CN104088843A - 一种低泄漏高频响大流量高速开关阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，由直线电机、阀芯、阀套、浮动补偿块、密封圈、位移传感器和控制器组成。阀芯在射流作用下高速旋转，两阀芯近似对称分布，保证轴向液动力平衡从而提高阀的响应速度。单端阀芯均匀分布 个三角型阀口，并在阀芯自转下形成PWM流量信号，其通流能力为常规高速开发阀的倍，PWM控制频率超过100Hz，并拓宽了占空比范围，达到0%~90%。浮动补偿块起到密封作用，并可自动补偿，显著减少了阀的内泄漏。直线电机带动阀芯作直线运动，并通过位移传感器实现位置控制从而精确控制占空比。在油锲与阀芯的旋转运动作用下，保证阀芯支撑与密封部分处于油膜润滑，显著减少了阀芯运动阻力与并提高阀的响应速度与精度。

Description

一种低泄漏高频响大流量高速开关阀

技术领域

本发明是涉及一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，属于数字式电液控制领域。

背景技术

随着计算机技术的发展和应用的日益广泛，电液数字控制技术已成为实现机电一体化的重要手段，是实现对液压系统进行高速、高精度控制的理想方法，目前已广泛应用于航空航天、汽车、冶金、农业机械、工程机械等重要领域。高速开关阀的研究是电液数字控制技术中的一个重要部分，是实现电液数字控制的关键元件，利用高速开关阀采用脉宽调制（PWM）的液压数字控制，具有工作可靠、维修方便、对油液污染不敏感以及便于与计算机连接的特点。

近年来工程机械等的发展对高速开关阀提出了更高的技术要求，如快速响应、大流量等。目前高速开关阀工作原理是直接根据一系列脉冲电信号控制电磁铁产生吸力，使得阀芯高速正、反运动，从而实现液流在阀口处的交替通、断功能，已有相应专利如[200820182070.3]和[200320110969.1]，已有产品如美国BKM公司与贵阳红林集团合作开发的一种螺纹插装式高速强力电磁阀（HSV）。但这种直线运动式高速开关阀阀芯运动过程存在加减速度，因此驱动电磁铁除了克服阀芯与阀套之间的摩擦力、液动力之外，还得克服阀芯的惯性力，为此要研制高压大流量的高速开关阀并非易事，并且存在阀芯高速撞击阀座而产生振荡、噪声等问题。其通径一般较小，通流能力较差，空载流量小于                                               ，一般用于先导级控制主阀。

为提高高速开关阀的流量，可采用转阀克服直线运动形式高速开关阀的缺陷，如美国明尼苏达大学开发的一种高速开关转阀，以及已有专利[201110046020.9]。但目前该类型转阀存在高压下泄漏大等问题，并且由于阀芯作旋转与直线运动，其磨损问题也较为严重。

可见转阀结构对提高开发阀的动态是有利的，但却带来了高压内泄漏导致效率不高的问题，因此如何通过结构的设计，保证高速开关阀在不同压力下保持低泄漏并实现大流量，同时进一步提高高速开关阀的PWM控制频率与阀本身的响应特性是高速开关转阀走向工业应用的关键所在。

发明内容

本发明目的是提供一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，能在不同压力下保持大流量高频响以及低泄漏特性，解决了高速开关阀低效率以及通流能力小的问题。

本发明的技术方案在于：

一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，包含第一阀套（1）、密封圈（2）、第一浮动补偿块（3）、第一阀芯（4）、位移传感器移动部分（5）、位移传感器固定部分（6）、控制器（7）、直线电机次级（8）、直线电机初级（9）、第二阀套（10）、第二阀芯（11）、密封圈（12）、第二浮动补偿块（13），其特征在于：所述第一阀芯（4）和第二阀芯（11）都分成带有螺纹的固定段（D）、轴承颈部与自旋转部分（E）以及阀口（F），其中阀口（F）开有个三角槽阀口（H），1≤N≤6，并且三角槽阀口（H）的一边（G）与其对边平行；同时三角槽阀口（H）所占圆周方向比例即为PWM控制的占空比，即占空比为，最小占空比为0%，最大占空比为；第一阀芯（4）和第二阀芯（11）运动行程为；轴承颈部与自旋转部分（E）上开有5个射流壁（V），螺纹的固定段（D）上开有螺纹槽并带有一定位面。

取值，所述第一阀套（1）和第二阀套（10）上都开有6个射流孔（N），先导高压油通过射流孔（N）冲击阀芯的射流壁（V）上，使得相应阀芯自旋转，从而形成PWM信号控制流量；其次第一阀套（1）和第二阀套（10）上都开有个阶梯孔（K）、一个环形槽（M）以及个矩形花键（I），1≤N≤6；同时第一阀套（1）和第二阀套（10）内径与相应阀芯为间隙配合，间隙为，并且。

所述第一浮动补偿块（3）和第二浮动补偿块（13）都带有径向定位边（O）和定位边（U），定位边（O）和定位边（U）在矩形花键（I）作用下轴向定位；同时第一浮动补偿块（3）和第二浮动补偿块（13）上面开有等边菱形口（P），其边长等于三角槽阀口（H）的边长（G）；等边菱形口（P）带有工艺倒角（R），菱形边轴向夹角为；第一浮动补偿块（3）和第二浮动补偿块（13）上的圆形凸台带有密封边（S），并且密封边（S）上开有密封槽（Q），在阶梯孔（K）配合下将高压油与控制腔隔离；第一浮动补偿块（3）和第二浮动补偿块（13）上的圆弧面（T）与相应阀芯配合间隙为一油楔形状（X）。

所述第一阀芯（4）和第二阀芯（11）在直线电机次级（8）的带动下轴向运动，位移传感器移动部分（5）随第一阀芯（4）和第二阀芯（11）移动，并将位移信号通过位移传感器固定部分（6）传递给控制器（7），与指令值相比较形成偏差信号，输给直线电机初级（9）形成位置闭环控制，从而控制占空比。

所述第一阀芯（4）上的三角槽阀口（H）与第二阀芯（11）上的三角槽阀口错位，但三角槽阀口的尖角朝向一致。

用于带动第一阀芯（4）和第二阀芯（11）转动的油液（W）流经直线电机，冷却电机。

本发明的优点在于：本发明能减少对电机自由度要求并提高阀的功率密度，而且还能提高高速开关阀的控制精度以及阀的响应速度。

附图说明

图1是本发明总体结构的示意图。

图2是本发明电机轴阀芯结构的示意图。

图3是本发明阀套结构的示意图。

图4是本发明浮动补偿块结构的示意图

图5是本发明射流冲击自旋转原理的示意图

图6是本发明浮动补偿原理的示意图

图7是本发明油膜润滑形成的示意图。

图中：1、第一阀套，2、密封圈，3、浮动补偿块，4、第一阀芯，5、位移传感器移动部分，6、位移传感器固定部分，7、控制器，8、直线电机次级，9、直线电机初级，10、第二阀套，11、第二阀芯，12、密封圈，13、浮动补偿块。A、射流冲击自旋转机构部分，B、射流冲击自旋转机构部分，C、浮动补偿机构部分，D、阀芯螺纹固定段，E、阀芯轴承颈部与自旋转部分，F、阀芯阀口部分，I、阀套矩形花键，J、阀套左视图，K、阀套的阶梯孔，L、阀套的射流孔机构图，M、阀套的环形槽，N、阀套的射流孔，O、浮动补偿块定位边，P、浮动补偿块的等边菱形口，Q、浮动补偿块的密封槽，R、浮动补偿块的等边菱形口的工艺倒圆角半径，S、浮动补偿块密封边，T、浮动补偿块密封曲面，U、浮动补偿块定位边，V、阀芯的射流壁，W、射流回油部分，X、浮动补偿块与阀芯形成的油锲部分。、高压油油压，、先导高压油油压，、控制腔油压，、阀芯位移，、阀芯部分圆周方向最短密封长度，、阀芯部分圆周方向最长开口长度，、阀芯轴向运动长度，、浮动补偿块等边菱形口开口角度，、阀芯阀芯轴承颈部与自旋转部分油压作用面积，、阀芯阀口部分顶部油压作用面积，、阀芯底端油压作用面积，、浮动补偿块高压腔承受油压面积，、负载补偿块密封面上端面承压面积，、负载补偿块密封面下端面承压面积，、阀芯与阀套的配合间隙，、油锲最大厚度，、浮动补偿块密封面半径，、阀芯外圆柱面半径，、浮动补偿块密封面圆心位置，、阀芯外圆柱面圆心位置。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图1表示了本发明的总体结构示意图。包含第一阀套1、密封圈2、浮动补偿块3、第一阀芯4、位移传感器移动部分5、位移传感器固定部分6、控制器7、直线电机次级8、直线电机初级9、第二阀套10、第二阀芯11、密封圈12、浮动补偿块13。

现有的高速开关阀控制通常采用PWM控制，受限于现有的高速开关阀本身的响应频率与寿命问题，目前常用的PWM控制频率一般局限于20~50Hz，又因为高速开关阀的控制稳态精度与PWM控制频率紧密相关，并且随着PWM控制频率的增加，稳态精度也跟着增加。目前采用高速开关阀控制时，由于PWM控制频率较低，一般小于50Hz，因此其稳态颤振幅值较大，并且该问题也成为高速开关阀控制的一个缺陷。针对该问题，参看图1和图2示意图。阀芯4和阀芯11都分成带有螺纹的固定段D、轴承颈部与自旋转部分E以及阀口部分F，其中阀口F开有 三角槽阀口H，并且三角槽阀口H的一边G与其对边平行。阀芯4和阀芯11分别在在阀套1和阀套10的射流孔N（参看图3）射出的先导高压油作用于阀芯的射流壁V下形成转动动力（参看图5），从而自转而形成PWM信号控制流量，假定转动频率为，并且。则该高速开关阀总的PWM控制频率，当，则其高速开关阀的PWM控制频率将达到300Hz，相对现有的PWM控制频率，其频率提高了600%。另一方面，假定浮动补偿块3（参看图4）阀口面积为，则通过高速开关阀的流量方程为

    

相对现有的高速开关阀，其开口面积提高了倍数，通流能力显著提高。并且采用该配流方式具有另外一个优势，即阀口的磨损对其控制精度的影响较小，因该配流方式主要是通过阀口的通断时间比例，而非阀口的具体形状，因此阀口的磨损对其通流影响较小，从而提高该阀的使用寿命。

现有的直动式高速开关阀的另外一个缺陷即阀的响应特性会直接影响其占空比范围，受限于高速开关阀响应速度，目前常见的占空比范围为20~80%。参看图2，采用转阀形式，其占空比与阀的响应特性变成了两个自由度，从而使得两者不存在关联性。其三角槽阀口H所占圆周方向比例即为PWM控制的占空比，即占空比为，最小占空比为0%，最大占空比为，占空比范围显著提高。

为提高高速开关阀的响应速度与精度，对其阀芯位移进行控制，参看图1和图2。阀芯4和阀芯11运动行程为，阀芯4和阀芯11在直线电机次级8的带动下轴向运动，位移传感器移动部分5随阀芯4和阀芯11移动，并将位移信号通过位移传感器固定部分6传递给控制器7，与指令值相比较形成偏差信号，输给直线电机初级9形成位置闭环控制，从而精确控制占空比。

参看图3和图5，阀套1和阀套10上都开有6个射流孔N，与阀芯的射流壁V个数不同，从而避免射流孔N被密封死，使得任何时刻都有高压油冲击射流壁V。射流孔N为细长孔，因此其流量为

    

式中为射流孔N直径，为动力粘度，为射流孔N长度，为射流孔N阀口压差，由于出口压力为大气压，则。由于为先导高压油，并不等于高速开关阀进口油压，因此阀芯转速不受阀的进出口压力影响，保证了该阀的PWM频率稳定。

又因为，因此可以算出流速

    

根据动量方程

    

因此可以算出流体作用于射流壁V上的作用力，并且通过控制射流孔N直径即可控制流体作用于射流壁V上的作用力，从而控制阀芯的转动速度。通过该先导液压油带动阀芯的转动，相对采用电机转动其体积更小，使阀的功率密度加大，并且采用先导高压油而不采用高速开关阀进口高压油，可避免阀芯的转动运动受其高速开关阀进口高压油变化的影响，从而保证PWM控制频率的稳定。

阀套1和阀套10上都开有个阶梯孔K，一个环形槽M以及个矩形花键I。阶梯孔K用于定位浮动补偿块3（参看图6），环形槽M可减少阀芯运动的卡紧力，矩形花键I起到定位浮动补偿块3轴向位置作用。阀套1和阀套10内径与阀芯为间隙配合，间隙为，并且（参看图7），从而保证阀芯径向位置由阀芯的轴承颈部与自旋转部分E确定，并可避免对油锲形成产生影响。

参看图4和图6，浮动补偿块3和浮动补偿块13都带有径向定位边O和定位边U，定位边O和定位边U在矩形花键I作用下轴向定位。同时浮动补偿块3和浮动补偿块13上面开有等边菱形口P。等边菱形口P带有工艺倒角R，菱形边轴向夹角为。浮动补偿块3和浮动补偿块13上的圆形凸台带有密封边S，并且密封边S上开有密封槽Q，在阶梯孔K配合下将高压油与控制腔隔离。浮动补偿块在多个油压作用下的合力为，其合力朝向总是朝向阀芯轴线方向，从而保证了补偿块13与阀芯11存在一密封力

由于密封力，保证了浮动补偿块13能在不同负载下起到密封作用，从而具备了磨损补偿功能。

参看图4和图7，浮动补偿块3和浮动补偿块13上的圆弧面T与阀芯配合间隙为一油楔形状（X）。由于油膜润滑形成条件公式

其中为润滑剂粘度，为相对速度，并且为阀芯转动速度，为阀芯半径，为平均负载压强。

因此通过提高阀芯转动速度可使得浮动补偿块13与阀芯11之间形成油膜润滑，并且转速的提高也将进一步提高PWM控制频率，有利于提高高速开关阀控制精度。由于油膜润滑的形成，使得摩擦系数从边界润滑的0.08~0.14降低至0.001或以下，显著减少浮动补偿块与阀芯之间的摩擦力，并有利于减少磨损。并且由于油膜润滑的形成，使得该结构比传统的滑阀更具有优势，即传统滑阀运动过程的润滑为边界润滑，在低速运动过程容易形成爬行现象，并且存在磨损现象，因此其内泄漏将随着磨损而加大。而采用图7的结构不仅减少了摩擦力并抑制了低速运动过程的爬行现象，同时提高了电机带动阀芯运动的速度，从而了提高了高速开关阀的位置控制精度与分辨率。

参看图1，所述高速开关阀装配好后，阀芯4上的三角槽阀口H与阀芯11上的三角槽阀口错位，但三角槽阀口的尖角朝向一致，进一步提高了PWM控制频率。参看图1和图6，两阀芯受油压作用面积，，空间分布呈现对称，保证了阀芯轴向所受油压作用力平衡，从而减少了电机驱动力要求，并提高了电机带动阀的响应速度，该特性避免了传统高速开关阀结构受液动力的影响，使得其电磁力一部分需要克服该部分力的影响，由于轴向液压力的平衡，使得该阀芯直径可以加大，从而进一步提高了该阀的通流能力。

参考图6，用于带动阀芯4和阀芯11转动的油液W流经直线电机，冷却电机，避免电机过热问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1. 一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，包含第一阀套（1）、密封圈（2）、第一浮动补偿块（3）、第一阀芯（4）、位移传感器移动部分（5）、位移传感器固定部分（6）、控制器（7）、直线电机次级（8）、直线电机初级（9）、第二阀套（10）、第二阀芯（11）、密封圈（12）、第二浮动补偿块（13），其特征在于：所述第一阀芯（4）和第二阀芯（11）都分成带有螺纹的固定段（D）、轴承颈部与自旋转部分（E）以及阀口（F），其中阀口（F）开有                                               个三角槽阀口（H），1≤N≤6，并且三角槽阀口（H）的一边（G）与其对边平行；同时三角槽阀口（H）所占圆周方向比例即为PWM控制的占空比，即占空比为，最小占空比为0%，最大占空比为；第一阀芯（4）和第二阀芯（11）运动行程为；轴承颈部与自旋转部分（E）上开有5个射流壁（V），螺纹的固定段（D）上开有螺纹槽并带有一定位面。

2. 根据权利要求1所述的一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，其特征在于：所述第一阀套（1）和第二阀套（10）上都开有6个射流孔（N），先导高压油通过射流孔（N）冲击阀芯的射流壁（V）上，使得相应阀芯自旋转，从而形成PWM信号控制流量；其次第一阀套（1）和第二阀套（10）上都开有个阶梯孔（K）、一个环形槽（M）以及个矩形花键（I），1≤N≤6；同时第一阀套（1）和第二阀套（10）内径与相应阀芯为间隙配合，间隙为，并且。

3. 根据权利要求1所述的一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，其特征在于：所述第一浮动补偿块（3）和第二浮动补偿块（13）都带有径向定位边（O）和定位边（U），定位边（O）和定位边（U）在矩形花键（I）作用下轴向定位；同时第一浮动补偿块（3）和第二浮动补偿块（13）上面开有等边菱形口（P），其边长等于三角槽阀口（H）的边长（G）；等边菱形口（P）带有工艺倒角（R），菱形边轴向夹角为；第一浮动补偿块（3）和第二浮动补偿块（13）上的圆形凸台带有密封边（S），并且密封边（S）上开有密封槽（Q），在阶梯孔（K）配合下将高压油与控制腔隔离；第一浮动补偿块（3）和第二浮动补偿块（13）上的圆弧面（T）与相应阀芯配合间隙为一油楔形状（X）。

4. 根据权利要求1所述的一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，其特征在于：所述第一阀芯（4）和第二阀芯（11）在直线电机次级（8）的带动下轴向运动，位移传感器移动部分（5）随第一阀芯（4）和第二阀芯（11）移动，并将位移信号通过位移传感器固定部分（6）传递给控制器（7），与指令值相比较形成偏差信号，输给直线电机初级（9）形成位置闭环控制，从而控制占空比。

5. 根据权利要求1所述的一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，其特征在于：所述第一阀芯（4）上的三角槽阀口（H）与第二阀芯（11）上的三角槽阀口错位，但三角槽阀口的尖角朝向一致。

6. 根据权利要求1所述的一种低泄漏高频响大流量高速开关阀，其特征在于：用于带动第一阀芯（4）和第二阀芯（11）转动的油液（W）流经直线电机，冷却电机。