CN102650305A - 2d液压助力电液比例换向阀 - Google Patents

Abstract

一种2D液压助力电液比例换向阀，包括阀体、阀芯、阀套、线性电-机械转换器和压扭联轴器，阀芯、压扭联轴器和线性电-机械转换器三者共轴联接，线性电-机械转换器的输出轴与压扭联轴器的输入端固定连接，压扭联轴器的输出端与阀芯的右端固定连接，阀芯的左端、阀套和左盖板构成敏感腔，敏感腔内的阀芯台肩表面分别开有一对轴对称的高压孔和一对轴对称的低压孔，敏感腔外的阀套的内表面设有一对轴对称的感受通道，感受通道的一端与敏感腔连通，感受通道的另一端覆盖相邻的高压孔和低压孔之间的区域。本发明不仅具有普通的导控型电液比例阀流量大、工作压力高等特点，而且在零压（失压）下也可以像直动式比例阀那样实现比例控制功能。

Description

2D液压助力电液比例换向阀

技术领域

本发明属于流体传动及控制领域中的电液比例阀，尤其涉及一种电液比例换向阀。

背景技术

电液伺服系统自上世纪四、五十年代问世后，由于其有机地融合了液压系统的功率重量比大、刚度大、固有频率高以及电子技术的信号传递和处理方便的优点，在航空、航天、自动武器、钢铁、电站等重要国家战略工业领域得到应用，并迅速取得成功。人们自然也希望普通的液压传动系统能更多地结合电子技术，像电液伺服系统那样在能量传输与转换过程中实现连续、自动控制，以满足工业技术发展的更高要求。应用于电液伺服系统的伺服阀对油液的污染度十分敏感，加之，追求零位特性以满足闭环控制的要求，对关键零部件的加工和装配精度要求十分严苛，造价昂贵，因而，无法满足普通液压传动系统的使用要求。

电液比例阀是采用比例控制技术，介于开关型液压阀和电液伺服阀之间的一种液压元件。由于电液比例阀能与电子控制装置组合在一起，可以十分方便地对各种输入、输出信号进行运算和处理，实现复杂的控制功能。同时它又具有抗污染、低成本以及响应较快的优点。在工业生产中获得了广泛的应用，如陶瓷地板砖制坯压力机、带钢轧的带钢恒张力控制、压力容器疲劳寿命试验机、液压电梯运动及控制系统、金属切削机床工作台运动控制、轧钢机压力及控制系统、液压冲床、弯管机、塑料注射成形机等。

在比例控制系统中，电液比例阀既是电-液压转换元件，同时也是功率放大元件。它对系统的性能起重要的作用，是比例控制系统的核心元件。

电液比例阀最显著的特征和最成功之处在于采用比例电磁铁作为电-机械转换器。与动圈式和动铁式力矩马达相比，比例电磁铁具有结构简单可靠，用料一般，工艺性好，能输出较大的力和位移，使用维护方便。比例电磁铁除用作驱动先导阀外，还可用作直接驱动小功率的输出级。比如，按照电磁铁推力与弹簧力相平衡控制阀芯位置原理的直动式比例阀，只适用于小流量场合，实际应用的最大工作流量一般在15L/min（最大工作压力为21MPa）以下。此外，为了实现轴向静压力的平衡，直动式比例换向阀或流量阀皆采用滑阀结构，容易受到摩擦力及油液污染的影响出现“卡滞”现象。

采用线性位移传感器（LVDT）对阀芯位置进行测量和闭环控制，构成电反馈型直动比例换向阀，可以在很大程度上提高阀芯的定位刚度和控制精度，同时，人们也在其模型、非线性及系统应用方面进行了大量的理论研究工作，最终使电反馈直动比例阀可以像伺服阀那样应用于液压系统的闭环控制，但终因受到磁饱和限制，比例电磁铁输出力有限，无法从根本上解决高压、大流量下液动力的影响问题，在高压（压差大）和大流量的工作状态下仍然会出现流量饱和现象。

消除液动力影响、提高液压阀的过流能力，最根本的办法是采用导控（先导控制）技术。早在1936年美国工程师Harry Vickers为了解决因液动力影响直动溢流阀无法实现高压、大流量系统的压力控制问题发明了导控溢流阀，其基本思想是采用一通径较小的导阀控制静压力，驱动主阀芯运动，因该液压推力比油液流经阀口时所产生液动力大得多，足以消除其对主阀芯运动与控制产生的不利影响。导控的思想后来也被广泛地应用于其它液压阀的设计，使液压系统高压、大流量控制成为了现实。后来的各种电液伺服控制元件也是沿用了先导控制的设计思想，电液比例阀也不例外，并且借用了伺服阀许多结构原理。

发明内容

为了克服已有电液比例阀的易受摩擦力、液动力及油液污染影响而出现“卡滞”现象及导控级油路失压或压力太低使整个阀无法正常工作和导控级泄漏流量较大的不足，本发明提供一种不仅具有普通的导控型电液比例阀流量大、工作压力高等特点，而且在零压（失压）下也可以像直动式比例阀那样实现比例控制功能的2D液压助力电液比例换向阀。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种2D液压助力电液比例换向阀，包括阀体、阀芯和阀套，所述阀套密封安装在阀体内，所述阀芯可转动地安装在阀套内，阀体的左端安装左盖板，阀体的右端安装右盖板，所述2D液压助力电液比例换向阀还包括线性电-机械转换器和用以将轴向压力转换成扭矩的压扭联轴器，所述阀芯、压扭联轴器和线性电-机械转换器三者共轴联接，所述线性电-机械转换器的输出轴与所述压扭联轴器的输入端固定连接，所述压扭联轴器的输出端与所述阀芯的右端固定连接，所述阀芯的左端、阀套和左盖板构成敏感腔，所述敏感腔内的阀芯台肩表面分别开有一对轴对称的高压孔和一对轴对称的低压孔，所述敏感腔外的阀套的内表面设有一对轴对称的感受通道，所述感受通道的一端与所述敏感腔连通，所述感受通道的另一端覆盖相邻的高压孔和低压孔之间的区域。

进一步，所述压扭联轴器包括压扭联轴器a段、支撑弹簧、簧片、扭联轴器b段和固定板，所述扭联轴器b段安装在比例电磁铁输出轴上，所述簧片一端与扭联轴器b段固连，所述簧片另一端与压扭联轴器a段固连且中间通过支撑弹簧撑开，所述扭联轴器b段通过销钉与右盖板连接。当然，压扭联轴器也可以选择采用其他的实现方式。

再进一步，所述阀芯上安装同心环，所述阀芯的右端安装右塞环，阀芯的左端安装堵头。

更进一步，所述右盖板和扭联轴器b段之间安装对中弹簧，所述右盖板和固定板通过O型密封圈密封与套桶进行径向密封。

所述线性电-机械转换器为比例电磁铁。例如湿式比例电磁铁，当然，也可以采用其他线性电-机械转换器。

本发明的有益效果主要表现在：1、针对比例电磁铁因磁饱和输出推力有限，提出了压扭放大驱动技术，将比例电磁铁对阀芯的驱动力放大，有效地消除了阀芯和阀芯孔之间的摩擦力等非线性因素对比例特性所造成的不利影响；2、用阀芯的旋转和滑动的双运动自由度实现导控型电液比例换向（节流）阀功能，由阀芯转动使液压阻力桥路输出压力发生变化，进而产生静压力驱动阀芯轴向运动，在高压、大流量下可以有效地克服液动力（伯努利力）所造成的不利影响，有效提高了阀芯的轴向定位（主阀开口）精度；3、将2D换向（节流）阀、压扭联轴器和比例电磁铁三者共轴联结，构成结构简单、原理先进的2D电液比例换向（节流）阀，不仅具有普通的导控型电液比例阀流量大、工作压力高特点，而且在零压（失压）下也可以像直动式比例阀那样实现比例控制功能。

附图说明

图1为2D液压助力电液比例换向阀的结构原理示意图。

图2是压扭联轴器的结构原理示意图。

图3为阀芯结构示意图。

图4a，4b，4c和4d为本发明的工作原理示意图。

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4d，一种2D液压助力电液比例换向阀，包括线性电-机械转换器（例如比例电磁铁，或其它线性电-机械转换器）13、压扭联轴器a段10、套筒9、对中弹簧19、簧片18、垫片17、支撑弹簧11、压扭联轴器b段16、固定板12、圆柱销24、左盖板1、阀体3、阀套6、阀芯4、右盖板8、右塞环22、同心环23、O型密封圈5和螺钉2、7、14、15、20、21。

所述线性电-机械转换器（例如比例电磁铁，或其它线性电-机械转换器）13作为驱动2D液压助力电液比例换向（节流）阀的电-机械转换器，位于阀体3右端，通过螺钉14与阀体3相连接。

压扭联轴器是实现比例电磁铁衔铁的直线运动转为阀芯的扭转运动的结构。在这个过程中，可以充分利用2D阀液压导控桥路压力增益大（微小的转角即可使敏感腔的压力发生较大变化）的特点，通过对压扭联轴器的合理设计，将驱动阀芯转动的扭转力矩放大，使阀芯与阀芯孔之间的摩擦力等非线性因素对比例特性的不利影响降低到最小程度。压扭联轴器包括螺钉21、压扭联轴器a段10、螺钉20、支撑弹簧11、簧片18、垫片17、螺钉15、压扭联轴器b段16、圆柱销24和固定板12。螺钉14将套筒9压紧在右盖板8和固定板12之间，套筒9与右盖板8和固定板12保持径向密封。

阀芯4与阀套6、左盖板1配合构成敏感腔e，靠近敏感腔e端的阀芯4台肩表面上开设有两对轴对称的高压孔c和低压孔d。阀芯4装于阀套6中，两者之间通过O型密封圈5密封，阀芯4上装有右塞环22和同心环23以保证阀芯4、阀套6和阀体3之间的定位。阀套6的内表面上开设有一对轴对称的直槽，为感受通道f，感受通道f的一端和敏感腔e相通，另一端与高低压孔c和d构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔e内的压力。

本实施例的工作原理：2D液压助力电液比例换向（节流）阀结构原理见图1，压扭联轴器是联接阀芯与比例电磁铁的中间环节，其a、b两段分别与阀芯杆和比例电磁铁的推杆固联（b段周向受销钉的约束而不能转动），其作用是将比例电磁铁线圈电流加大时产生的推力（向左），以及电流减小时弹簧恢复产生的拉力（向右），转换为作用于阀芯的正向或反向扭矩驱动阀芯转动。2D方向阀（节流阀）利用单个滑阀阀芯的旋转运动和轴向滑动双运动自由度设计而成，故此得名。图1所示中的2D方向阀（节流阀）的阀，其右腔通过小孔a，经阀芯4杆内通道和小孔b与进油P口（系统压力）相通，其截面积为左腔截面积的一半；

左敏感腔e的压力由开设在阀芯4左端台肩上的一对高低压孔c和d与开设于阀套6内表面的感受通道f相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，左敏感腔e的压力为P口压力（系统压力）的一半，阀芯4轴向保持静压平衡，与感受通道f相交的高低压孔两侧的遮盖面积相等。当以顺时针（面对阀芯伸出杆）的方向转动阀芯，则高压侧的弓形面积减小、低压侧的弓形面积增大，左腔压力降低，并阀芯左移；若逆时针方向转动阀芯，变化则正好相反，阀芯向右移动。

工作原理参见图2。在系统具有正常的工作压力时，当与比例电磁铁18固联的压扭转联轴器b段23在电磁推力的作用下在压扭转联轴器a段29转换为扭矩并驱动2D阀阀芯4以顺时针（面对阀芯4伸出杆）的方向转动，见图2a；阀芯4的顺时针转动使得左端台肩上的低压侧弓形开口增大、高压侧的弓形开口减小，左腔压力降低，阀芯左移阀芯向左运动，同时使压扭转联轴器b段23受拉，阀芯4逆时针转动，左端台肩上的高、低压侧的弓形开口面积恢复为相等，左腔的压力上升恢复为系统压力的二分之一的平衡压力，阀芯4停止运动，见图2b。当在弹簧恢复力或电磁拉力的作用，情况变化正好相反，阀芯4右移。需要指出的是为了清楚说明2D液压助力电液比例换向（节流）阀，以上对阀芯的旋转运动和轴向运动进行了分解，实际工作过程中这两个运动是同时发生的。

当系统失压（如正常的中位卸荷等）2D阀两腔的压力为零时，阀芯4的旋转无法使敏感腔e的压力发生变化推动阀芯4轴向运动，此时，比例电磁铁13行程达到压扭转联轴器的有效工作行程后，将直接推动阀芯4轴向移动，见图3。此时因系统压力为零不存在液动力，摩擦力也很小，因而电磁力或弹簧恢复力足以驱动阀芯4。需要说明的是在此换向过程中系统的压力可能得以恢复，此时阀芯的轴向运动由电磁力（弹簧恢复力）与液压力共同驱动。

图1中的2D方向阀（节流）阀实际上是通过阀芯4旋转与滑动双自由度实现的导控型方向（节流）阀，在高低压口与感受通道f之间的遮盖情况选择合理时，三通转阀具为很高的压力增益，2D阀阀芯微小转角即可实现敏感腔e内较大的压力变化，驱动阀芯4轴向运动，因而很容易通过调整压扭联轴器的运动转换关系，在输出旋转位移较小的情况下，实现较大的扭矩驱动阀芯转动，从而有效地克服阀的摩擦力等非线性因素对阀的比例特性的不利影响。

需要进一步说明的是图1中的2D阀的高低压口的形状为圆形，如果要求阀芯的轴向动对旋转运动具为快速响应能力则可采用大面积梯度的矩形窗口；

上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种2D液压助力电液比例换向阀，包括阀体、阀芯和阀套，所述阀套密封安装在阀体内，所述阀芯可转动地安装在阀套内，阀体的左端安装左盖板，阀体的右端安装右盖板，其特征在于：所述2D液压助力电液比例换向阀还包括线性电-机械转换器和用以将轴向压力转换成扭矩的压扭联轴器，所述阀芯、压扭联轴器和线性电-机械转换器三者共轴联接，所述线性电-机械转换器的输出轴与所述压扭联轴器的输入端固定连接，所述压扭联轴器的输出端与所述阀芯的右端固定连接，所述阀芯的左端、阀套和左盖板构成敏感腔，所述敏感腔内的阀芯台肩表面分别开有一对轴对称的高压孔和一对轴对称的低压孔，所述敏感腔外的阀套的内表面设有一对轴对称的感受通道，所述感受通道的一端与所述敏感腔连通，所述感受通道的另一端覆盖相邻的高压孔和低压孔之间的区域。

2.如权利要求1所述的2D液压助力电液比例换向阀，其特征在于：所述压扭联轴器包括压扭联轴器a段、支撑弹簧、簧片、扭联轴器b段和固定板，所述扭联轴器b段安装在比例电磁铁输出轴上，所述簧片一端与扭联轴器b段固连，所述簧片另一端与压扭联轴器a段固连且中间通过支撑弹簧撑开，所述扭联轴器b段通过销钉与右盖板连接。

3.如权利要求1或2所述的2D液压助力电液比例换向阀，其特征在于：所述阀芯上安装同心环，所述阀芯的右端安装右塞环，阀芯的左端安装堵头。

4.如权利要求2所述的2D液压助力电液比例换向阀，其特征在于：所述右盖板和扭联轴器b段之间安装对中弹簧，所述右盖板和固定板通过O型密封圈密封与套筒进行径向密封。

5.如权利要求1或2所述的2D液压助力电液比例换向阀，其特征在于：所述线性电-机械转换器为比例电磁铁。

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