CN105004235A - 一种负载压力位移反馈的比例计量油针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载压力位移反馈的比例计量油针，采用阀套与阀芯的双活动筒体和带约束弹簧的空心油针结构，通过设计弹簧刚度适应负载波动，使计量油针输出流量基本恒定，只需外在机构控制阀套筒体位移达到流量比例调节的目的。计量油针弹簧座与外筒体刚性联接，调整螺栓可调整弹簧预紧力，油针由弹簧支撑。外接驱动机构调节内筒体的位置从而控制油针开度。内筒位置不变时，油针通过弹簧改变伸缩量以平衡负载压力，使计量油针小范围移动实以实现其开度的微调。根据流量方程设计弹簧刚度，使开度变化抵消压差波动引起的过流面积变化量。本发明实现了流量的准确比例控制，同时简化了含该油针的计量装置结构，具有较大的实用价值。

Description

一种负载压力位移反馈的比例计量油针

技术领域

本发明涉及一种计量油针，尤其涉及一种负载压力位移反馈的比例计量油针。

背景技术

计量装置作为液压或燃油系统的重要部件之一，在工业、农业、国防、食品、医疗等诸多领域都得到了广泛的应用。计量油针是计量装置的关键元件，结构和特性对流量控制效果有直接影响。随着对液压或燃油流量的控制精度和响应速度要求的不断提高，尤其是小流量和小扰动状态下的高性能计量技术是当前急需解决的重要关键问题之一。

传统计量油针的工作原理主要是控制进出口压差保持恒定，从而使流量与油针开口面积成线性关系，以达到控制流量的目的，如下式：

$Q=C_{d}A\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

其中，Q为油液体积流量，Cd为流量系数，A为有效节流面积，ΔP为计量油针进出口压差，ρ为燃油密度。当压差ΔP恒定时，流量Q与节流面积A成线性关系。

上述方法易于实现，但需要计量油针与等压差阀配合工作，在维持进出口压力差基本不变状态下工作。但因压差恒定或在保持一定偏差的范围较小，本装置适合在设计负载压力附近实现高精密流量控制。

感压计量油针采用嵌套式双筒结构，油针在压差变化时可相对内筒运动，通过改变油针开口面积补偿由于压差变化而造成的流量变化。传统计量油针均采用保持压差恒定调节油针开口面积的流量控制方法，尚未见关于嵌套式双筒体感压计量油针的文献报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对传统计量油针的缺陷，提供一种负载压力位移反馈的比例计量油针，通过采用内外双筒体和内设弹簧的空心油针结构，使计量系统或装置无需靠等压差阀保持计量油针进出口压差恒定来实现流量的精确控制。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种负载压力位移反馈的比例计量油针，包含筒体组件和感压油针组件；

所述筒体组件包含外筒体、内筒体、内筒盖、端盖和联轴盖，感压油针组件包含感压油针、油针盖、弹簧、弹簧座、调整螺栓花键、调整螺栓、碗状薄膜和固定环；；

所述外筒体为圆柱型筒体，其上设有进油口和出油口；

所述内筒体与外筒体嵌套装配，接触面之间设有用于防止油液从配合面缝隙泄漏的密封圈和用于防止接触面磨损的耐磨环，且内筒体的底端设有均匀分布的四个内筒体联接杆，所述四个内筒体联接杆穿过端盖、通过螺母固定在联轴盖上；

所述内筒体的底端中心处设有供感压油针组件穿过的开口，内筒体筒壁与外筒体进油口对应位置设有供油液进入的开口；

所述内筒盖通过联接螺栓固定在内筒体上，内筒盖与内筒体之间设有用于防止油液从断面缝隙泄漏的密封圈，内筒盖中心设有供油液流出的圆形开口，且该圆形开口的直径小于感压油针直径；

所述端盖通过联接螺栓固定在外筒体上，其中心设有供调整螺栓穿过的孔位，端盖与外筒体之间设有用于防止油液从断面缝隙泄漏的密封圈；

所述联轴盖中心处设有联轴盖联接杆；

所述联轴盖联接杆末端设有用于与外接控制结构的输出端联接的螺纹；

所述感压油针位于内筒体中心，其前端为针型感压面、后端设有空心腔体；

所述弹簧座为圆柱型构件，其上设有四个均匀分布的弹簧座联接杆和一个方形的花键槽；

所述油针盖通过联接螺栓固定在所述感压油针后端空心腔体的开口处，其中心设有供调整螺栓穿过的孔位、圆周设有四个供所述弹簧座联接杆穿过的孔位；

所述四个弹簧座联接杆对应穿过所述油针盖圆周的四个孔位、通过限位圈和锁紧螺母固定在所述端盖上，以支撑感压油针组件；

所述弹簧位于感压油针后端空心腔体内，通过弹簧座压紧在空心腔体内；

所述调整螺栓花键设置在所述花键槽内，其中心设有与所述调整螺栓相匹配的螺纹孔，并由油针盖限制在感压油针后端的空心腔体内；

所述调整螺栓分别穿过所述端盖中心的孔位和所述油针盖中心的孔位、与所述调整螺栓花键中心的螺纹孔螺纹连接，用于调整所述弹簧的预紧力；

所述碗状薄膜的上部开口处通过通过所述油针盖压紧在所述感压油针后端空心腔体的开口处；

所述固定环通过联接螺栓固定在所述内筒体的底端，用于将碗状薄膜下部开口处压紧在所述内筒体上。

作为本发明一种负载压力位移反馈的比例计量油针进一步的优化方案，所述外筒体出油口一侧设有限位台阶，用于限制所述内筒体最大开度位置；所述内筒体联接杆上设有限位台阶，用于限制其最小开度位置。

作为本发明一种负载压力位移反馈的比例计量油针进一步的优化方案，所述外筒体的进油口和出油口内部设有用于和外部管路连接的螺纹，在口内设置螺纹易于加工，便于与外部管路连接。

作为本发明一种负载压力位移反馈的比例计量油针进一步的优化方案，所述外筒体在所述端盖和内筒体底部之间的筒壁上设有泄油口，可防止内筒运动时造成憋压卡死的情况，亦可通过其排出泄漏油。

作为本发明一种负载压力位移反馈的比例计量油针进一步的优化方案，所述泄油口内部设有用于和外部管路连接的螺纹，在口内设置螺纹易于加工，便于与外部管路连接。

感压油针组件中弹簧的预紧力由调整螺栓、调整螺栓花键、弹簧座配合调整，所述结构便于装拆，易于调整弹簧预紧力。

碗状薄膜由固定环与油针盖通过螺栓固定在内筒与油针之间，碗状薄膜在内筒或油针移动时可以对进口腔油液起到良好的密封作用。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.计量油针筒体结构简单，拆装方便，密封性好；

2.外筒体出油口设置在筒壁一侧，可避免出口腔压力不稳定，使装置有较好的动态特性；

3.内外筒体间有耐磨环，提高了计量油针的使用寿命，减小了内筒体的运动摩阻；

4.感压油针内部弹簧设有调整螺栓，易于调整弹簧预紧力，以满足不同负载压力位置补偿的需要；

5.碗状薄膜在内筒或油针移动时可防止进口腔油液泄露，保证装置良好的密封性；

6.一定范围内感压油针可感受压力变化，调整油针开度以保持流量恒定，无需使用等压差阀。

附图说明

图1是本发明一种负载压力位移反馈的比例计量油针剖视图；

图2是感压油针组件剖视图；

图3是感压油针组件中调整螺栓花键和弹簧底座左视图；

图4是比例计量油针AMESim模型图；

图5是比例计量油针AMESim模型仿真图。

图中，1-筒体组件、1.1-联轴盖、1.2-螺母、1.3-端盖、1.4-密封圈、1.5-联接螺栓、1.6-密封圈、1.7-外筒体、1.8-密封圈、1.9-耐磨环、1.10-密封圈、1.11-内筒体、1.12-密封圈、1.13-耐磨环、1.14-密封圈、1.15-内筒盖、1.16-联接螺栓、1.17-密封圈；2-感压油针组件、2.1-联接螺栓、2.2-调整螺栓花键、2.3-密封圈、2.4-调整螺栓、2.5-锁紧螺母、2.6-限位圈、2.7-油针盖、2.8-弹簧座、2.9-联接螺栓、2.10-固定环、2.11-碗状薄膜、2.12-弹簧、2.13-感压油针；A-进油口、B-出油口、L-泄油口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种负载压力位移反馈的比例计量油针，包括筒体组件1和感压油针组件2。

参照图1并结合图2及图3所示，筒体组件1包括联轴盖1.1、锁紧螺母1.2、端盖1.3、密封圈1.4、联接螺栓1.5、密封圈1.6、外筒体1.7、密封圈1.8、耐磨环1.9、密封圈1.10、内筒体1.11、密封圈1.12、耐磨环1.13、密封圈1.14、内筒盖1.15、联接螺栓1.16、密封圈1.17、进油口A、出油口B、外接控制结构输出端C、泄油口L。

端盖1.3由联接螺栓1.5固定在外筒体1.7上，端盖1.3与外筒体1.7之间有密封圈1.6，采用优质密封圈，防止油液从断面缝隙泄漏，内筒体1.11与外筒体1.7间装有密封圈1.8、1.10、1.12、1.14防止油液从配合面缝隙泄漏，内外筒体间有耐磨环1.9、1.13，内筒体1.11底端的联接杆穿过端盖1.3，通过锁紧螺母1.2固定在联轴盖1.1上，外筒体1.7上设有进油口A、出油口B、泄油口L，联轴盖1.1圆心处设有联接杆，联轴盖联接杆末端有螺纹，用于和外接控制结构输出端C联接。

感压油针组件2包括联接螺栓2.1、调整螺栓花键2.2、密封圈2.3、调整螺栓2.4、锁紧螺母2.5、限位圈2.6、油针盖2.7、弹簧座2.8、联接螺栓2.9、固定环2.10、碗状薄膜2.11、弹簧2.12、感压油针2.13。

弹簧底座2.8上的联接杆穿过油针盖2.7，由限位圈2.6与锁紧螺母2.5配合固定在端盖1.3上，油针盖2.7由联接螺栓2.1固定在油针2.13上，并与固定环2.10共同将碗状薄膜2.11固定在油针盖与油针之间，弹簧2.12固定在弹簧座2.8上，并压紧油针2.13，调整螺栓2.4通过调整螺栓花键2.2调整弹簧预紧力。

首先把密封圈1.8、1.10、1.12、1.14与耐磨环1.9和1.13安装在外筒体内壁相应槽内，将安装好密封圈1.17和内筒盖1.15的内筒1.11嵌套入内，弹簧2.12由弹簧座2.8压入油针2.13后端后，再将调整螺栓花键2.2安装入弹簧座2.8键槽内，油针盖2.7穿过弹簧座2.8后，压紧碗状薄膜2.11，并由联接螺栓2.1固定在油针2.13末端，将油针2.13穿入内筒相应口内，由固定环2.10将碗装薄膜2.11的另一端压紧在内筒1.11上，并由联接螺栓2.9固定联接，将限位圈2.6套在弹簧座2.8的联接杆上，外筒端盖1.3穿过弹簧座2.8和内筒1.11联接杆后由联接螺栓1.5联接固定在外筒1.7上，将锁紧螺母2.5拧紧在弹簧座2.8的联接杆上，再将调整螺栓2.4旋入螺栓孔内，最后由螺母1.2将联轴盖固定在内筒1.11的联接杆上，完成整个装置的装配。

对本发明结构原理的理论分析如下：

油针2.3感压面受到油针进出口压力和弹簧压力联合作用，对其受力分析可得：

P₁A₁+P₂A₂＝F₀+kx    (2)

式中P₁为计量油针出口压力，A₁为油针出口有效感压面积，P₂为计量油针进口压力，A₂为进口油针有效感压面积，F₀为弹簧预紧力，k为弹簧刚度，x为弹簧压缩量。

设油针头部长度为L，油针角度为θ，阀口半径为R，内筒体位置一定时，取此时油针位移为L₀，若出口压力减小P₀，则油针2.13位移减小x₀，此时式2变为：

P₀π[(Ltanθ)²-(L₀tanθ)²]+π(P₀+P₁-P₂){[(L₀-x₀)tanθ]²-(L₀tanθ)²}＝kx₀  (3)

若流量不变，则由式1得到：

$A+\mathrm{\π}(2L_0-x_0)x_0{\tan }^2\mathrm{\θ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\Δ}P-P_0}}A-A---\left(4\right)$

其中：

A＝πR²-π(L₀tanθ)²    (5)

由式(3)、(4)、(5)可看出，计量油针结构参数确定后，在一定的工况下选取合适的弹簧刚度k值，可得到一组P₀与x₀值，调节计量油针实际开度补偿压差变化引起的流量变化，以达到准确控制流量的目的。

参照图1并结合图2，本发明计量油针的工作过程如下：

内筒体1.11由联接杆和联轴盖联接外部执行机构，带动内筒体1.11运动，控制油针开度，油液由进油口A进入计量油针，从出油口B流出。内筒体1.11位置一定且出油口A压力不变时，油针2.13在进、出口压共同作用下与弹簧2.12弹簧力平衡，对应一定流量；若因外部扰动使出油口A压力发生变化，则油针2.13在弹簧2.12作用下调整位置，使进、出口压力之和与弹簧力再次平衡，流量重新保持在期望值。选取合适参数即可保证前后流量相同，以实现对流量的精确控制。运动过程中，密封圈1.4、1.6、1.8、1.10、1.12、1.14、2.3起密封作用，防止油液外泄，耐磨环1.2、耐磨环1.6提高筒体的耐用性，共同保证实验的精度，提高计量油针的性能。

根据以上叙述，在仿真软件平台AMESim搭建了感压计量油针模型以验证其性能，如图4所示。该模型设置了计量油针相关参数和预开口大小。当出口压力变化时，计量油针运动对开口位置进行微调。仿真结果如图5，当出口压力升高0.5bar时，计量油针开口变化量约0.15mm，计量油针输出流量保持不变。因此可见，本感压计量油针设计方案是合理可行的。

综上所述，感压计量油针整体结构简单，拆装方便；由耐磨环支承，提高了内筒体的耐用性；基于负载压力位移反馈比例计量油针的设计可实现流量的准确控制，适用于恒流量输出的高精度液压计量装置。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种负载压力位移反馈的比例计量油针，其特征在于，包含筒体组件和感压油针组件；

所述筒体组件包含外筒体、内筒体、内筒盖、端盖和联轴盖，感压油针组件包含感压油针、油针盖、弹簧、弹簧座、调整螺栓花键、调整螺栓、碗状薄膜和固定环；

所述外筒体为圆柱型筒体，其上设有进油口和出油口；

所述内筒体与外筒体嵌套装配，接触面之间设有用于防止油液从配合面缝隙泄漏的密封圈和用于防止接触面磨损的耐磨环，且内筒体的底端设有均匀分布的四个内筒体联接杆，所述四个内筒体联接杆穿过端盖、通过螺母固定在联轴盖上；

所述内筒体的底端中心处设有供感压油针组件穿过的开口，内筒体筒壁与外筒体进油口对应位置设有供油液进入的开口；

所述内筒盖通过联接螺栓固定在内筒体上，内筒盖与内筒体之间设有用于防止油液从断面缝隙泄漏的密封圈，内筒盖中心设有供油液流出的圆形开口，且该圆形开口的直径小于感压油针直径；

所述端盖通过联接螺栓固定在外筒体上，其中心设有供调整螺栓穿过的孔位，端盖与外筒体之间设有用于防止油液从断面缝隙泄漏的密封圈；

所述联轴盖中心处设有联轴盖联接杆；

所述联轴盖联接杆末端设有用于与外接控制结构的输出端联接的螺纹；

所述感压油针位于内筒体中心，其前端为针型感压面、后端设有空心腔体；

所述弹簧座为圆柱型构件，其上设有四个均匀分布的弹簧座联接杆和一个方形的花键槽；

所述油针盖通过联接螺栓固定在所述感压油针后端空心腔体的开口处，其中心设有供调整螺栓穿过的孔位、圆周设有四个供所述弹簧座联接杆穿过的孔位；

所述四个弹簧座联接杆对应穿过所述油针盖圆周的四个孔位、通过限位圈和锁紧螺母固定在所述端盖上，以支撑感压油针组件；

所述弹簧位于感压油针后端空心腔体内，通过弹簧座压紧在空心腔体内；

所述调整螺栓花键设置在所述花键槽内，其中心设有与所述调整螺栓相匹配的螺纹孔，并由油针盖限制在感压油针后端的空心腔体内；

所述调整螺栓分别穿过所述端盖中心的孔位和所述油针盖中心的孔位、与所述调整螺栓花键中心的螺纹孔螺纹连接，用于调整所述弹簧的预紧力；

所述碗状薄膜的上部开口处通过通过所述油针盖压紧在所述感压油针后端空心腔体的开口处；

所述固定环通过联接螺栓固定在所述内筒体的底端，用于将碗状薄膜下部开口处压紧在所述内筒体上。

2.根据权利要求1所述的负载压力位移反馈的比例计量油针，其特征在于，所述外筒体出油口一侧设有限位台阶，用于限制所述内筒体最大开度位置；所述内筒体联接杆上设有限位台阶，用于限制其最小开度位置。

3.根据权利要求1所述的负载压力位移反馈的比例计量油针，其特征在于，所述外筒体的进油口和出油口内部设有用于和外部管路连接的螺纹。

4.根据权利要求1所述的负载压力位移反馈的比例计量油针，其特征在于，所述外筒体在所述端盖和内筒体底部之间的筒壁上设有泄油口。

5.根据权利要求4所述的外筒体泄油口，其特征在于，所述泄油口内部用于和外部管路连接的设有螺纹。