CN104534124B - 位移可放大2d电液比例换向阀 - Google Patents
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Abstract
位移可放大2D电液比例换向阀，2D阀的右端通过滚轮式压扭联轴器和销与双向电‑机械转换器固联；楔形件与中心轴通过滚轮接触；阀芯端部右台肩、压扭联轴器端盖与阀体之间形成右敏感腔，阀芯端部左台肩、左塞环与阀体之间形成左敏感腔；在端部台肩上各开设有高压孔，通过阀芯内孔与P口相通；低压孔开设在阀芯端部，直接与T口连通；在阀体内孔壁上两端各开设有一直径为半圆形截面敏感通道，每个敏感通道的分别与左、右敏感腔相通；阀芯两端台肩上的高低压孔与敏感通道相交，形成两个微小的开口面积，串联构成液压阻力半桥；两端的敏感腔的压力分别受控于两端的液压阻力半桥。
Description
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
电液比例控制技术是介于开关型电液系统和电液伺服系统之间的一种液压控制技术。电液比例阀是一种根据输入的电气信号，连续地、按比例地对油液的压力、流量等参数进行控制的液压阀。它不仅能实现复杂的控制功能，而且具有抗污染能力较强、成本较低、响应较快等优点，液压控制工程中，电液比例方向阀在许多场合可直接取代电液伺服阀进行负载的位置、速度、力控制，它可以与电子控制装置相结合，对各种输入、输出信号进行运算和处理，从而实现复杂的控制功能。因此电液比例控制技术不但具有电液伺服系统响应较快的优点，且不像电液伺服系统那样对油液的污染度十分敏感，对关键零部件的加工和装配精度要求较低，极大降低了制造成本。在工业生产的诸多领域，如液压电梯、疲劳寿命试验机和轧钢机的压力及控制系统等，都可以代替电液伺服系统，满足大多数液压传动系统的使用要求。
比例控制系统采用比例电磁铁作为电-机械转换器，它具有结构简单，性能可靠，力、位移较大和使用维护方便等优点，因此得到了广泛的应用。但比例电磁铁的推力由于受磁饱和限制，只能用于先导阀或直接驱动小功率的输出级，实际最大工作流量一般在15L/min(最大工作压力为21MPa)以下，无法从根本上解决高压、大流量下液动力的影响问题。而双向动作(具有推和拉双向驱动功能)的比例电磁铁或其它双向动作的直线式电-机械转换器较单向电-机械转换器更有局限性，一般需采用两个线圈，结构复杂、不易维护且成本较高，其额定输出位移受限，比如HYDRAFORCE公司研制的双向电磁铁，其实际输出位移只有1mm，15N左右的作用力，极大限制了双向动作电-机械转换器的应用推广。
为消除液动力影响、提高液压阀的过流能力，目前最常用的方法是采用导控(先导控制)技术。自美国工程师Harry Vickers于1936年发明了导控溢流阀之后，(其主要做法是采用一通径较小的导阀控制静压力，从而驱动主阀芯运动)导控思想被广泛地应用于其它液压阀的设计，使液压系统高压、大流量控制成为现实，但由此导致电液控制阀体积较大；此外，为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。在螺纹插装式控制阀上应用导控技术，易造成螺纹插装阀结构复杂，体积大且不易维修，较难实现。
发明内容
为克服电液比例阀主阀和导阀的“卡滞”现象及导控油路失压或压力过低故障和导控级泄漏流量较大的不足，并实现高压、大流量双向比例控制，本发明提供了一种位移可放大2D电液比例换向阀，它可采用双向动作(具有推和拉双向驱动功能)的比例电磁铁或其他双向动作的直线式电-机械转换器，可将两侧的压扭联轴器与电-机械转换器安装于同一侧，同样可以实现双向比例控制的功能，此结构适合作为螺纹插装式的2D电液比例换向阀。
本发明所述的位移可放大2D电液比例换向阀，包括一个由阀体、阀芯组成的2D阀，阀芯可转动并可轴向滑动，与阀体内孔配合，阀芯右端有加长端，用以联接中心轴及双向压扭内部装置，阀芯左右两端有两个端部台肩，所述的左右两个端部台肩之间的阀体内孔上依次开有T口、A口、P口、B口、T口，其中P口是进油口，此处压力为系统压力；所述的阀芯中部上设有两个台肩，两个中部台肩分别位于A口和B口上方；其特征在于：
2D阀的右端通过压扭联轴器与双向电-机械转换器固联；
阀芯端部右台肩、压扭联轴器端盖8与阀体之间形成右敏感腔g2，阀芯端部左台肩、左塞环3与阀体之间形成左敏感腔g1；
在端部台肩上各开设有高压孔，通过阀芯内孔与P口相通；低压孔开设在阀芯端部，直接与T口连通；在阀体内孔壁上两端各开设有一直径为半圆形截面敏感通道，每个敏感通道的分别与左、右敏感腔相通；阀芯两端台肩上的高低压孔与敏感通道相交，形成两个微小的开口面积，串联构成液压阻力半桥；两端的敏感腔的压力分别受控于两端的液压阻力半桥；
阀体6右端开设倾斜方向相反的第一滚轮斜槽通道e1和第二滚轮斜槽通道e2，第一滚轮斜槽通道e1和第二滚轮斜槽通道e2依照阀芯对称分布；
所述的压扭联轴器包括楔形件10，所述的阀芯右端的加长端依次穿入内弹簧11和楔形件10的中心孔，楔形件10右端设有外弹簧15；楔形件10的头部端面开设倾斜方向相反的第三滚轮斜槽e3和第四滚轮斜槽e4；阀芯上装有横向垂直的中心轴12，中心轴12的两端装有第一滚轮71和第二滚轮72，第一滚轮71在第三滚轮斜槽e3内滚动，第二滚轮72在第四滚轮斜槽e4内滚动；
楔形件10的垂直于所述的中心轴12的两个端面上分别装有第三滚轮73和第四滚轮74；第三滚轮73在第一滚轮斜槽通道e1内滚动，第四滚轮74在第二滚轮斜槽通道e2内滚动。
本发明所述的位移可放大2D电液比例换向阀，由2D阀、双向压扭联轴器和双向线性电-机械转换器构成。其位移放大的主要功能在于阀体6右端滚轮斜槽通道e1和e2，如图3所示，两斜槽方向相反，上下分布，压扭联轴器滚轮73放置在斜槽e1中，滚轮74放置在斜槽e2中，滚轮73和74通过弹性挡圈63和64安装在楔形件10上，如图5(b)所示,楔形件10通过销13与双向电磁铁9的推杆过渡配合相联，滚轮71和72通过弹性挡圈61和62安装在中心轴12两端，且与楔形件10上的斜槽e3和e4滚动接触，滚轮71放置在斜槽e3中，滚轮72放置在斜槽e4中；当电磁铁推动楔形件轴向移动时，斜槽通道e1和e2使滚轮73和74转动，楔形件10上的斜槽e3和e4压迫中心轴12两端的滚轮71和72转动，同时带动阀芯转动，进而使阀敏感腔g1和g2的压力发生变化，压力差驱动阀芯轴向移动，移动的同时，楔形件10上的斜槽e3和e4使滚轮71和72反向旋转，直至一个新的平衡位置。楔形件转角大小取决于斜槽通道e1和e2的倾斜角度，设计得当，可使阀芯轴向位移放大，见图6(b)和(c)所示。2D阀主要由阀芯5和阀体6组成，而阀芯5右端头部有加长端，中心轴12与阀芯5过盈配合固连，内弹簧11由弹性挡圈65和内垫片51和52安装在阀芯5右端头部，阀芯右端头部安装在楔形件筒状端内部，阀芯通过滚轮71和72、内弹簧11与楔形件10接触联接。在阀芯两端台肩上不对称开设有两个高压孔(c)和两个低压孔(d)，分别与P口和T口连通；两端敏感通道f1和f2开设在阀体6两边内孔壁上，分别与左右敏感腔g1和g2相通；当阀芯安装于阀体中，阀芯两端台肩上的高低压孔与敏感通道相切，各自形成微小的开口面积，串联构成液压阻力半桥，两端敏感腔压力分别受控于两端的液压阻力半桥。
所述双向压扭联轴器是实现双向线性电-机械转换器的小位移直线运动转化为阀芯的双向可扩大扭转运动的结构。双向线性电-机械转换器的电磁推力和拉力通过压扭联轴器分别驱动阀芯正反向转动，从而使阀两端敏感腔的压力发生变化驱动阀芯轴向左右滑动，同时阀芯受楔形件上斜槽制约反向转动，使两端敏感腔的压力又逐渐达到平衡，阀芯滑动一定位移后到达一个新位置，阀芯移动的位移与阀芯旋转角度基本成线性关系，但可不等于电磁铁轴向位移，因此将压扭联轴器中楔形件10上斜槽e3和e4与阀体6右端的斜槽导向通道e1和e2的倾斜角度合理设计，可使阀芯位移放大数倍于电磁铁轴向位移，同时其流量与阀芯位移成线性比例关系。
本发明的有益效果主要表现在：1、针对双向比例电磁铁因磁饱和输出位移有限，提出了阀芯位移可放大技术，将阀芯的位移按比例放大，并有效消除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、以阀芯旋转和滑动的双自由度运动(2D)代替导控部分，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，进而在主阀芯两端产生压力差驱动阀芯轴向运动，有效克服了高压、大流量下液动力(伯努利力)所造成的不利影响，降低了阀的重量和体积，并提高了阀芯的轴向定位(主阀开口)精度；3、将2D换向(节流)阀、双向压扭联轴器和双向比例电磁铁三者共轴联结，构成结构简单、原理先进的位移可放大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高压、大流量的特点，而且使用一个比例电磁铁和压扭联轴器，极大的简化了阀体结构，非常适合大流量2D螺纹插装阀的研发。4、双向压扭联轴器采用球型滚轮元件来代替滚动轴承，避免楔形件上螺旋槽的加工，结构简单，且滚轮点接触滚动能有效减小机械摩擦力等非线性因素的不利影响。
附图说明
图1是本发明的阀芯阀体装配示意图。
图2是本发明的结构原理示意图。
图3a是本发明的阀体结构示意图。
图3a1是图3a的Ⅰ部放大图
图3a2是图3a的Ⅱ部放大图
图3b是本发明的阀体结构示意图。
图4a，图4b是楔形件10的结构示意图。
图4c是楔形件10的的剖视图
图5a是压扭联轴器组件与阀芯装配结构示意图。
图5b是压扭联轴器组件与阀芯装配结构的爆炸图。
图6a，6b，6c是本发明的受力分析与运动过程图。
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6，一种位移可放大2D电液比例换向阀包括螺钉1、左盖板2、左塞环3、O型密封圈4、阀芯5、阀体6、压扭组件7、端盖8、双向比例电磁铁9组成；阀芯5上包括附件中心轴12、第一滚轮71和第二滚轮72、弹性挡圈61和62、内垫片51和52、内弹簧11和弹性挡圈65，压扭组件7包括楔形件10、第三滚轮73和第四滚轮74、弹性挡圈63和64、销13、大垫片14、外弹簧15、小垫片16和弹性挡圈17。位移可放大2D电液比例换向阀由2D阀、双向压扭联轴器和线性电-机械转换器三部分构成。
所述2D阀部分包括一个阀芯5和一个阀体6，阀芯5可转动并可轴向滑动地放置在阀体6内孔内，阀芯5右端有加长端，中心轴12与阀芯5过盈配合固连，内弹簧11由弹性挡圈65和内垫片51和52安装在阀芯5右端头部，阀芯右端头部安装在楔形件筒状端内部，阀芯通过第一滚轮71和第二滚轮72、内弹簧11与楔形件10接触联接。阀芯上设有四个台肩，其中有2个端部台肩，所述的端部台肩之间的阀体内孔上依次开有T口、A口、P口、B口、T口，其中P口是进油口，此处压力为系统压力；所述的阀芯9中间设有两个中部台肩，两个中部台肩分别位于A口和B口上方；其特征在于：
该2D阀仅右端通过压扭联轴器连接双向线性电-机械转换器，其中阀芯通过与其紧配合固连的中心轴12上的第一滚轮71和第二滚轮72与楔形件10滚动接触，楔形件10通过销13与双向电磁铁推杆过渡配合联接。
阀芯左端端部台肩、左塞环3与阀体6左端之间形成左敏感腔g1，阀体6右端、端盖8之间形成右敏感腔g2，右敏感腔略大于左敏感腔，其对于2D阀比例控制的影响经实验研究可忽略；
如图2所示，阀芯端部台肩上各开设有一个高低压孔c、d，两个高压孔为通孔，通过孔b与P口相通；阀体内孔壁上的两端各开设有一对轴对称的半圆形截面的敏感通道(f1、f2)，见图3，与左、右敏感腔(g1和g2)相通；
如图3所示，阀体6右端开设第一滚轮斜槽通道e1和第二滚轮斜槽通道e2，其倾斜方向相反，依照阀芯对称上下分布；
如图4所示，楔形件10为压扭组件7中的核心部件，内部钻空，头部端面开设第三滚轮斜槽e3和第四滚轮斜槽e4，其倾斜方向相反，左右分布；
优选地，所述的敏感通道呈直径为0.5～1.0mm半圆形截面；
所述双向压扭联轴器主要包括楔形件10和外弹簧15，滚轮73和74通过弹性挡圈63和64安装于楔形件10的上下凸起位，外弹簧15由大垫片14和小垫片16通过弹性挡圈17卡在楔形件10右侧筒状端上，阀芯上中心轴12与安装其上的第一滚轮71和第二滚轮72也属于压扭组件的一部分，第一滚轮71和第二72分别与楔形件10上的第三滚轮斜槽e3和第四滚轮斜槽e4滚动接触，第一滚轮71放置在第三滚轮斜槽e3中，第二滚轮72放置在第四滚轮斜槽e4中；
该双向压扭联轴器充分利用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，通过合理设计双向压扭装置，使驱动阀芯转动的扭转力矩和阀芯位移同时放大，并将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到最低。
所述O型密封圈4用来对盖板与阀体及端盖和阀体之间进行密封；所述中心轴12与阀芯5右端中心孔过盈配合相连，线性电-机械转换器的推杆通过销13与楔形件10右端过渡配合相连，其输出的力直接作用于楔形件10。所述第一滚轮71、第二滚轮72、安装在楔形件上下端，第三滚轮73、第四滚轮74安装在中心轴12的两端，用以减小压扭装置运动时的摩擦力。
所述双向线性电-机械转换器为湿式双向耐高压比例电磁铁，也可选用其它湿式双向耐高压线性电-机械转换器。
本发明实施的工作原理为：如图6a，6b，6c所示，当2D电液比例阀的双向控制比例电磁铁不通电时，外弹簧15处于初始压缩状态，弹簧15通过大垫片14对楔形件产生向外的推力，使楔形件与阀体右端限位处贴紧，楔形件停止不动处于零位；内弹簧11由内垫片51、52和弹性挡圈65安装在楔形件内部，处于微压缩状态使阀芯保持初始零位。中心轴12上滚轮与楔形件10上的第三滚轮斜槽e3和第四滚轮e4两个接触位置的切向力大小相等、方向相反，构成力偶。楔形件上两端斜槽面对阀芯的轴向作用力和力偶方向相反，因而阀芯处于零位平衡位置。
当2D电液比例阀的双向比例电磁铁正向通电时，推杆伸出Δx1，楔形件10沿轴向向左运动，外弹簧15在小垫片16和钢丝挡圈17的推动下也向左运动，大垫片14受阀体限位阻挡不动，使外弹簧15处于进一步压缩状态，为楔形件的下一步复位做准备；楔形件10向左轴向运动，阀体上第一斜槽导向通道e1和第二斜槽导向通道e2使楔形件10产生扭转(如逆时针方向)，带动阀芯产生一定角度θ的旋转，转角θ取决于第一斜槽导向通道e1和第二斜槽导向通道e2的倾斜角度，从而使阀芯两端所受的轴向力与扭矩都失去平衡，阀芯受到向左的轴向驱动力和逆时针方向的扭矩。轴向驱动力相当于直动式比例阀的驱动力，在高压大流量的工况下，由于存在液动力和摩擦力无法直接驱动阀芯轴向运动。但是，通过合理地设计第一斜槽导向通道e1和第二斜槽导向通道e2的倾斜角度和较大的滚轮71、72、73、74的分布圆直径，可以得到较大的切向力，使其足以克服阀芯的摩擦力驱动阀芯逆时针转动。与此同时，由于阀芯逆时针转动，阀右敏感腔的压力升高，左敏感腔的压力降低，阀芯向左运动，在运动过程中由于中心轴两端的第一滚轮71和第二滚轮72受到楔形件上第三滚轮斜槽e3和第四滚轮e4的约束，阀芯在向左移动的同时也往回转动(顺时针转动)，阀芯两端敏感腔的压力又重新恢复为稳态的平衡值，阀芯到达一个与比例电磁铁推力大小对应的新平衡位置。此时阀芯移动位移为Δx2，阀芯移动距离与阀芯旋转角度有关，合理设计各个斜槽e1和e2与e3和e4的倾斜角度，可使Δx2＝kΔx1,k＝1～2.5，因此阀芯位移可放大，且流量与阀芯位移成比例变化。
当2D电液比例阀的双向比例电磁铁反向通电时，推杆收回Δx1，楔形件10沿轴向受拉，向右运动，外弹簧15在楔形件10和大垫片14的带动下向右运动，小垫片16受端盖8限位阻挡不动，使外弹簧处于进一步压缩状态，为楔形件的下一步复位做准备；楔形件10向左轴向运动，阀体上第一斜槽导向通道e1和第二斜槽导向通道e2使楔形件10产生反方向一定放大的角度旋转，使阀芯两端所受的轴向力与扭矩都失去平衡，阀芯受到向右的轴向驱动力和顺时针方向的扭矩。轴向驱动力相当于直动式比例阀的驱动力，同样也可以实现直动。与此同时，由于阀芯顺时针转动，阀左敏感腔的压力升高，右敏感腔的压力降低，阀芯向右运动，在运动过程中由于中心轴两端的滚轮受到楔形件上斜槽面的约束，阀芯在向右移动的同时也往回转动(逆时针转动)，阀芯两端敏感腔的压力又重新恢复为稳态的平衡值，阀芯到达一个与比例电磁铁推力大小对应的新平衡位置。阀芯移动距离Δx2，同样可使阀芯位移放大。
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 (3)
1.位移可放大2D电液比例换向阀，包括一个由阀体、阀芯组成的2D阀，阀芯可转动并可轴向滑动，与阀体内孔配合；阀芯右端有加长端，用以联接中心轴及双向压扭内部装置；阀芯左右两端各有一个端部台肩，所述的左右两个端部台肩之间的阀体内孔上依次开有T口、A口、P口、B口、T口，其中P口是进油口，此处压力为系统压力；所述的阀芯中部上设有两个台肩，两个中部台肩分别位于A口和B口上方；其特征在于：
2D阀的右端通过压扭联轴器与双向电-机械转换器固联；
阀芯端部右台肩、压扭联轴器端盖(8)与阀体之间形成右敏感腔g2，阀芯端部左台肩、左塞环(3)与阀体之间形成左敏感腔g1；
在端部台肩上各开设有高压孔，通过阀芯内孔与P口相通；低压孔开设在阀芯端部，直接与T口连通；在阀体内孔壁上两端各开设有一半圆形截面敏感通道，每个敏感通道分别与左、右敏感腔相通；阀芯的两个端部的台肩上的高低压孔与敏感通道相交，形成两个微小的开口面积，串联构成液压阻力半桥；左、右敏感腔的压力分别受控于两端的液压阻力半桥；
阀体(6)右端开设倾斜方向相反的第一滚轮斜槽通道e1和第二滚轮斜槽通道e2，第一滚轮斜槽通道e1和第二滚轮斜槽通道e2依照阀芯对称分布；
所述的压扭联轴器包括楔形件(10)，所述的阀芯右端的加长端依次穿入内弹簧(11)和楔形件(10)的中心孔，楔形件(10)右端设有外弹簧(15)；楔形件(10)的头部端面开设倾斜方向相反的第三滚轮斜槽e3和第四滚轮斜槽e4；阀芯上装有横向垂直的中心轴(12)，中心轴(12)的两端装有第一滚轮(71)和第二滚轮(72)，第一滚轮(71)在第三滚轮斜槽e3内滚动，第二滚轮(72)在第四滚轮斜槽e4内滚动；
楔形件(10)的垂直于所述的中心轴(12)的两个端面上分别装有第三滚轮(73)和第四滚轮(74)；第三滚轮(73)在第一滚轮斜槽通道e1内滚动，第四滚轮(74)在第二滚轮斜槽通道e2内滚动。
2.如权利要求1所述的2D电液比例换向阀，其特征在于：所述双向线性电-机械转换器为可推拉的双向比例电磁铁。
3.如权利要求2所述的2D电液比例换向阀，其特征在于：所述的敏感通道呈直径为0.5～1.0mm半圆形截面。
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