CN102619800A - 纯水压电陶瓷驱动开关阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯水压电陶瓷驱动开关阀，包括阀壳、阀体、位移放大机构和驱动结构，阀体内设有阀套、阀座、陶瓷球、弹簧、弹簧推杆、弹簧挡块和复位弹簧，阀体上端设有进水口和出水口，下端设有流道，由内流道相互连通；通过陶瓷球与阀座的离开或遮盖，形成回路的开或闭，从而控制液流的通断。陶瓷球的驱动是由压电陶瓷驱动器的驱动力与复位弹簧的弹簧力完成，其间由弹簧推杆和弹簧挡块来进行传递，流道的合理布置使得弹簧推杆、弹簧挡块和陶瓷球所受的液压力平衡。本发明可实现密封零泄漏，快速切换，通用性好，采用压电陶瓷驱动器驱动，具有抗电磁干扰、低能耗和高响应特性，适合于小流量、高响应、电磁场作用较强的工作水介质环境下工作。

Description

纯水压电陶瓷驱动开关阀

技术领域

本发明涉及一种阀类，具体地说是一种纯水压电陶瓷驱动开关阀。

背景技术

纯水液压技术因其具有环保性和阻燃性的独特优势，正受到世界各国液压界的广泛重视，而纯水液压元件亦成为了研究的重点内容之一。开关阀是液压系统最为关键的阀类元件之一，针对适用于纯水液压系统的开关阀的研究亦成为研究重点。

传统的油压开关阀多为滑阀型、转阀型或锥阀型。滑阀型和转阀型开关阀阀芯所受的不平衡力很小，所需要的操纵力也较小，但阀芯和阀孔间需要保证相对运动的间隙，泄漏往往较大。尤其对于水介质而言，水的粘度低会增大泄漏损失，在间隙和压差相同时，同样规格的水压开关阀的泄漏损失为油压开关阀的数十倍。因而，为减小泄漏就必须把间隙设计的非常小，这必然给加工带来极大困难，同时运动副工作时极易出现堵塞、卡死现象。锥阀型开关阀的泄漏很小，但阀芯受到的轴向液压力不平衡，所需的操纵力也较大。另外，由于水的可压缩性小、刚性大，在纯水开关阀突然切换时所产生的压力冲击更为严重。

此外，水的汽化压力高，使得水极易汽化和沸腾，因而在相同条件下，纯水开关阀遭受的气蚀破坏程度要比油压开关阀强上百倍；与矿物油相比，水介质腐蚀性很强，腐蚀作用的破坏使得现有的油压开关阀材料都不适用于水介质。

因此，如何防止泄漏、减小切换冲击，减小腐蚀及有效抑制气蚀，提高动静态特性，成为纯水开关阀研究的关键所在。

目前，纯水开关阀主要的研究方式主要为以下两种：

第一种是采用锥阀式结构。该类阀过流能力强、抗气蚀性能好。但其受加工精度的影响，无法完全克服轴向不平衡压力，所需要的操纵力也较大。

第二种是采用滑阀式结构。该类阀为减小泄漏，把阀芯和阀套之间的配合间隙设计的非常小，如此小的间隙给阀的加工工艺提出了非常苛刻的要求，极大的提高了加工难度和加工成本。另外，如此小的间隙也容易被杂质卡阻，因此其应用受到了很大限制。

现有的水液压元件大多是采用电磁驱动，在工作过程中需要耗费大量的保持电流，若采用具有电能-机械能转换效率高、能量传输密度大、响应速度快的压电陶瓷驱动器，不仅可以降低水液压元件成本，而且可以省去保持电流，大大节省能耗，并改善传统电磁驱动器响应速度慢的不足；现有的电磁驱动受外界电磁场的干扰较明显，但压电陶瓷驱动器在工作过程中不受外界电磁场的干扰，因而可以改善现有电磁驱动在电磁抗干扰性方面的不足。

但是，由于压电陶瓷驱动器的输出位移很小，只能控制极小的流量，限制了其在大流量工况下的发展，因而如何提高压电陶瓷驱动器的输出位移，成为压电陶瓷驱动开关阀研究的关键所在。

日本科研人员研制出了以积层式压电驱动器直接驱动的单级直动式伺服阀。该阀阀芯通过积层式压电驱动器直接驱动，阀芯带有位移反馈，实现闭环控制，但该压电驱动器输出位移很小，只能控制极小的流量，且压电材料固有的迟滞效应较大，重复性能差，限制了压电伺服阀的应用与发展。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种纯水压电陶瓷驱动开关阀，本发明的目的在于通过控制液流通断而实现无泄漏，同时减轻气蚀、腐蚀等现象，从而起到提高响应速度、提高电磁抗干扰性能以及减小功耗，适用于小流量、高响应、电磁场作用较强的工作水介质环境。本发明采用的技术手段如下：

一种纯水压电陶瓷驱动开关阀，包括阀壳、阀体、位移放大机构和驱动结构，其特征在于：所述阀体孔内自左向右依次设有径向开有一组通孔的二孔阀套、径向开有一组斜孔的六孔阀套、台阶柱、调整环、径向开有两组斜孔的弹簧阀套；所述调整环内设有陶瓷球，所述弹簧阀套的孔内自左向右依次设有弹簧挡块、复位弹簧和调节推杆，所述弹簧挡块一端顶在所述陶瓷球上，所述弹簧挡块另一端顶在所述复位弹簧上，所述复位弹簧的另一端顶在所述调节推杆上，所述弹簧阀套右端小圆柱面上设有阀套盖，所述阀套盖压在伸出阀体外的弹簧阀套台肩上，所述弹簧阀套右端与调节螺帽通过螺纹连接，所述调节螺帽压在调节推杆上；设置在台阶柱、六孔阀套和二孔阀套中的弹簧推杆的一端顶在所述陶瓷球上，所述弹簧推杆的另一端顶在位移放大机构的上部；所述驱动机构包括压电陶瓷驱动器、外钢管套、铝管套、内钢管套和端盖，所述外钢管套与所述内钢管套之间设有所述铝管套，所述铝管套右端顶在内钢管套的右端凸台上，所述内钢管套内部设有所述压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器左端顶在所述内钢管套上，所述压电陶瓷驱动器右端顶在设置在内钢管套内的推杆左端，所述推杆右端穿过设置在外钢管套内的弹簧垫圈和外钢管套的中心孔顶在位移放大机构的下部；所述端盖通过螺钉V与所述外钢管套左端固定，所述端盖上设有压紧螺钉，所述压紧螺钉顶在所述铝管套左端；所述阀体通过螺钉I和螺钉II固定在阀壳的后端，所述位移放大机构装在阀壳的空腔内，所述外钢管套固定在阀壳的前端；与顶在所述位移放大机构下部的所述推杆的另一端设有微调螺钉，所述微调螺钉与设有螺纹孔的固定块固定，所述固定块通过螺钉III固定在阀壳上，所述微调螺钉的前端顶在位移放大机构上；

所述阀体上部设有进水口、回水口，所述进水口和回水口内均设有阀口阻尼器，所述阀体下部设有连通阀体左右两端的流道；当所述压电陶瓷驱动器得电时，推动所述推杆向右运动，所述推杆推动所述位移放大机构下部左端向右运动，所述位移放大机构下部右端被固定，所述位移放大机构上端向右运动，所述位移放大机构推动所述弹簧推杆向右运动，所述陶瓷球与所述台阶柱离开，进水口、弹簧阀套上部左端的入水斜孔、整环中心孔、台阶柱的中心孔、六孔阀套上端的出水孔和回水口相通；弹簧阀套上部右端的泄压斜孔I、复位弹簧的空腔I、弹簧阀套下部右端的泄压斜孔II、阀体流道、二孔阀套下部的泄压通孔I、弹簧的空腔II和二孔阀套上部的泄压通孔II相通；当所述压电陶瓷驱动器失电时，所述复位弹簧推动弹簧挡块向左运动，所述陶瓷球与所述台阶柱遮盖，进水口、弹簧阀套上部左端的入水斜孔、整环中心孔、弹簧阀套下部左端的泄压斜孔III、阀体流道、二孔阀套下部的泄压通孔I、弹簧的空腔II和二孔阀套上部的泄压通孔II相通；进水口、弹簧阀套上部右端的泄压斜孔I、复位弹簧的空腔I、弹簧阀套下部右端的泄压斜孔II、阀体流道、二孔阀套下部的泄压通孔I、弹簧的空腔II和二孔阀套上部的泄压通孔II相通。

作为优选，进水口和回水口的阀口用O形密封圈VII密封，二孔阀套和阀体之间用O形密封圈I密封，六孔阀套和阀体之间用O形密封圈II和加挡圈I密封，台阶柱和阀体之间用O形密封圈III和加挡圈II密封，弹簧阀套和阀体之间用O形密封圈IV密封，二孔阀套、六孔阀套和弹簧推杆之间分别用U形密封骨架、加挡圈III、O形密封圈V和加挡圈IV密封，调节推杆和弹簧阀套之间用O形密封圈VI密封。

本发明具有以下优点：

1、采用陶瓷球与台阶柱之间的遮盖或离开实现液流通断，可以实现无泄漏，由于靠陶瓷球来进行通断切换，陶瓷球的行程就是阀的开口量，因而行程短，大大缩短了纯水压电陶瓷驱动开关阀的开关时间，提高了反应速度；

2、阀体与阀套，阀套与阀芯之间都用O形密封圈和U形密封圈密封，有效解决了纯水开关阀泄漏严重的问题，流道的合理布置使得弹簧推杆、弹簧挡块和陶瓷球所受的液压力平衡，可以保证陶瓷球动作灵活可靠；

3、在阀体的进水口、回水口设置了阀口阻尼器，通过调节阻尼器，可以对液流的速度进行控制，改善了纯水压电陶瓷驱动开关阀的动静态性能；

4、该阀的驱动部分采用压电陶瓷驱动器，由于压电陶瓷具有较高的电压响应频率，因而使得该阀适用于较高响应性的工况中，压电陶瓷工作过程中只需一个保持电压而且不受外界的电磁干扰，因而使得该阀具有功耗小和抗电磁干扰性强的特性；

5、该阀具有结构简单、安装方便、工艺性好、易于标准化的特点，适合于系列化生产；

6、阀的所有元件均采用了耐蚀不锈材料，可保证阀在水介质工作环境中具有较长的寿命。

基于上述理由本发明可在小流量、高响应、电磁场作用较强的工作水介质环境工作领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的示意图。

附图中：1压紧螺钉2螺钉V 3压电陶瓷驱动器4推杆5弹簧垫圈6位移放大机构7微调螺钉8固定块9螺钉III 10阀体11O形密封圈I 12二孔阀套13O形密封圈II 14挡圈I 15六孔阀套16O形密封圈III 17挡圈II 18台阶柱19调整环20弹簧阀套21O形密封圈IV 22阀套盖23调节螺帽24O形密封圈VI 25调节推杆26复位弹簧27弹簧挡块28O形密封圈VII29陶瓷球30弹簧推杆31阀口阻尼器32挡圈IV 33O形密封圈V 34弹簧35U形密封骨架36挡圈III 37球堵38螺钉IV 39阀壳40外钢管套41铝管套42内钢管套43端盖S1螺钉I S2螺钉II P进水口O回水口G流道L压电陶瓷驱动器电源引线。

具体实施方式

如图1所示，一种纯水压电陶瓷驱动开关阀，包括阀壳39、阀体10、位移放大机构6和驱动结构，在本实施例中阀壳39由两部分对称结构的壳体组成，两部分壳体对应安装通过螺钉IV38固定后形成的容纳空间，可容纳阀体10和位移放大机构6及驱动机构的一部分。阀体10孔内自左向右依次设有径向开有一组通孔的二孔阀套12、径向开有一组斜孔的六孔阀套15、台阶柱18、调整环19、径向开有两组斜孔的弹簧阀套20；调整环19内设有陶瓷球29，弹簧阀套20的孔内自左向右依次设有弹簧挡块27、复位弹簧26和调节推杆25，弹簧挡块27一端顶在陶瓷球29上，弹簧挡块27另一端顶在复位弹簧26上，复位弹簧26的另一端顶在调节推杆25上，弹簧阀套20右端小圆柱面上设有阀套盖22，阀套盖22压在伸出阀体10外的弹簧阀套20台肩上，弹簧阀套20右端与调节螺帽23通过螺纹连接，调节螺帽23压在调节推杆25上；设置在台阶柱18、六孔阀套15和二孔阀套12中的弹簧推杆30的一端顶在陶瓷球29上，弹簧推杆30的另一端顶在位移放大机构6的上部；阀体10上端开有进水口P和回水口O，进回水口采用板式连接，进水口P和回水口O上装有阀口阻尼器31，改善了阀的动静态性能，阀口通过O形密封圈VII28密封，在阀体10下端开设了可以沟通阀体左右两端的流道G(流道G在左端的工艺孔用球堵37封死)。驱动机构包括压电陶瓷驱动器3、外钢管套40、铝管套41、内钢管套42和端盖43，外钢管套40与内钢管套42之间设有铝管套41，铝管套41右端顶在内钢管套42的右端凸台上，内钢管套42内部设有压电陶瓷驱动器3，压电陶瓷驱动器3左端顶在内钢管套42上，压电陶瓷驱动器3右端顶在设置在内钢管套42内的推杆4左端，推杆4右端穿过设置在外钢管套40内的弹簧垫圈5和外钢管套40的中心孔顶在位移放大机构6的下部；端盖43通过螺钉V2与外钢管套40左端固定，端盖43上设有压紧螺钉1，压紧螺钉1顶在铝管套41左端，压电陶瓷驱动器3的电源引线L通过内钢管套42和端盖43上的通孔中引出。阀体10通过螺钉I S1和螺钉IIS2固定在阀壳39的后端，位移放大机构6装在阀壳39的空腔内，外钢管套40固定在阀壳39的前端；与顶在位移放大机构6下部的推杆4的另一端设有微调螺钉7，即微调螺钉7与驱动机构分别设置在位移放大机构的两侧，微调螺钉7与设有螺纹孔的固定块8固定，固定块8通过螺钉III9固定在阀壳39上，微调螺钉7的前端顶在位移放大机构6上。本发明组装完成后，通过微调螺钉7的微量旋进可以调节位移放大机构6与弹簧推杆30的良好接触；通过调节螺帽23的旋动可以改变调节推杆25的初始位置，进而可以改变复位弹簧26的初始预紧力；通过端盖43上压紧螺钉1的旋动，可以改变铝管套41的位置，进而改变内钢管套42的位置，从而改变压电陶瓷驱动器3所受的预紧力，阀件内部构件的位置可调节性是本阀的一个特点。

其中，二孔阀套12和阀体10之间用O形密封圈I 11密封，六孔阀套15和阀体10之间用O形密封圈II13和加挡圈I 14密封，台阶柱18和阀体10之间用O形密封圈III16和加挡圈II17密封，弹簧阀套20和阀体10之间用O形密封圈IV21密封，二孔阀套12、六孔阀套15和弹簧推杆30之间分别用U形密封骨架35、加挡圈III36、O形密封圈V33和加挡圈IV32密封，调节推杆25和弹簧阀套20之间用O形密封圈VI24密封。采用这种密封件进行直接密封的形式可以在中高压水介质条件下保证良好的密封性能。为适应水介质的特殊要求，开关阀的所有元件均采用了耐蚀不锈材料，可保证阀在水介质工作环境中具有较长的使用寿命。

在开关阀工作过程中，当压电陶瓷驱动器3得电时，推动推杆4向右运动，推杆4推动位移放大机构6下部左端向右运动，位移放大机构6下部右端被固定，位移放大机构6上端向右运动，位移放大机构6推动弹簧推杆30向右运动，陶瓷球29与台阶柱18离开，进水口P、弹簧阀套20上部左端的入水斜孔、整环19中心孔、台阶柱18的中心孔、六孔阀套15上端的出水孔和回水口O相通，纯水开关阀通流液流；与此同时，弹簧阀套20上部右端的泄压斜孔I、复位弹簧26的空腔I、弹簧阀套20下部右端的泄压斜孔II、阀体流道G、二孔阀套12下部的泄压通孔I、弹簧34的空腔II和二孔阀套12上部的泄压通孔II相通，纯水充满后，使得弹簧挡块27、弹簧推杆30和陶瓷球29所受液压力平衡。当压电陶瓷驱动器3失电时，复位弹簧26推动弹簧挡块27向左运动，陶瓷球29与台阶柱18遮盖，纯水开关阀切断液流，进水口P、弹簧阀套20上部左端的入水斜孔、整环19中心孔、弹簧阀套20下部左端的泄压斜孔III、阀体流道G、二孔阀套12下部的泄压通孔I、弹簧34的空腔II和二孔阀套12上部的泄压通孔II相通；进水口P、弹簧阀套20上部右端的泄压斜孔I、复位弹簧26的空腔I、弹簧阀套20下部右端的泄压斜孔II、阀体流道G、二孔阀套12下部的泄压通孔I、弹簧34的空腔II和二孔阀套12上部的泄压通孔II相通，所有相通的孔及空腔内均充满纯水，可以满足阀体10内的液压平衡，从而保证陶瓷球动作灵活可靠，适用于中高压水介质工作条件。

该阀的额定工作压力为4MPa，最大流量为13L/min。

压电陶瓷驱动器对于电压有较高的响应频率，使得本开关阀在高响应要求的场合有很好的优势，而且压电陶瓷驱动器具有良好的电磁抗干扰性，可以用在电磁场较强的环境中，克服了以往电磁开关阀在这方面的缺陷，并且压电陶瓷驱动器不会消耗大量的保持电流，因而较电磁开关阀而言，本开关阀在低功耗方面有较强的优势。

采用压电陶瓷驱动器与放大机构相结合的方式，对压电陶瓷驱动器输出的位移进行了有效的放大，从而弥补了压电驱动器输出位移小的缺点；采用陶瓷球与台阶柱的离开或遮盖，形成回路的开或闭，缩短了动作行程，提高了反应速度；两种结构相互配合对本开关阀的流量与响应速度有了较好的保证。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种纯水压电陶瓷驱动开关阀，包括阀壳(39)、阀体(10)、位移放大机构(6)和驱动结构，其特征在于：所述阀体(10)孔内自左向右依次设有径向开有一组通孔的二孔阀套(12)、径向开有一组斜孔的六孔阀套(15)、台阶柱(18)、调整环(19)、径向开有两组斜孔的弹簧阀套(20)；所述调整环(19)内设有陶瓷球(29)，所述弹簧阀套(20)的孔内自左向右依次设有弹簧挡块(27)、复位弹簧(26)和调节推杆(25)，所述弹簧挡块(27)一端顶在所述陶瓷球(29)上，所述弹簧挡块(27)另一端顶在所述复位弹簧(26)上，所述复位弹簧(26)的另一端顶在所述调节推杆(25)上，所述弹簧阀套(20)右端小圆柱面上设有阀套盖(22)，所述阀套盖(22)压在伸出阀体(10)外的弹簧阀套(20)台肩上，所述弹簧阀套(20)右端与调节螺帽(23)通过螺纹连接，所述调节螺帽(23)压在调节推杆(25)上；设置在台阶柱(18)、六孔阀套(15)和二孔阀套(12)中的弹簧推杆(30)的一端顶在所述陶瓷球(29)上，所述弹簧推杆(30)的另一端顶在位移放大机构(6)的上部；所述驱动机构包括压电陶瓷驱动器(3)、外钢管套(40)、铝管套(41)、内钢管套(42)和端盖(43)，所述外钢管套(40)与所述内钢管套(42)之间设有所述铝管套(41)，所述铝管套(41)右端顶在内钢管套(42)的右端凸台上，所述内钢管套(42)内部设有所述压电陶瓷驱动器(3)，所述压电陶瓷驱动器(3)左端顶在所述内钢管套(42)上，所述压电陶瓷驱动器(3)右端顶在设置在内钢管套(42)内的推杆(4)左端，所述推杆(4)右端穿过设置在外钢管套(40)内的弹簧垫圈(5)和外钢管套(40)的中心孔顶在位移放大机构(6)的下部；所述端盖(43)通过螺钉V(2)与所述外钢管套(40)左端固定，所述端盖(43)上设有压紧螺钉(1)，所述压紧螺钉(1)顶在所述铝管套(41)左端；所述阀体(10)通过螺钉I(S1)和螺钉II(S2)固定在阀壳(39)的后端，所述位移放大机构(6)装在阀壳(39)的空腔内，所述外钢管套(40)固定在阀壳(39)的前端；与顶在所述位移放大机构(6)下部的所述推杆(4)的另一端设有微调螺钉(7)，所述微调螺钉(7)与设有螺纹孔的固定块(8)固定，所述固定块(8)通过螺钉III(9)固定在阀壳(39)上，所述微调螺钉(7)的前端顶在位移放大机构(6)上；

所述阀体(10)上部设有进水口(P)、回水口(O)，所述进水口(P)和回水口(O)内均设有阀口阻尼器(31)，所述阀体(10)下部设有连通阀体(10)左右两端的流道(G)；当所述压电陶瓷驱动器(3)得电时，推动所述推杆(4)向右运动，所述推杆(4)推动所述位移放大机构(6)下部左端向右运动，所述位移放大机构(6)下部右端被固定，所述位移放大机构(6)上端向右运动，所述位移放大机构(6)推动所述弹簧推杆(30)向右运动，所述陶瓷球(29)与所述台阶柱(18)离开，进水口(P)、弹簧阀套(20)上部左端的入水斜孔、整环(19)中心孔、台阶柱(18)的中心孔、六孔阀套(15)上端的出水孔和回水口(O)相通；弹簧阀套(20)上部右端的泄压斜孔I、复位弹簧(26)的空腔I、弹簧阀套(20)下部右端的泄压斜孔II、阀体流道(G)、二孔阀套(12)下部的泄压通孔I、弹簧(34)的空腔II和二孔阀套(12)上部的泄压通孔II相通；当所述压电陶瓷驱动器(3)失电时，所述复位弹簧(26)推动弹簧挡块(27)向左运动，所述陶瓷球(29)与所述台阶柱(18)遮盖，进水口(P)、弹簧阀套(20)上部左端的入水斜孔、整环(19)中心孔、弹簧阀套(20)下部左端的泄压斜孔III、阀体流道(G)、二孔阀套(12)下部的泄压通孔I、弹簧(34)的空腔II和二孔阀套(12)上部的泄压通孔II相通；进水口(P)、弹簧阀套(20)上部右端的泄压斜孔I、复位弹簧(26)的空腔I、弹簧阀套(20)下部右端的泄压斜孔II、阀体流道(G)、二孔阀套(12)下部的泄压通孔I、弹簧(34)的空腔II和二孔阀套(12)上部的泄压通孔II相通。

2.根据权利要求1所述的纯水压电陶瓷驱动开关阀，其特征在于：进水口(P)和回水口(O)的阀口用O形密封圈VII(28)密封，二孔阀套(12)和阀体(10)之间用O形密封圈I(11)密封，六孔阀套(15)和阀体(10)之间用O形密封圈II(13)和加挡圈I(14)密封，台阶柱(18)和阀体(10)之间用O形密封圈III(16)和加挡圈II(17)密封，弹簧阀套(20)和阀体(10)之间用O形密封圈IV(21)密封，二孔阀套(12)、六孔阀套(15)和弹簧推杆(30)之间分别用U形密封骨架(35)、加挡圈III(36)、O形密封圈V(33)和加挡圈IV(32)密封，调节推杆(25)和弹簧阀套(20)之间用O形密封圈VI(24)密封。

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