产品温度持续上升。其工作机理为：当供气温度较高且供气流量较大时，气动伺服阀下游产品可能因冷却不足，温度持续升高而发生破坏；此时电子控制器(18)根据温度传感器(19)的反馈信号，适当减小蝶板(26)开度，减小高温气体的供气流量，减低下游产品温度。
[0038] 8、本发明结构科学，工艺性好，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0039] 图1是本发明的气动伺服阀结构示意图。
[0040] 图2是本发明的气动伺服阀中连杆机构(28)结构示意图。
[0041] 图3是本发明的气动伺服阀中气动减压阀(1)的负载流量——负载压力特性曲线。
[0042] 图4是本发明的气动伺服阀中单喷嘴挡板阀(13)的控制电流ic——负载压力特性曲线。
[0043] 图5是本发明的气动伺服阀中作动器(23)上腔压力p4——蝶板(26)转角特性曲线。
[0044] 图6是本发明的气动伺服阀开环时单喷嘴挡板阀(13)输入指令ic——蝶板(26)转角特性曲线。
[0045] 图7是本发明的气动伺服阀中蝶板(26)转角——主通道(29)气体流量特性曲线。
[0046] 图8是本发明的气动伺服阀开环时单喷嘴挡板阀(13)输入指令ic——主通道(29)气体流量特性曲线。
[0047] 图中序号、符号、代号说明如下：
[0048] 1为气动减压阀、2为减压阀阀体、3为锥阀阀芯、4为调压弹簧、
[0049] 5为串联阻尼孔、6为排气孔、7为串联节流孔、8为球阀阀芯、
[0050] 9为阀座、10为电磁球阀、11为球阀复位弹簧、12为电磁铁、
[0051] 13为单喷嘴挡板阀、14为喷嘴、15为挡板、16为弹簧管、
[0052] 17为力矩马达、18为电子控制器、19为温度传感器、20为缸筒、
[0053] 21为活塞、22为作动器复位弹簧、23为作动器、24为连杆、
[0054] 25为曲柄、26为蝶板、27为角位移传感器、28为连杆机构、
[0055] 29为气体主通道、
[0056] 30为供气压力p1为350kPa时气动减压阀的负载流量——负载压力特性曲线、[0057] 31为供气压力p1为250kPa时气动减压阀的负载流量——负载压力特性曲线。
具体实施方式
[0058] 以下结合附图所示
实施例对本发明作进一步的说明。
[0059] 实施例1
[0060] 本发明一种气动伺服阀，见图1所示，它包括气动减压阀1、排气孔6、串联节流孔7、电磁球阀10、单喷嘴挡板阀13、电子控制器18、温度传感器19、作动器23、连杆机构28、蝶板26、角位移传感器27和气体主通道29；该气动伺服阀上游压力p1经气动减压阀1减压至一稳定压力p2；电磁球阀10不通电时，球阀阀芯8在弹簧力作用下关闭，作动器23上下腔均接通大气压力p0，作动器23的活塞21在作动器复位弹簧22力作用下不动作，蝶板26保持关闭；电磁球阀10通电后，该电磁球阀10打开，高压气体进入作动器23上腔，作动器23的活塞21在上腔压力作用下做直线运动，通过连杆机构28转换为蝶板26的转动，蝶板26与气体主通道29形成可变节流孔，可通过改变蝶板26转角，调节气动主通道29流量；调节单喷嘴挡板阀13的输入电流，可改变挡板15与喷嘴14的间隙，进入对作动器23上腔压力进行调节，当作动器23上腔压力与作动器23下腔中的作动器复位弹簧22力平衡时，作动器23的活塞21固定在某一位置，蝶板26打开至某一角度；在蝶板26处安装有角位移传感器27，在气动伺服阀下游安装有温度传感器19，可根据需要对蝶板26转角进行伺服控制。
[0061] 所述的气动伺服阀中加设有先导的气动减压阀1，当供气压力p1在大于气动减压阀1调定压力的范围内变动时，该气动减压阀1可保证气动减压阀1出口容腔保持恒定，增强了气动伺服阀1对供气条件的适应性。
[0062] 所述的气动减压阀1的出口处开有排气孔6；若无排气孔6，则当电磁球阀10关闭时，气动减压阀1负载流量为0，气动减压阀1的阀口关闭，电磁球阀10开启后，气动减压阀1的阀口重新打开，V2腔压力重新调节至调定值，气动伺服阀调整时间变长，响应变慢，而且调整过程可能导致V4腔压力波动，影响气动伺服阀稳定性；因此，排气孔6可保证气动减压阀1的出口流量始终不为0，气动减压阀1的阀口始终打开，V2腔压力始终维持在调定值，提高了气动伺服阀的响应速度和稳定性。
[0063] 所述的单喷嘴挡板阀13通过调节输入电流可改变挡板15与喷嘴14间的间隙，形成可变节流孔；结合串联节流孔7形成三通气动半桥，通过调节单喷嘴挡板阀13的输入电流ic，可控制V4腔压力，进而控制蝶板26的开度。
[0064] 所述的电磁球阀10使得气动伺服阀具有故障回位功能，当单喷嘴挡板阀13故障时，可直接关闭电磁球阀10，切断作动器23供气源，使得作动器23的活塞21在作动器复位弹簧22力作用下复位，蝶板26关闭。
[0065] 所述的温度传感器19可检测并反馈气动伺服阀下游温度，通过电子控制器18调节蝶板26的开度和供气流量，可避免高温供气导致的下游产品温度持续上升。其工作机理为：当供气温度较高且供气流量较大时，气动伺服阀下游产品可能因冷却不足，温度持续升高而发生破坏；此时电子控制器18根据温度传感器19的反馈信号，适当减小蝶板26的开度，减小高温气体的供气流量，减低下游产品温度。
[0066] 图1是本发明的气动伺服阀结构示意图。气动伺服阀上游压力p1经气动减压阀1减压至一稳定压力p2；电磁球阀10不通电时，电磁球阀10在弹簧力作用下关闭，作动器23上下腔均接通大气压力p0，作动器23的活塞21在作动器复位弹簧22力作用下不动作，蝶板26保持关闭；电磁球阀10通电后，电磁球阀10的球阀8打开，高压气体进入作动器23的上腔，作动器23的活塞21在上腔压力作用下做直线运动，通过连杆机构28转换为蝶板26的转动，蝶板26与气体主通道29形成可变节流孔，可通过改变蝶板26的转角，调节气动主通道29流量；调节单喷嘴挡板阀13的输入电流，可改变挡板15与喷嘴14的间隙，进而对作动器23的上腔压力进行调节，当作动器23的上腔压力与作动器23的下腔中的作动器复位弹簧22力平衡时，作动器23的活塞21固定在某一位置，蝶板26打开至某一角度；在蝶板26处安装有角位移传感器27，在气动伺服阀下游安装有温度传感器19，可根据需要对蝶板26的转角进行伺服控制。
[0067] 其中气动减压阀1的阀口节流方程为：通过该阀口的
质量流量与阀口气体的流动状态有关，当气体为亚音速流动(0.5283≤p2/p1≤1)时，有
[0068]
[0069] Ax＝πDv(h0-xv)sinαv
[0070] 式中，Q1为通过气动减压阀1阀口的气体质量流量；p1为气动减压阀1的入口压力；p2为气动减压阀1的出口压力；C1为气动减压阀1阀口流量系数，取0.68；R为气体常数，取
8.314J/(mol·K)；k为绝热指数，取1.4；T1为气动减压阀1的入口气体温度；Ax为节流口面积；Dv为追阀阀芯3直径；xv为气动减压阀1的锥阀阀芯3位移；h0为初始开口量；α为锥阀阀芯
3半锥角。
[0071] 出口容腔V2和压力作用腔V3之间串联阻尼孔5的节流方程为
[0072]
[0073] 式中，Q3为通过串联阻尼孔5的质量流量；p3为气动减压阀1的压力作用腔压力；C2为串联阻尼孔5流量系数，取0.82；T2为气动减压阀1的出口容腔气体温度；d3为串联阻尼孔5直径。
[0074] 压力作用腔V3流量连续性方程
[0075]
[0076] 式中，V3为气动减压阀1的压力作用腔容积；T3为气动减压阀1的压力作用腔温度；A3为气动减压阀1的压力作用腔压力作用面积。
[0077] 气动减压阀1的出口容腔V2流量连续性方程
[0078]
[0079] 式中，V2为气动减压阀1的出
口腔容积；Q4为通过串联节流孔7的质量流量；Q6为通过排气孔6的质量流量。
[0080] 排气孔6的节流方程为
[0081]
[0082] 式中，p0为环境压力；d6为排气孔6的直径。
[0083] 气动减压阀1的阀芯动力学方程
[0084]
[0085] 式中，A1为锥阀阀芯3入口压力作用面积；mv为锥阀阀芯3阀芯质量；Bv为粘性阻尼系数；kv为复位弹簧4等效弹簧
刚度；xv0为复位弹簧4等效弹簧预压缩量；
[0086] 串联节流孔7的节流方程
[0087]
[0088] 式中，p4为作动器23的上腔压力；d4为串联节流孔7的直径。
[0089] 单喷嘴挡板阀13中的喷嘴14与挡板15间隙处的节流方程为
[0090] 当气体为亚音速流动(0.5283≤p0/p4≤1)时，有
[0091]
[0092] 式中，Q5为通过该喷嘴14的质量流量；T4为作动器23上腔气体温度；d4为该喷嘴14直径；lc0为零电流时单喷嘴挡板阀5中的挡板15与喷嘴14间隙；xc为该挡板15位移。
[0093] 作动器23的上腔流量连续性方程为
[0094]
[0095] 式中，V4为作动器23的上腔容积；A4为作动器23的上腔压力作用面积；y为作动器23的活塞21位移。
[0096] 作动器23的活塞21动力学方程
[0097]
[0098] 式中，A04为作动器23的下腔压力作用面积；my为作动器23的活塞21质量；By为粘性阻尼系数；ky为作动器23的作动器复位弹簧22刚度；y0为作动器23的作动器复位弹簧22预压缩量；F蝶板26的开启阻力。
[0099] 图2是本发明的气动伺服阀中连杆机构结构示意图。根据几何关系可得，蝶板开启机构运动学方程为
[0100]
[0101] 式中，l1为连杆24长度，l2为曲柄25长度，β为曲柄25与气体主通道29径向的夹角，γ为连杆24与气体主通道29径向的夹角，β0为蝶板26的关闭时曲柄25与气体主通道29径向的夹角，γ0为蝶板26关闭时连杆24与气体主通道29径向的夹角。为了计算简单，根据几何参数，进行线性拟合可得
[0102] y＝0.413β-0.522(单位：y-mm,β-deg)
[0103] 线性拟合的相关系数R＝0.9995，活塞运动位移和蝶板26的开启角度可看做线性关系。
[0104] 将相关参数代入上述数学模型中，可以得到气动伺服阀的相关特性。
[0105] 图3是本发明的气动伺服阀中气动减压阀1的负载流量——负载压力特性曲线。环境压力为101kPa，
环境温度为15℃，供气温度为188℃，供气压力分别为350kPa和250kPa；可以看出，供气压力和负载流量的变化对气动减压阀1的出口压力p2的影响较小；加设先导的气动减压阀1可以提高气动伺服阀的环境适应能力。
[0106] 图4是本发明的气动伺服阀中单喷嘴挡板阀13的控制电流ic——负载压力特性曲线。通过改变单喷嘴挡板阀13的控制电流ic可以改变该喷嘴14和挡板15的间隙，进而改变作动器23的上腔的压力p4。从图中可以看出，作动器23的上腔压力随单喷嘴挡板阀13的控制电流ic的增加而近似线性变小。
[0107] 图5是本发明的气动伺服阀中作动器23的上腔压力p4——蝶板26的转角特性曲线。随着作动器23的上腔压力的增加，其活塞21发生位移并压缩作动器复位弹簧22；该活塞21位移和作动器23的上腔压力成线性关系；同时，根据连杆机构数学模型可得，该活塞21位移和蝶板26的转角也为近似线性关系；因此从图5中可以看出，在一定压力范围内，蝶板26的转角随上腔压力的增加而增大。
[0108] 图6是本发明的气动伺服阀开环时单喷嘴挡板阀23的输入指令ic——蝶板26的转角特性曲线。将气动减压阀1、单喷嘴挡板阀13、作动器23、连杆机构28和蝶板26联合起来，得到如图6所示的单喷嘴挡板阀13的输入指令ic——蝶板26的转角特性曲线；电磁球阀10打开后，当输入指令ic为100mA时，单喷嘴挡阀板13的喷嘴14与其挡板15的间隙最大，此时作动器23上腔压力p4最小，对应着蝶板26的开度约为45°；随着输入指令ic的减小，单喷嘴挡板阀13的喷嘴14与其挡板15的间隙减小，作动器23的上腔压力p4逐渐增加，蝶板26打开角度逐渐增大；当输入指令ic为50mA时，蝶板26的转角刚好达到90°的最大值；存在0-50mA的控制死区。可以通过改变气动减压阀1的调定压力、串联节流孔7的尺寸、单喷嘴挡板阀13的喷嘴14尺寸、作动器23的活塞21直径、连杆机构28的杆长等方式调节控制死区大小和蝶板26的转角的可控范围。
[0109] 图7是本发明的气动伺服阀中蝶板26转角——主通道29气体流量特性曲线。该特性曲线是通过计算
流体力学方法得出的(供气压力为350kPa)。根据图6的曲线，蝶板26的转角的可控范围为45°—90°；根据图7可以看出，对应的控制流量范围约为0.55—1.1kg/s，可以满足下游产品
对流量的控制需求。
[0110] 图8是本发明的气动伺服阀开环时输入指令ic——主通道29气体流量特性曲线。
