CN101963166A - 双模式电气数字阀 - Google Patents

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都明宇
杨庆华
鲍官军
荀一
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Abstract

一种双模式电气数字阀，包括阀体，阀体上开有与气源连通的进气口、与气动执行元件连通的第1、第2进出气口以及与大气连通的第1、第2出气口，阀套嵌套在阀体的内壁，阀芯穿过阀套，阀芯与旋转伺服电机和直线伺服电机连接；阀芯上设有至少四个台肩，第2台肩和第3台肩的前后端面各在周向上均匀开设至少一条沟槽，同一台肩不同端面上的沟槽数相同且错位设置；阀套的周向均匀开设至少五圈阀套窗口，第1阀套窗口与第1出气口连通，第2阀套窗口与第1进出气口连通，第3阀套窗口与进气口连通，第4阀套窗口与第2进出气口连通，第5阀套窗口与第2出气口连通。本发明既可在高速下实现高速开关阀功能，又能在低转速下实现伺服和同步的精确控制。

Description

双模式电气数字阀
技术领域
本发明涉及一种数字电气阀领域。
背景技术
目前流体控制领域广泛使用的阀主要分为开关阀、比例阀和伺服阀。开关阀多数都是基于电磁开关式的，它主要是通过电磁铁吸附阀芯移动来控制流体通路的通断，所以运动部件体积惯量大，支撑部位多，摩擦力大、线性度差，响应时间较慢，致使其开关频率受到限制，输出流体有脉动，只能应用于对控制精度无特殊要求的简单系统。伺服阀虽然控制精度高，但频响较低，抗污染能力差，而且价格昂贵，性价比低。比例阀与伺服阀相比，虽然性能在某些方面还有一定的差距，但比例阀抗污染能力强，成本比伺服阀低，而且不包含敏感和精密的部件，更容易操作和保养。但由于比例阀性能提高的关键部件主要以比例电磁铁为主，其固有的磁滞、非线性等特性，制约了其控制精度及频响进一步的提高。
在电气数字阀领域，通常也存在如上技术难题。
发明内容
为了克服已有的气动数字阀不能同时满足高速下实现高速开关阀功能和低速时实现伺服同步控制的不足,本发明提供一种既可在高速下实现高速开关阀功能，又能在低转速下实现伺服和同步的精确控制的双模式电气数字阀。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 
一种双模式电气数字阀，包括阀体，所述的阀体上开有与气源连通的进气口、与气动执行元件连通的第1、第2进出气口以及与大气连通的第1、第2出气口，所述电气数字阀还包括阀芯和阀套，所述的阀套嵌套在阀体的内壁，所述的阀芯穿过阀套，所述的阀芯与驱动阀芯旋转运动的旋转伺服电机和驱动阀芯轴向移动的直线伺服电机连接；所述的阀芯上设有至少四个台肩，依次为第1台肩、第2台肩、第3台肩和第4台肩，所述第1与第4台肩不设沟槽，所述第2台肩和第3台肩的两侧端面各在周向上均匀开设至少一条沟槽，同一台肩不同端面上的沟槽数相同且错位设置；阀套的周向均匀开设至少五圈阀套窗口，依次是第1阀套窗口、第2阀套窗口、第3阀套窗口、第4阀套窗口和第5阀套窗口，各个阀套窗口的形状相同，所述第1阀套窗口与第1出气口连通，所述第2阀套窗口与第1进出气口连通，第3阀套窗口与进气口连通，第4阀套窗口与第2进出气口连通，第5阀套窗口与第2出气口连通。
进一步，所述的每一圈阀套窗口的窗口数至少为1，窗口为矩形或圆形。
再进一步，所述第2阀套窗口和第4阀套窗口分别配合所述阀芯的第2台肩和第3台肩；所述阀芯的第2台肩上的沟槽总数是所述第2阀套窗口数的整数倍且倍数大于1，所述阀芯的第3台肩上的沟槽总数是所述第4阀套窗口数的整数倍且倍数大于1。
所述各圈阀套窗口沿阀套的周向均匀开设，同一台肩两侧端面上的沟槽错位设置。
阀芯两侧端面上的相邻两沟槽间隔距离大于等于阀套窗口直径。
本发明的技术构思为；电气数字阀的阀芯与伺服电机一转轴相连，通过伺服电机一的旋转带动阀芯相对阀套及阀体的旋转，使得沿阀芯台肩两侧端面周向交错开设的沟槽与阀套上的窗口的配合关系按一定顺序循环转换。例如：当阀芯高速单方向连续旋转时，阀体上第1和第2进出气口也与气源和大气交替连通，即可实现独立的两个高速开关阀进出气口功能，其开关频率与电机转速、沟槽数成正比关系，阀的工作流量与沟槽数和窗口数量及阀口过流面积成正比关系，故易于提高开关阀的工作频率并实现大流量场合开关控制。当在伺服电机及转角、压力、流量等监测装置的配合下实现阀芯零位附近正反旋转和精确定位时，阀芯上第2和第3台肩的沟槽与阀套上第2和第4阀套窗口之间形成可控节流状态。若合理设计第2和第3台肩的错位关系，则两个节流口的进出气的相位差为0~180度连续可调，所以阀体上第1和第2进出气口可以方便的实现双作用气缸等执行器的两腔气路的同时控制，进而实现被控执行器的流量、压力、速度的伺服控制或同步控制。
所述的阀芯第2和第3台肩结构完全一致，仅是沿阀芯转轴平移的位置关系：即两台肩同侧端面上的沟槽之间沿周向没有错位。此时阀体上的两个进出气口流体流动方向相反，故开关输出状态下信号开关动作反相，而差动比例输出状态适合控制双作用执行器实现伺服控制。
所述的阀芯第2和第3台肩结构完全一致，仅是镜像对称位置关系：即两台肩异侧端面上的沟槽之间沿周向没有错位。此时阀体上的两个进出气口流体流动方向相同，故开关输出状态下信号开关动作同步，而比例输出状态则适合驱动精密双（多）缸同步系统。
当然，本方案也能同时适用于电液数字阀场合。
本发明的有益效果主要表现在：既可在高速下实现高速开关阀功能，又能在低转速下实现伺服和同步的精确控制。
附图说明
图1是本发明电气数字阀的轴向截面图。
图2是本发明的组件分解视图。
图3是本发明的阀口全开，P-A连通通流，B-R2连通回流状态示意图，其中，20为阀套窗口投影，21为第2台肩左侧沟槽，22为第2台肩右侧沟槽，23为第3台肩左侧沟槽，24为第3台肩右侧沟槽。
图4是本发明的阀口全开，P-B连通通流，A-R1连通回流状态示意图，其中，20为阀套窗口投影，21为第2台肩左侧沟槽，22为第2台肩右侧沟槽，23为第3台肩左侧沟槽，24为第3台肩右侧沟槽。
图5是本发明的阀口全闭，P、A、B、R1、R2互不连通状态示意图，其中，20为阀套窗口投影，21为第2台肩左侧沟槽，22为第2台肩右侧沟槽，23为第3台肩左侧沟槽，24为第3台肩右侧沟槽。
图6是本发明在可数控比例流量阀模式下，P-A节流通流增压，B-R2节流回流减压状态示意图，其中，20为阀套窗口投影，21为第2台肩左侧沟槽，22为第2台肩右侧沟槽，23为第3台肩左侧沟槽，24为第3台肩右侧沟槽。
图7是本发明在可数控比例流量阀模式下，P-B节流通流增压，A-R1节流回流减压状态示意图，其中，20为阀套窗口投影，21为第2台肩左侧沟槽，22为第2台肩右侧沟槽，23为第3台肩左侧沟槽，24为第3台肩右侧沟槽。
图8是本发明在同步开关及比例阀模式下的示意图，其中，20为阀套窗口投影，21为第2台肩左侧沟槽，22为第2台肩右侧沟槽，23为第3台肩左侧沟槽，24为第3台肩右侧沟槽。
图9是本发明工作在异步高速开关阀模式下驱动两个独立执行器开关动作的工作原理图，其中，25为第一开关执行器，26为第二开关执行器。
图10是本发明工作在比例流量阀模式下联合驱动双作用执行器27的工作原理图。
图11是本发明工作在同步输出状态的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述
参照图1~图11，一种双模式电气数字阀，包括阀体1，所述的阀体1上开有与气源连通的进气口4、与气动执行元件连通的第1进出气口5、第2进出气口6以及与大气连通的第1出气口8、第2出气口9，弹簧7用于阀芯安装时与阀体预紧，该数字阀还包括阀芯2和阀套3，所述的阀套3嵌套在阀体1的内壁，所述的阀芯2穿过阀套3，所述的阀芯2与驱动阀芯旋转运动的旋转伺服电机和驱动阀芯轴向移动的直线伺服电机连接；所述的阀芯2上设有至少四个台肩，依次为第1台肩10、第2台肩11、第3台肩12和第4台肩13，所述第1台肩10与第4台肩13不设沟槽，所述第2台肩及第3台肩的两侧端面各在周向上均匀开设至少一条沟槽，同一台肩不同端面上的沟槽数相同且错位设置；阀套3的周向均匀开设至少五圈阀套窗口，依次是第1阀套窗口15、第2阀套窗口16、第3阀套窗口17、第4阀套窗口18和第5阀套窗口19，所述第1阀套窗口15与第1出气口8连通，所述第2阀套窗口16与第1进出气口5连通，第3阀套窗口17与进气口4连通，第4阀套窗口18与第2进出气口6连通，第5阀套窗口19与第2出气口9连通。
所述的每一圈阀套窗口的窗口数至少为1，窗口为矩形或圆形。所述第2阀套窗口和第4阀套窗口分别配合所述阀芯的第2和第3台肩。所述阀芯的第2台肩上的沟槽总数是所述第2阀套窗口数的整数倍且倍数大于1。所述阀芯的第3台肩上的沟槽总数是所述第4阀套窗口数的整数倍且倍数大于1。所述各圈阀套窗口沿阀套的周向均匀开设，同一台肩两侧端面上的沟槽错位设置。当阀套窗口不止一个时，阀芯正反两面的沟槽需避免同时连通阀套窗口。阀芯两侧端面上的相邻两沟槽间隔距离大于等于阀套窗口直径以避免阀芯对阀口的负遮盖。
参照附图1，P口为进气口4，A口为第1进出气口5，B口为第2进出气口6，R1口为第1出气口，R2口为第2出气口。
本实施例的方案也能适用于电液数字阀，使得电液数字阀可以工作在高速开关阀和比例流量方向阀两种模式。
实例1：当阀芯在转动过程中处于图3所示的位置时，P口与A口连通，B口与R2口连通，一路流体（气体或液压油）由P口经A口流入开关执行器1驱动腔，另一路流体从开关执行器2驱动腔经B口至R2口卸载。当继续旋转阀芯至图5所示位置的过程中，由P口经A口流入开关执行器1驱动腔的流量不断减少并最终被关断，而从开关执行器2驱动腔经B口至R2口卸载回路流量也不断减少并最终被关断。阀芯继续旋转至图4所示位置的过程中，流体通路被切换，开关执行器1驱动腔经A口至R1口卸载，另一通路从P口经B口对开关执行器2的驱动腔加载。至此完成了一次开关量的输出全过程。随着旋转的进行，该过程反复进行，A、B口分别于P、R口交替连通，实现开关阀驱动功能。该模式下开关阀频率与转速、台肩沟槽数成正比，实际使用过程中可简单通过改变伺服电机1的转速来改变开关频率。若在上述循环过程中使用伺服阀2同时改变阀芯的轴向位置，则可改变阀芯对阀口的遮盖量，从而改变阀口的通流能力，实现输出功率的控制。开关控制原理图见图9。
实例2： 当阀芯处在图5位置时，阀口全关闭，则P、A、B、R1、R2各口均被隔断，阀芯处于零位，输入输出流量为零，此时执行器停止运动。根据伺服控制的任务要求可以通过伺服电机1和伺服电机2，连续控制阀芯在零位附近正反转动和轴向移动，即由图5所示状态向图6所示状态转换或是反向向图7所示状态转换。改变阀口开度和通路方向，从而控制A、B两路输出的流量大小和方向，实现伺服控制目的。差动输出伺服控制工作原理图见图10。
实例3：当阀芯台肩结构如图8所示，因为阀芯转动对两个阀口开关通路的选择保持同步，则A、B口的流体流量及方向也同步变化，一致性好，可以实现同步控制执行器的驱动功能。同步工作输出原理图见图11。

Claims (5)

1.一种双模式电气数字阀，包括阀体，所述的阀体上开有与气源连通的进气口、与气动执行元件连通的第1、第2进出气口以及与大气连通的第1、第2出气口，其特征在于：所述电气数字阀还包括阀芯和阀套，所述的阀套嵌套在阀体的内壁，所述的阀芯穿过阀套，所述的阀芯与驱动阀芯旋转运动的旋转伺服电机和驱动阀芯轴向移动的直线伺服电机连接；所述的阀芯上设有至少四个台肩，依次为第1台肩、第2台肩、第3台肩和第4台肩，所述第2台肩和第3台肩的两侧端面各在周向上均匀开设至少一条沟槽，同一台肩不同端面上的沟槽数相同且错位设置；阀套的周向均匀开设至少五圈阀套窗口，依次是第1阀套窗口、第2阀套窗口、第3阀套窗口、第4阀套窗口和第5阀套窗口，各个阀套窗口的形状相同，所述第1阀套窗口与第1出气口连通，所述第2阀套窗口与第1进出气口连通，第3阀套窗口与进气口连通，第4阀套窗口与第2进出气口连通，第5阀套窗口与第2出气口连通。
2.如权利要求1所述的双模式电气数字阀，其特征在于：所述的每一圈阀套窗口的窗口数至少为1，窗口为矩形或圆形。
3.如权利要求1或2所述的双模式电气数字阀，其特征在于：所述第2阀套窗口和第4阀套窗口分别配合所述阀芯的第2台肩和第3台肩；所述阀芯的第2台肩上的沟槽总数是所述第2阀套窗口数的整数倍且倍数大于1，所述阀芯的第3台肩上的沟槽总数是所述第4阀套窗口数的整数倍且倍数大于1。
4.如权利要求1或2所述的双模式电气数字阀，其特征在于：所述各圈阀套窗口沿阀套的周向均匀开设，同一台肩两侧端面上的沟槽错位设置。
5.如权利要求1或2所述的双模式电气数字阀，其特征在于：所述阀芯台肩的两侧端面上的相邻两沟槽间隔距离大于等于阀套窗口直径。
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