CN101900143A - 一种摆动式液压比例、伺服阀 - Google Patents

Abstract

一种摆动式液压比例、伺服阀，与摆动电机(3)及角位移传感器(1)配套，由控制芯片控制。阀体(5)前面开有供油孔(P)、回油孔(T)，后面开有上升油孔(A)、下降油孔(B)，分别通过输油管(L)连通油箱，内部通过通油管腔(N)连通阀孔(R)。阀芯(6)为十字形芯轴，与阀体(5)配装组成三位四通阀。摆动电机(3)为双向输出轴结构，一端输出轴联接阀芯(6)的联接轴，另一端输出轴与角位移传感器(1)的中心轴相联接。控制芯片根据传感器反馈信息及时调节电机的输入电流和输出轴的转动角度，调整阀芯(6)摆动角度，改变油孔开口截面积，使液压流量、压力保持在设计值，可以实现无级调速，能够在摆动范围内任意位置停留，控制精度高，动态特性好，操作方便灵活，适用范围广泛。

Description

一种摆动式液压比例、伺服阀

技术领域

本发明涉及液压元器件，尤其涉及液压系统油缸的控制阀。

背景技术

液压阀是液压传动中用来控制液体压力、流量和方向的元器件，其性能直接决定液压系统整体功效。在各种液压流量、压力控制阀中，比例阀、伺服阀因为动态响应快、控制精度高，在航空、航天、舰船、冶金、化工等领域中需求极大，如何改进比例阀和伺服阀的复杂结构，是液压传动与控制领域研究的重点和难点。现有比例阀和伺服阀多采用滑阀和先导阀结构，复杂的结构和高精度部件的加工要求极高，市场所需比例阀、伺服阀多为进口，国内尚未完全掌握比例阀、伺服阀关键技术，生产维护能力不强，技术上存在一定差距。国内伺服阀现有结构形式，如有限角度旋转式电流伺服阀(专利号200410004538.6)，采用直流无刷电机驱动转阀的阀芯转动，直流无刷电机采用三相绕组，并配有位置传感器(机械式、光电式或是霍尔传感器等)。由于直流无刷电机需要三相桥功率放大电路，绕组采用星形或三角形接法，对称两相无法同时通电，因此在平衡位置容易产生抖动，导致阀的工作性能不稳定。现有的内置角度位置传感器，分为电位器、自整角机、旋转变压器和光电编码器，电位器和自整角机的误差范围在1°左右，旋转变压器的误差影响使控制精度大为降低；光电编码器可能会产生死区角度和非单值性误差，其反馈角度最小单位量值较大，反馈角度值为离散型，控制精度难以提高。而且需要加工特定的鼓形开口型阀套，增加了装配难度，提高了生产成本。再如一种数字式液压伺服转阀(专利号86107688)和数字直控伺服阀(专利号98201967)，阀芯只能跟随步进电机在一定步距内转动，不能停在任意位置，目前步进电机的最小步距角约为0.36度，控制精度不高。由于步进电机每次只能转动步距角，使液压控制的设备无法确保停止在设定位置。当阀芯转动到零位附近时，存在不能完全封闭阀口的情况，会导致压力油泄漏到工作腔。

发明内容

本发明的目的，就是提供一种结构简单，液压流量、压力的控制精度高，可以实现无级调速，频响高、动态特性好，安装使用方便，阀体易于清洗，寿命长，效率高，适用范围广的液压控制阀。

本发明的任务是这样完成的：设计一种摆动式液压比例、伺服阀，由阀体内套装阀芯，两端由阀盖、阀座封闭连接，与摆动电机及角位移传感器配套组合构成，由控制芯片控制，阀体为立方体部件，开有垂直贯通阀孔装设阀芯，前面开有供油孔、回油孔，后面开有上升油孔、下降油孔，分别通过内部通油管腔连通阀孔，顶面、底面分别用螺栓与阀盖、阀座连接固定，阀芯为一端圆盘外带联接轴的十字形芯轴，与阀体配装组成三位四通阀，阀芯联接轴穿出阀盖中心孔，通过联轴器联接摆动电机。阀体的中间阀孔内安装阀芯，阀体顶面和底面上环绕阀孔分别开有环形槽，装设阀体密封圈，环形槽外圈同一圆周面上各开设8个螺孔，分别用于装设螺栓与阀盖、阀座连接，在螺孔之间的平面上间隔开有两个定位销孔，在阀体的前面开有供油孔、回油孔，后面开有上升油孔、下降油孔，四面开有若干工艺孔，分别通过相应的通油管腔连通，工艺孔的孔口装设螺塞封堵，供油孔、回油孔、上升油孔、下降油孔的孔口分别配合装设管接头连接输油管。阀芯的十字形芯轴是在圆柱体截面上间隔90°均匀开出四条轴向凹槽，相应形成四条凸圆棱面构成，两端保持圆盘结构，槽底为凹圆弧形，槽顶为凸圆棱面，一端阀芯圆盘外面带有台阶式联接轴，轴颈部开有环形槽，装设芯轴密封圈，轴端部开有键槽用于与联轴器联接固定。阀盖为正方形厚金属平板，中心开有轴孔，与阀芯联接轴配套，在环绕中心轴孔的同一圆周面上开有8个台阶孔，与阀体顶面的螺孔相对应，用于装设固定螺栓，在台阶孔之间的平面上开有两个定位销孔，与阀体顶面的定位销孔相对应。阀座为长方形厚金属平板，四个角上开有台阶孔，用于装设固定螺栓，环绕阀座中心的同一圆周面上开有8个台阶孔，与阀体底面的螺孔相对应，用于装设固定螺栓，在台阶孔之间的平面上开有两个定位销孔，与阀体底面定位销孔相对应。摆动电机为双向输出轴结构，一端输出轴通过联轴器联接阀芯的联接轴，另一端输出轴通过联轴器与角位移传感器的中心轴相联接，摆动电机和角位移传感器分别通过线束连接控制芯片。角位移传感器选择电阻式连续型角位移传感器，随时将信息反馈回控制芯片，由控制芯片控制摆动电机转子的摆动角度和频率，确定摆动电机各相的电流值。摆动电机带动阀芯在阀体的阀孔中一定的角度范围内自由摆动，控制阀体油孔开口面积的大小。由于液压流量和压力与开口面积有关，从而可以通过控制摆动电机的摆动角度控制液压流量和压力。若液压系统对控制精度和动态响应要求不太高、允许存在一定的中位死区时，本发明可以用作比例阀。此时不需外接反馈回路，比例阀工作时，预设定流量、压力的大小，控制芯片计算阀芯摆动角度的大小，据此确定摆动电机各相的电流值，并根据电阻式连续型角位移传感器反馈回的电阻值控制电流大小，使摆动电机的输出轴转动角度与预定值一致。若液压系统要求控制阀具有较高的控制精度和较好的动态响应特性时，可在本发明结构外接反馈回路，形成多路闭环系统，用作伺服阀。可以按照工作需要设定液压流量、压力的大小，由控制芯片计算出阀芯摆动角度，确定摆动电机各相电流值。在工作过程中，当阀体的液压流量或压力偏离设定值时，通过电机转轴角位移传感器和执行器位移传感器反馈信息，控制芯片根据反馈值及时调节摆动电机的输入电流量和电机输出轴的转动角度，调整阀芯摆动角度，改变阀体油孔开口面积，使液压流量、压力恢复设计值，满足精度要求。本发明由于采用了转阀结构和摆动电机拖动，将液压阀的流量和压力控制转化为摆动电机各相电流控制，摆动电机内部只有两相绕组，永磁材料电机转子在两相绕组之间摆动，而且两相绕组可以同时通电，无需位置传感器，简化了控制方式，提高了控制精度。摆动电机为双向输出轴结构，一端输出轴通过联轴器连接阀芯，另一端输出轴通过联轴器连接电阻式连续型角位移传感器，能将角度位移转化为电阻值，输出角度值连续，控制精度高，能够实现无级调速。

按照上述设计方案制作、试验，证明本发明的设计合理，结构紧凑，性能稳定，阀体油孔开口面积可调，便于清洗，可以实现无级调速，并可在摆动范围内任意位置停留，控制精度高，液压阀输出流量和压力精确、可调，频响高、动态特性好，操作方便灵活，成本低、效率高，使用寿命长，适用范围广，较好地达到了预定目的。

附图说明

图1是本发明的装配结构剖面示意图；

图2是本发明的阀盖(4)的仰视结构示意图；

图3是图2的E-E剖面示意图；

图4是图2的V-V剖面示意图；

图5是本发明的阀座(7)的仰视结构示意图；

图6是图5的G-G剖面示意图；

图7是图5的H-H剖面示意图；

图8是图1中的阀体(5)的D向结构示意图；

图9是图8的K-K剖面示意图；

图10是图8的F向俯视图；

图11是本发明的阀芯(6)的正视结构示意图；

图12是图11的Y-Y剖面示意图；

图13是图8的B-B剖面示意图；

图14是图8的P-P剖面示意图；

图15是图8的T-T剖面示意图；

图16是图8的A-A剖面示意图；

图17是本发明的三位四通阀原理图；

图18是图1中阀芯(6)在阀体(5)内中位状态剖面示意图；

图19是图18的阀芯(6)顺时针摆动状态示意图；

图20是图18的阀芯(6)逆时针摆动状态示意图；

图21是图18的液流原理图；

图22是图19的液流原理图；

图23是图20的液流原理图；

图24是图1的摆动电机(3)转子(11)的中停状态示意图；

图25是图24的转子(11)的逆时针摆动动状态示意图；

图26是图24的转子(11)的顺时针摆动动状态示意图。

图中：1-传感器，2-联轴器，3-摆动电机，4-阀盖，5-阀体，6-阀芯，7-阀座，8-芯轴密封圈，9-阀体密封圈，10-螺塞，11-转子，12-定子；A-上升油孔，B-下降油孔，P-供油孔，T-回油孔，R-阀孔，S-管接头，L-输油管，J-轴孔，M-螺孔，W-台阶孔，X-定位销孔，N-通油管腔，α-夹角，C-凹槽，U-工艺孔，Q-环形槽，E、V-阀盖剖面符号，G、H-阀座剖面符号，K、A、P、T、B-阀体剖面符号，Y-阀芯剖面符号，D、F-视向符号，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ-凹腔，A相-绕组符号，B相-绕组符号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式加以进一步说明。

参阅图1，摆动电机3的外端输出轴通过联轴器2连接角位移传感器1的中心轴，内端输出轴通过联轴器2联接阀芯6联接轴，阀芯6装设在阀体5中心的阀孔R中，顶面阀盖4和底面阀座7将阀孔R封闭。阀座7的后面开有上升油孔A和下降油孔B，通过管接头S与输油管L连接，阀座7垂直面所开的工艺孔U由螺塞10封堵，防止漏油。阀盖4和阀座7用螺栓与阀体5连接固定。

参阅图2、图3、图4，阀盖4为正方形厚金属板，中心开有轴孔J，8个台阶孔W位于同一圆周面上，四个角内各开一个通孔，与轴孔J夹角α为135°的平面上开有两个定位销孔X，中心轴孔J与阀芯6的联接轴配装，台阶孔W内可由顶面向下装设螺栓与阀体5的顶面连接。

参阅图5、图6、图7，阀座7为长方形厚金属平板，环绕中心的同一圆周面上开有8个台阶孔W，由底面装设螺栓与阀体5固定，四个角上各开有台阶孔W，用于安装螺栓将阀座7固定。

参阅图8、图9、图10，阀体5是立方体部件，中间开有垂直阀孔R，与阀芯6配装，在阀体5顶面和底面环绕阀孔R分别开有一圈环形槽Q，用于装设阀体密封圈9，在阀体5顶面和底面的同一圆周面上各开有8个螺孔M，在顶面的中心夹角α为135°的平面上开有两个定位销孔X，顶面螺孔M及定位销孔X与阀盖4上的台阶孔W及定位销孔X的位置相对应，底面螺孔M与阀座7圆周面台阶孔W相对应。在阀体5的后面上部开有下降油孔B、下部开有上升油孔A，前面开有工艺孔U，分别通过通油管腔N连通阀孔R。

参阅图11、图12，阀芯6是在圆柱体上均匀开有四条轴向弧形凹槽C，由此产生的四个凸圆棱面形成十字芯轴，凸圆棱面与阀体5的阀孔R内壁进行配磨加工，其精度决定泄漏量和输出精度。阀芯6两端保留圆盘，可与凸圆棱面一起，将液压油封闭在四个凹槽C与阀孔R孔壁形成的四个凹腔(Ⅰ腔、Ⅱ腔、Ⅲ腔、Ⅳ腔)中。一端带有联接轴，轴颈部位开有环槽Q，可装设芯轴密封圈8，轴端细轴开有定位键槽，可与联轴器2配装。

参阅图13、图14、图15、图16，阀体15的B-B、P-P、T-T、A-A四个层面剖视，阀体5后面上层开有下降油孔B，与阀孔R连通，并与右侧通油管腔N连通，阀体5右面与前面各开有两个工艺孔U。阀体5前面下层开有供油孔P、上层开有回油孔T，供油孔P在左侧与通油管腔N和阀孔R连通，回油孔T与阀孔R连通并与右侧通油管腔N连通。阀体5后面下层开有上升油孔A，与左右并列的两个工艺孔U由阀体5内的通油管腔N连通，并通过阀体5左面和右面的工艺孔U连接的通油管腔N连通阀孔R。由于液压阀工作时处于高压工况，为了解决高压产生的不平衡，防止冲击，阀体5采用对称结构，为此设计在阀体5内部加工通油管腔N，将供油孔P、回油孔T、上升油孔A、下降油孔B各分为两条支路，支路出口相对阀芯6形成对称，各个油孔口通过管接头S连接输油管L，用于加工通油管腔N的工艺孔U的孔口均用螺塞10封堵，防止液压油外泄。各个油孔和工艺孔U的对外开口之间的距离，能够保证管接头S和或螺塞10的正常安装。

参阅图17，阀芯6与阀体5配装组成三位四通阀，供油孔P通过输油管L连通油泵为阀体5供油，回油孔T通过输油管L连通油箱，上升油孔A、下降油孔B通过输油管L分别连接工作油缸。当阀芯6在阀孔R中处于中间位置时，上升油孔A、下降油孔B被阀芯6封堵，与供油孔P、回油孔T的连接油路不通，液压阀流量、压力处于静止均衡状态。当阀芯6顺时针摆动时，上升油孔A与供油孔P连通，下降油孔B与回油孔T连通；当阀芯6逆时针摆动时，上升油孔A与回油孔T连通，下降油孔B与供油孔P连通。通过控制摆动电机3的摆动角度，可改变阀芯6的位置，控制上升油孔A、下降油孔B与供油孔P和回油孔T形成不同的连通组合，实现对液压系统流量和压力的控制。

参阅图18、图19、图20，阀芯6位于中位状态时，供油孔P连通供油腔Ⅱ腔、Ⅳ腔，回油孔T连通回油腔Ⅰ腔、Ⅲ腔，上升油孔A、下降油孔B连通阀孔R的通油管腔N被阀芯6的十字形凸圆棱面封堵，油路不通，液压系统处于静平衡状态。当阀芯6顺时针摆动时，供油孔P、下降油孔B同时连通Ⅱ腔、Ⅳ腔，此时油路连通油缸的顶腔，压动活塞杆回缩下降，回油孔T、上升油孔A同时连通Ⅰ腔、Ⅲ腔，油缸的底腔中的液压油通过液压油管L流经上升油孔A、回油孔T回到油箱。当阀芯6逆时针摆动时，供油孔P、上升油孔A同时连通供油腔Ⅱ腔、Ⅳ腔，此时油路连通油缸的底腔，液压油进入底腔推动活塞杆向上伸出，回油孔T、下降油孔B同时连通回油腔Ⅰ腔、Ⅲ腔，油缸顶腔中的液压油通过液压油管L流经下降油孔B、回油孔T回到油箱。

参阅图21、图22、图23，阀体5与阀芯6配装，与各个油孔形成三位四通阀，无论阀芯6摆动方向如何，总是存在阀体5的供油孔P与阀芯6的Ⅱ腔及Ⅳ腔连通、回油孔T与Ⅰ腔及Ⅲ腔连通的状态，实际上形成Ⅱ腔、Ⅳ腔为供油腔，Ⅰ腔、Ⅲ腔为回油腔的结构格局。当阀芯6处于中位状态时，上升油孔A、下降油孔B都被阀芯6的十字形凸圆棱面封住，与各个凹腔均不连通，各个凹腔之间液流无法流通。当阀芯6顺时针摆动，下降油孔B与供油腔Ⅱ腔、Ⅳ腔连通，高压油经下降油孔B输出，经过输油管L通向油缸的顶腔，压动油缸的活塞带动活塞杆下降回缩，同时上升油孔A连通回油腔Ⅰ腔、Ⅲ腔，通过输油管L连通油缸的底腔，底腔中的液压油经上升油孔A、回油孔T输油管L流回油箱。当阀芯6逆时针摆动，上升油孔A连通供油腔Ⅱ腔、Ⅳ腔，高压油通过供油孔P流入上升油孔A，经过输油管L通向油缸的底腔，推动油缸的活塞带动活塞杆向上伸出作功；下降油孔B连通回油腔Ⅰ腔、Ⅲ腔，油缸顶腔的液压油经输油管L向下降油孔B流回，通过回油孔T和回油输油管L流回油箱。通过控制阀芯6的摆动方向，可以控制液压系统的供油方向和油缸的工作状态；通过控制阀芯6的摆动角度确定上升油孔A和下降油孔B的截面积，可以控制液压流量的大小和压力。

参阅图24、图25、图26，摆动电机3的转子11由永磁材料制成，在外加磁场作用下可以左右摆动，定子12设有A相与B相两组绕组，当A相绕组通电而B相绕组不通电时，转子11向A相绕组摆动；当B相绕组通电而A相绕组不通电时，转子11向B相绕组摆动，电流大小决定摆动速度。通过A相绕组或B相绕组通电、断电，即可控制摆动电机3输出轴的转动方向与转动速度。

采用本发明为液压系统油缸配套，按照工作需要，控制芯片输入预定的液压流量和压力值，控制摆动电机3输入一定电流，在A相绕组或B相绕组通电电流作用下，摆动电机3的转子11摆动相应角度，阀体5通过具有一定流量和压力的液压油。当切换流量或方向时，阀芯6在摆动电机3带动下转动至所需要的角度。如果出现振动或冲击使阀芯6偏离预定角度时，电阻式连续型角位移传感器1将测得的角度值传递至控制芯片，控制芯片调节摆动电机3的通电电流，使阀芯6摆动角度达到预定值。由于阀口开度小，能够迅速改变流量或压力，动态特性好。控制芯片与传感器配合，形成反馈回路，控制液压流量和压力的精确度高，适用范围广泛。

Claims (6)

1.一种摆动式液压比例、伺服阀，其特征在于是由阀体(5)内套装阀芯(6)，两端由阀盖(4)、阀座(7)封闭连接，与摆动电机(3)及角位移传感器(1)配套组合构成，由控制芯片控制，阀体(5)为立方体部件，开有垂直贯通阀孔(R)装设阀芯(6)，前面开有供油孔(P)、回油孔(T)，后面开有上升油孔(A)、下降油孔(B)，分别通过内部通油管腔(N)连通阀孔(R)，顶面、底面分别用螺栓与阀盖(4)、阀座(7)连接固定，阀芯(6)为一端圆盘外带联接轴的十字形芯轴，与阀体(5)配装组成三位四通阀，阀芯(6)联接轴穿出阀盖(4)中心孔，通过联轴器(2)联接摆动电机(3)。

2.按照权利要求1所述的摆动式液压比例、伺服阀，其特征在于所说的阀体(5)的中间阀孔(R)内安装阀芯(6)，阀体(5)顶面和底面上环绕阀孔(R)分别开有环形槽(Q)，装设阀体密封圈(9)，环形槽(Q)外圈同一圆周面上各开设8个螺孔(M)，分别用于装设螺栓与阀盖(4)、阀座(7)连接，在螺孔(M)之间的平面上间隔开有两个定位销孔(X)，在阀体(5)的前面开有供油孔(P)、回油孔(T)，后面开有上升油孔(A)、下降油孔(B)，四面开有若干工艺孔(U)，分别通过相应的通油管腔(N)连通，工艺孔(U)的孔口装设螺塞(10)封堵，供油孔(P)、回油孔(T)、上升油孔(A)、下降油孔(B)的孔口分别配合装设管接头(S)连接输油管(L)。

3.按照权利要求1所述的摆动式液压比例、伺服阀，其特征在于所说的阀芯(6)的十字形芯轴是在圆柱体截面上间隔90°均匀开出四条轴向凹槽(C)，相应形成四条凸圆棱面构成，两端保持圆盘结构，槽底为凹圆弧形，槽顶为凸圆棱面，一端阀芯(6)圆盘外面带有台阶式联接轴，轴颈部开有环形槽(Q)，装设芯轴密封圈(8)，轴端部开有键槽用于与联轴器(2)联接固定。

4.按照权利要求1所述的摆动式液压比例、伺服阀，其特征在于所说的阀盖(4)为正方形厚金属平板，中心开有轴孔，与阀芯(6)联接轴配套，在环绕中心轴孔的同一圆周面上开有8个台阶孔(W)，与阀体(5)顶面的螺孔相对应，用于装设固定螺栓，在台阶孔(W)之间的平面上开有两个定位销孔(X)，与阀体(5)顶面的定位销孔(X)相对应。

5.按照权利要求1所述的摆动式液压比例、伺服阀，其特征在于所说的阀座(7)为长方形厚金属平板，四个角上开有台阶孔(W)，用于装设固定螺栓，环绕阀座(7)中心的同一圆周面上开有8个台阶孔(W)，与阀体(5)底面的螺孔(M)相对应，用于装设固定螺栓，在台阶孔(W)之间的平面上开有两个定位销孔(X)，与阀体(5)底面定位销孔(X)相对应。

6.按照权利要求1所述的摆动式液压比例伺服阀，其特征在于所说的摆动电机(3)为双向输出轴结构，一端输出轴通过联轴器(2)联接阀芯(6)的联接轴，另一端输出轴通过联轴器(2)与角位移传感器(1)的中心轴相联接，摆动电机(3)和角位移传感器(1)分别通过线束连接控制芯片。

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