CN102619798A

CN102619798A - 高频液压转阀

Info

Publication number: CN102619798A
Application number: CN2011100280649A
Authority: CN
Inventors: 吕云嵩
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Jiangsu Fuhua Valve Co., Ltd.
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102619798B

Abstract

本发明公开一种高频液压转阀，属于液压元件技术领域。转阀由阀体、阀芯、阀套以及传动轴等零件组成。阀芯上有五段完整圆柱面，其与阀孔形成间隙密封将阀分隔成四个密封区段。第一密封区段功能上相当于一只常规两位四通换向阀，第二至第四密封区段组成一只左位为直通右位为M型滑阀机能的两位四通换向阀。阀芯采用力平衡设计，由控制电机驱动高速旋转，实现油路高频切换。本发明的主要特点是换向频率高，换向频率和阀口开度能通过阀芯的转速和转角由控制电机自动控制，结构紧凑。本发可用于液压振动系统等对阀的换向频率要求较高的场合。

Description

高频液压转阀

技术领域

本发明涉及一种高频液压转阀，属于液压元件技术领域。

背景技术

振动技术是一项广泛用于各工业领域的基础技术。激振方法主要包括机械、电动和液压三类。液压激振的主要优点是能够产生较大的激振力和位移幅值，大型液压振动台的激振力可达数百吨，位移幅值能达到数十公分。这一特点恰好弥补了机械和电动激振方法的不足，满足了航天航空、汽车、造船、冶金等领域对大吨位振动装备的需求。此外，液压振动系统的力密度和功率密度也比较大，振动设备易于实现小型化和轻量化，因此，比机械和电动方法更能适应移动装备的需要。近年来，液压振动技术发展很快，但其高能耗的缺点一直没有改变。能耗高不仅浪费能源，导致系统温升，还要求设备要有大的装机容量，因此，在运行过程中，对电网产生的冲击也大。上述缺点在很大程度上制约了液压振动技术的应用范围和发展空间，使其特有的技术优势得不到充分发挥。

高能耗是由液压振动系统的工作机理所决定的，其本质上是一种节流调速回路。这种回路靠阻尼效应控制振动过程，是一种高能耗系统。本发明涉及一种节能型液压振动系统，系统主要由电机、飞轮、液压传动回路和惯性负载组成，其中，传动回路是由双联泵、液压阀和液压缸组成的闭式回路。两只液压换向阀能够改变回路的传动比和负载的运动方向。当回路的传动比发生改变时，飞轮与负载之间便会产生动量交换，从而改变负载运动速度。这与现有系统完全靠阻尼来改变负载运动的情况相比明显节能。但这种液压振动系统对两只换向阀的性能要求很高，首先是换向频率要高，此外为了保证节能效果，两只换向阀的动作应当保持同步，换向频率和阀口开度的变化规律要与负载的固有频率及振动相位相匹配。现有液压件产品难以满足这些要求，必须开发一种专用换向阀。

发明内容

一种高频液压转阀，其特征在于，包括阀芯、阀体、阀套和传动轴。所述阀芯包括五段完整的圆柱面和四段周边开槽的不完整柱面，完整圆柱面与阀孔形成间隙密封，将四段开槽阀芯分割为四个密封区段。在左数第一密封区段阀芯的外圆表面上，开设了四个径向对称布置、与阀芯轴线平行且尺寸相同的柱面沟槽，它们与阀孔形成四个密封油腔。其两对不相邻油腔，分别由阀芯上两个横向油孔连通。两油孔不相交但均与阀芯轴线垂直。在阀套上开有四个尺寸相同的矩形油窗，其长边与阀孔轴线平行，相邻油窗中心线间夹角为45°。阀芯油槽间的密封角略大于阀套油窗周向宽度对应的圆心角，油窗轴向长度小于密封区间长度。上述油窗与阀的四个外接油口相通。当阀芯旋转时，油口间的连接关系交替变换，其功能相当于一只两位四通换向阀连续换向，阀每转一周换向四次。第二密封区段，阀芯的外圆表面上也开设了四个径向对称布置、与阀芯轴线平行且尺寸相同的柱面沟槽，它们与阀孔形成四个密封油腔。阀芯上设有与其轴线垂直的十字形相交油孔，将上述四个油腔连通。在阀套上开有两个油窗，它们在阀孔圆周上对称布置，即间隔180°，油窗周向宽度对应的圆心角略小于阀芯油槽的密封间角。第三与第四密封区段阀芯及阀套的结构与第一密封区段完全相同，只是油窗在阀套圆周上所处的相位不同。三个密封区段各有一对油窗，它们在阀套法向平面内投影的夹角分别为90°和45°。上述六个油窗与阀的四个外接油口连通，当阀芯旋转时，油口间的连接关系发生变化，其功能相当于左位为直通，右位为M型滑阀机能的两位四通换向阀。该阀与第一密封区段形成的换向阀同步换向，换向频率比前者高一倍，即阀每转一周换向八次。

所述阀体在两端设有丝堵和端盖，将阀孔两端密封。端盖上开孔并镶有轴套，传动轴与轴套为间隙配合。传动轴左端面对称削去两块圆缺，留下中间部分用做传动键。作为偶件，阀芯右端面沿中心线开有键槽。控制电机通过传动轴带动阀芯旋转。阀芯上的油腔都是按径向对称布置的，径向力是平衡的。阀芯两端油腔设有泄油孔，故没有轴向力。阀套和轴套均采用滑动轴承耐磨材料。由于阀的转速高，流量大，对内泄漏不敏感，故允许阀芯与阀套间留有足够的配合间隙。阀的结构能够保证摩擦副充分润滑和冷却。由于上述因素，阀能以较高的速度旋转。防尘盖用于安装油封，防止油液外泄及防尘。

现有液压转阀阀芯的运动形式是摆动，不能高频换向。伺服阀价格昂贵，阀口切换过程中节流损失大。锥阀组件需要专门设计且整体结构复杂，响应慢，仅适于大流量工况。本发明提供的高频液压转阀，将两只换向阀集成在一只转阀上，阀芯由控制电机驱动，可以较高转速连续旋转，换向频率高，且频率及阀口开度通过阀芯的转速和转角由控制电机自动控制，阀的造价低，结构紧凑。本发明适合液压振动系统等对换向频率要求较高的场合。

附图说明

图1为高频液压转阀示意图

图中标记：1.丝堵，2.阀体，3.阀芯，4.阀套，5.轴套6.端盖，7.防尘盖，8.传动轴，9.油封，10.螺旋槽

图2为液压振动系统示意图

图中标记：1.电机，2.液力耦合器，3.飞轮，4.弹性联轴器，5.第一液压泵，6.第二液压泵，7.两位两通电磁换向阀，8.第一两位四通换向阀，9.液压缸，10.振体，11.第二两位四通换向阀

具体实施方式

附图1是转阀实施实例，附图2是液压振动系统实施实例，本发明的实际使用并不局限于实施例。

图1所示为一种高频液压转阀，其特征在于，包括阀体2、阀芯3和传动轴8。阀芯3包括五段完整的圆柱面和四段周边开槽的不完整柱面，完整圆柱面与阀孔形成间隙密封，将四段开槽阀芯分割为四个密封区段。在第一密封区段，如剖面图A、B所示，阀芯3的外圆表面上，开设了四个径向对称布置、与阀芯轴线平行且尺寸相同的柱面沟槽，它们与阀孔形成四个密封油腔。其两对不相邻油腔，分别由阀芯上两个横向油孔连通，两油孔分置于A、B截面，互不相交但均与阀芯轴线垂直。在阀套4上开有四个油窗，相邻油窗中心线间夹角为45°。阀芯油槽间的密封角a略大于阀孔油窗开口对应的圆心角b，油窗轴向长度小于密封区间长度。上述四个油窗与阀的四个外接油口P、T、A、B相通，当阀芯旋转时，油口间的连接关系将交替变换，相当于两位四通换向阀连续换向，阀转一周换向四次，其职能符号如图2中阀8所示。第二密封区段，如剖面图C所示。阀芯的外圆表面上也开设了四个径向对称布置、与阀芯轴线平行且尺寸相同的柱面沟槽，它们与阀孔形成四个密封油腔。阀芯上设有与其轴线垂直的十字形相交油孔，将上述四个油腔连通。在阀套4上开有两个尺寸相同的矩形油窗，其长边与阀套轴线平行，它们在阀套圆周上对称布置，即间隔180°，油窗周向宽度对应的圆心角略小于阀芯油槽的密封间角。第三与第四密封区段阀的内部结构如图1中剖面图D、E所示，阀芯及阀套结构与第一密封区段完全相同，只是油窗在阀套4圆周上所处的相位不同，它们在阀套法平面内投影的夹角依次为90°和45°。第二至第四密封区段阀套4上共有P₁、P₂、T₁、T₂、P₂及T₂六个油窗，分别与阀上四个同名外接油口连通，如图1中C、D、E剖面图所示。当阀芯旋转时，油口间的连接关系发生变化，其功能相当于左位为直通，右位为M型滑阀机能的两位四通换向阀，其职能符号如图2中阀11所示。该阀与第一密封区段形成的换向阀同步换向，换向频率比前者高一倍，阀旋转一周换向八次。

如图1，所述阀体在两端设有丝堵1和端盖6，将阀孔两端密封。端盖6上开孔并镶有轴套5，传动轴8与轴套5为间隙配合。传动轴8左端面对称削去两块圆缺，如图1中剖面图F所示，留下中间部分用做传动键。作为偶件，阀芯3右端面沿中心线开有键槽。控制电机通过传动轴8带动阀芯3旋转。阀芯3上的油腔都是按径向对称布置的，径向力是平衡的。阀芯3两端油腔设有泄油孔，故没有轴向力。阀套4和轴套5均采用滑动轴承耐磨材料。由于阀的转速高，流量大，对内泄漏不敏感，故允许阀芯3与阀套5间留有足够的配合间隙。阀的结构能够保证摩擦副充分润滑冷却。由于上述因素，阀能以较高的速度旋转。防尘盖7用于安装油封9，防止油液外泄及防尘。

所述转阀适用于一种液压振动系统，如图2，它包括驱动装置、液压泵、液压缸和液压阀。所述驱动装置包括电机1、液力耦合器2、飞轮3和弹性联轴器4，三者同轴连接。所述液压泵为双联泵，包括第一液压泵5和第二液压泵6，它与弹性联轴器4同轴连接。所述液压阀包括两位四通电磁换向阀7、第一两位四通换向阀8和第二两位四通换向阀11。电磁阀7与第一换向阀8串接在第二液压泵6和液压缸9之间，构成泵-阀-缸闭式回路，振体10和液压缸9刚性连接。其中，电磁阀7的T、P油口与第二液压泵6的进出油口连接，A、B口和第一换向阀8的T、P口连接，第一换向阀8的A、B油口与液压缸9的A、B油口连接。电磁阀7未得电时，第二液压泵6的进出油口被短路，第一换向阀8的T、P油口被封堵，电机1拖动飞轮3空载加速。当飞轮转速达到设定范围时，电磁阀7得电，第二液压泵6与第一换向阀8连通，即与油缸连通。此时，若阀11处在上位，则泵5与泵6并联由飞轮3驱动向液压缸9供油，油缸快速启动加速。在此阶段，飞轮3因负载阻力增加而减速，其减小的这部分动能转移为液压缸9的动能。当缸速临近峰值时，阀11切换至图1所示下位，两泵之间的连接被断开，且液压泵5短路卸荷，余下泵6单独工作。由于在此瞬间泵6的流量小于液压缸9的流量，故它将从泵工况转变为马达工况，即液压缸9将依靠负载惯性驱动液压泵6(马达工况)并带动飞轮3加速，液压缸及负载则因能量消耗而减速，所消耗的能量被飞轮3吸收。当液压缸速度降低到设定范围时，换向阀8切换至过度中位，阀口逐渐关闭，阀的阻尼效应使缸速进一步下降直至停止运动。此后，随着阀8和阀11的反向开启，泵5与泵6再度并联，液压缸反向起步加速，随即重复前述过程。若系统启动时，换向阀11处于下位，则液压泵6将单独驱动液压缸9，液压缸缓慢加速，待阀11切换至双泵供油时再使油缸快速加速至峰值，然后仍按前述过程运行。由前述工作原理不难理解，系统的振动频率就是第一换向阀8的换向频率，第二换向阀11的换向频率是阀8的两倍。此外，两只阀还应具有零位重合的相位关系。

由所述转阀第一密封区段构成的两位四通换向阀可用作图2中的阀8，作用是使油缸9换向和减速。为使油缸运动平稳，阀口可开三角形节流口。转阀第二至第四密封区段所构成的两位四通换向阀可用作图2中的阀11，作用是使双联泵5、6在单泵运行或双泵运行两种工况间切换。单双泵切换时，系统流量变化很大，若阀11的面积梯度过大或切换速度过快，便会产生压力冲击，系统工作频率高也容易引起液压冲击。冲击能不转化为机械能，而是转化为热能。为了减缓液压冲击，换向阀11的阀口应有一定正重叠量，面积梯度变化率也不能太大，必要的话还可以考虑在阀口处开减振槽。

由前述知，系统的工作频率就是阀8和阀11的换向频率，故采用转阀时，系统工作频率是由转阀的转速决定的。例如，阀的转速为1200r/min时，系统的工作频率为80Hz。驱动阀芯旋转的控制电机可以是步进电机、伺服电机或小型直流电机，根据转速和转角控制精度的要求，可以采用开环或闭环控制。闭环控制加以适当的控制策略，能使电机转速和系统的自然频率自动匹配，这有利于系统效率的提高。

本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims

1.一种高频液压转阀，其特征在于：包括阀体(2)、阀芯(3)、阀套(4)和传动轴(8)等；所述阀芯(3)包括五段完整的圆柱面和四段周边开槽的不完整柱面，完整圆柱面与阀孔形成间隙密封，将四段开槽阀芯分割为四个密封区段；在第一密封区段所述阀芯(3)的外圆表面上，开设了四个径向对称布置、与阀芯轴线平行且尺寸相同的柱面沟槽，它们与阀孔形成四个密封油腔；其两对不相邻油腔分别由阀芯上两个横向油孔连通，两油孔互不相交但均与阀芯轴线垂直；在所述阀套(4)上开有四个尺寸相同的矩形油窗，其长边与阀孔轴线平行，相邻油窗中心线间夹角为45°；阀芯油槽间的密封角略大于阀套油窗周向宽度对应的圆心角，油窗轴向长度小于密封区间长度；上述油窗与阀的四个外接油口相通；在第二密封区段，所述阀芯(3)的外圆表面上也开设了四个尺寸相同、径向对称布置、与阀芯轴线平行的柱面沟槽，它们与阀孔形成四个密封油腔；阀芯上设有与其轴线垂直的十字形相交油孔将上述四个油腔连通；在所述阀套(4)上开有两个油窗，它们在阀孔圆周上对称布置，即间隔180°，油窗对应的圆心角略小于阀芯油槽的密封间角；第三与第四密封区段阀芯及阀套的结构与第一密封区段完全相同，只是油窗在所述阀套(4)圆周上所处的相位不同，它们在阀套法平面上投影的夹角依次为90°和45°；第二至第四密封区段所述阀套(4)上共有六个油窗，与阀的四个外接油口连通。

2.根据权利要求1所述高频液压转阀，其特征在于：所述阀体(2)在两端设有丝堵(1)和端盖(6)，将阀孔两端密封；端盖上开孔并镶有轴套(5)，传动轴与轴套为间隙配合；传动轴左端面对称削去两块圆缺，留下中间部分用做传动键；作为偶件，所述阀芯(3)右端面沿中心线开有键槽。

3.根据权利要求1所述高频液压转阀，其特征在于：所述阀芯(3)外圆面上的油腔都是径向对称布置的，两轴端油腔设有泄油孔；所述阀芯(3)，所述阀套(4)和所述轴套(5)均采用耐磨材料。

4.根据权利要求1所述高频液压转阀，其特征在于：所述阀芯(3)由控制电机驱动，电机控制系统可以开环也可以闭环。