CN105201945A - 基于阀芯双自由度的二维力反馈式电液伺服阀 - Google Patents

Abstract

基于阀芯双自由度的二维力反馈式电液伺服阀，包括斜翼式力矩马达和液压放大机构；斜翼式力矩马达的衔铁由水平设置的中心轴和两侧翼面构成，两侧翼面、上轭铁和下轭铁的左右极靴表面呈以垂直轴为中心轴的180°阵列特征，两侧翼面平行地插入到上轭铁和下轭铁的极靴表面之间，形成四个高度相同的工作气隙；斜翼式力矩马达连接到阀体的一端，所述的衔铁的中心轴与阀芯的中心轴位于同一直线上。

Description

基于阀芯双自由度的二维力反馈式电液伺服阀

技术领域

本发明涉及电液伺服控制元件领域，尤其是一种基于阀芯双自由度的二维力反馈式电液伺服阀。

背景技术

电液伺服控制技术自四十年代出现以来，便以其功率重量比高、输出力(力矩)大和静动态特性优异等显著特点在机电传动与控制技术中占据了高端位置，重点应用于航空航天、军用武器、船舶、大型电站、钢铁、材料试验机和振动台等各种关键场合，从而被视为各国工业的关键竞争力。而作为核心控制元件的电液伺服阀，则对整个电液伺服系统的性能起着决定性的影响作用，历来是流体传动及控制领域的研究热点之一。

为了有效克服液动力从而获得理想的静动态特性，人们通常将伺服阀设计成导控式的多级结构。在众多的结构创新之中，基于阀芯双运动自由度的方法独树一帜，其基本思想如下：一般的滑阀阀芯具有径向旋转和轴向移动两个自由度，且不相互干涉，因而可以用这两个自由度分别实现导控级和功率级的功能，考虑到滑阀阀口的面积梯度可以做的很大，且阀芯在阀孔中也较容易与端盖等配合形成敏感腔，一般可用阀芯的旋转运动实现导控级的功能，而用直线运动来实现功率级的开口。以上即为基于阀芯双自由度的二维流量放大机构设计思想，最早由阮健等在哈尔滨工业大学攻读博士学位时提出。

阮健等基于该原理提出了一种位置直接反馈式二维电液伺服阀，通过开设在阀套内表面的一对螺旋槽和阀芯外圆面的一对高低压孔相交面积构成的液压阻力半桥来控制敏感腔的压力，当电-机械转换器带动阀芯转动时，阀套上螺旋槽和阀芯上高低压孔构成的弓型节流口面积差动变化，导致阀芯两端液压力失去平衡而轴向移动，在此过程中阀芯位移又反馈给螺旋槽和高低压孔构成的弓型节流口面积，最终使其逐渐趋向于相等，此时阀芯停止移动并处于新的平衡位置。可以看到该阀的液压放大部分自行闭环反馈，因此实质上为两级的位置直接反馈式伺服阀。该阀的主要优点是将原本分立的导控级和功率级合二为一，集成于单个阀芯上，不但结构简单、动态响应快，而且阀的抗污染能力得到了极大的提高。然而该阀也存在问题：主要是其阀套上的空间螺旋槽结构一般需要三轴以上的进口电火花机床才能加工，成本较高，且加工效率很低，同时由于其处于阀套内表面，加工精度难于保证，检测时也较为困难。

除了位置直接反馈式以外，常用的电液伺服阀还有位移-力矩反馈式(一般简称为位移-力反馈式或者力反馈式)。传统的力反馈式电液伺服阀(如流行的喷嘴挡板阀和射流管阀等)，其阀芯行程和流量大小与力反馈系数成反比，增大阀芯的行程和流量势必使得伺服阀的动态性能变差，因而大多在100L/min以下的场合使用，结构上不适合作为大流量的伺服阀，如要实现大流量控制，则必须要采用更加复杂、成本更高的三级阀结构。

发明内容

为了克服已有的位置直接反馈式二维电液伺服阀存在的阀套内表面空间螺旋槽结构加工成本高，精度难于保证，且加工效率低，以及传统的力反馈式电液伺服阀难于应用于高压大流量场合的不足.本发明提供一种结构简单、加工成本低、适合高压大流量场合使用的二维力反馈式电液伺服阀。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：

基于阀芯双自由度的二维力反馈式电液伺服阀，其特征在于：包括斜翼式力矩马达和液压放大机构；

斜翼式力矩马达由上轭铁16、下轭铁22、衔铁19、第一永磁体29、第二永磁体30、第一弹簧杆17、第二弹簧杆31、第一线圈18、第二线圈21组成；上轭铁16、下轭铁22及衔铁19均为导磁体；第一永磁体29、第二永磁体30分别对称放置于上轭铁和下轭铁外侧，用来提供极化磁势；第一线圈18、第二线圈21分别对称缠绕于上轭铁和下轭铁内侧，用来提供控制磁势；第一弹簧杆17、第二弹簧杆31作为弹性元件分别穿进衔铁19上下脊面的两个小孔并与其固连，其球头端则分别可活动地插入上轭铁16和下轭铁22的球窝中，衔铁19直接和阀芯27固连并由此被保持在马达的中位；

衔铁19由水平设置的中心轴和两侧翼面构成，两侧翼面、上轭铁16和下轭铁22的极靴表面与水平面之间有倾斜角，以垂直于水平面、竖直向上的轴为Z轴，左右翼面呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征，其中左翼面围绕Z轴旋转180°后，刚好和右翼面重合；上轭铁16和下轭铁22的左右极靴表面也是呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征；左翼面插入到上轭铁16和下轭铁22的左极靴表面之间，三者相互平行并形成左上工作气隙和左下工作气隙；右翼面插入到上轭铁16和下轭铁22的右极靴表面之间，三者相互平行并形成右上工作气隙和右下工作气隙；四个工作气隙的高度相同；

液压放大部分包括阀芯27、阀套11、阀体6、后盖板1、右塞环25、同心环13、堵头3；阀芯27与阀套11、后盖板1配合构成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的阀芯27左端台肩表面上开设有两对轴对称的高低压槽a和b，阀杆上还开有过流孔c和d，高压槽a、过流孔c和过流孔d通过开设于阀芯内部的过流通道相连接，低压槽b则直接和回油口连接；阀芯27装于阀套11中，阀套11和阀体6之间通过O型密封圈密封；阀芯27上装有同心环13和右塞环25以保证阀芯27、阀套11和阀体6之间的定位；阀套11的内表面上开设有一对轴对称的直槽感受通道f，感受通道的一端和敏感腔h相通，另一端与高低压槽a和b构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力；

所述的斜翼式力矩马达连接到阀体6的一端，所述的衔铁19的中心轴与阀芯27的中心轴位于同一直线上。

四个工作气隙高度的变化不仅受到衔铁19转动的影响，同时也受到阀芯27轴向位移的影响，以此实现阀芯位移对力矩马达的力反馈。不通电时马达无力矩输出，衔铁位于中位；当线圈18、21通电时，永磁体29、30的极化磁势和线圈的控制磁势在四个工作气隙下相互差动叠加，从而产生电磁力矩带动衔铁19旋转，直到电磁力矩与弹簧杆17、31的反力矩相互平衡，衔铁19停止转动，此时衔铁19的输出力矩与控制电流成正比，调节电流大小便可控制衔铁19的旋转角度。当衔铁19有轴向位移时，衔铁19和上下轭铁16、22的极靴之间的气隙高度又发生变化，使得作用在衔铁19上的合力矩失去平衡，从而带动衔铁19和阀芯27在移动过程中同时作反向转动，直到衔铁19和上下轭铁16、22的极靴之间的气隙高度恢复到原值。在上述过程中，阀芯27的轴向位移是通过衔铁19的气隙变化来使得衔铁19输出的电磁力矩发生变化，从而实现位移-力反馈的。

阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力，并由此控制阀芯两端的压力差。

本发明的有益效果主要表现在：1.结构简单，加工成本低。本发明采用将衔铁翼面和上下轭铁极靴设计成以Z轴为中心轴的180°阵列特征的新型斜翼式力矩马达作为电-机械转换器，在驱动阀芯旋转的同时，还可以将阀芯位移反馈到衔铁力矩上，从而构成位移-力反馈机制。相比已有的位置直接反馈式二维伺服阀阀套内表面的空间螺旋槽结构，二维力反馈式电液伺服阀的结构明显比较容易加工，且不需要高端加工设备，加工成本也较低；2.适合高压大流量控制。对于传统的通过弹性反馈杆实现力反馈的电液伺服阀而言(比如喷嘴挡板阀和射流管阀)，增大反馈杆的刚度可以提高力矩马达的固有频率，从而提高伺服阀的动态特性，但却使阀芯的行程减小，流量降低；而在保持阀的流量不变，即反馈系数不变的情况下，可以通过增大弹簧管刚度等措施使力矩马达的总刚度得以增加，从而提高力矩马达的固有频率，但开环增益却因此减小，理论上可以通过增大喷嘴直径来增加导控级喷嘴-挡板阀的流量增益，从而补偿开环增益的减小，但是增大喷嘴直径将使导控级的泄漏流量增大，以及使得作用于挡板上的液流阻力矩增加，因而在实际中并不可行。而本发明提出的力反馈式二维伺服阀可以很方便地通过减小斜翼式力矩马达的衔铁和轭铁倾角来增加阀芯的行程和流量,由此而减小的开环增益则通过增加高低压矩形槽的轴向宽度(面积梯度)从而增大导控级的流量增益来加以补偿，所以不会造成伺服阀动态性能的下降，从而适合在高压大流量场合的应用。

附图说明

图1为二维力反馈式电液伺服阀的结构侧视图。

图2为二维力反馈式电液伺服阀的结构后视图。

图3为斜翼式力矩马达衔铁的结构示意图。

图4(a)和4(b)为斜翼式力矩马达上轭铁的结构示意图。

图5(a)和5(b)为斜翼式力矩马达下轭铁的结构示意图。

图6为斜翼式力矩马达第一弹簧杆的结构示意图；第二弹簧杆的结构与其完全相同。

图7为二维力反馈式电液伺服阀阀套的结构示意图。

图8为二维力反馈式电液伺服阀阀芯的结构示意图。

图9为二维力反馈式电液伺服阀的结构示意图。

图10(a)、10(b)和10(c)为二维力反馈式电液伺服阀的工作原理示意图。

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10，一种二维力反馈式电液伺服阀，包括斜翼式力矩马达和液压放大部分。斜翼式力矩马达由上轭铁16、下轭铁22、衔铁19、第一永磁体29、第二永磁体30、第一弹簧杆17、第二弹簧杆31、第一线圈18、第二线圈21和固定螺钉等组成。上轭铁16、下轭铁22及衔铁19均为导磁体；第一永磁体29、第二永磁体30分别对称放置于上轭铁和下轭铁外侧，用来提供极化磁势；第一线圈18、第二线圈21分别对称缠绕于上轭铁和下轭铁内侧，用来提供控制磁势；第一弹簧杆17、第二弹簧杆31作为弹性元件穿进衔铁19上下脊面的两个小孔并与其固连，其球头端则分别可活动地插入上轭铁16和下轭铁22的球窝中，衔铁19直接和阀芯27固连并由此被保持在马达的中位。整个力矩马达装配完毕后,再通过螺钉固连到阀体的一端。

如图3、图4和图5所示。与用作喷嘴挡板阀和射流管阀电-机械转换器的普通力矩马达不同的是，对于斜翼式力矩马达而言，衔铁19由水平设置的中心轴和两侧翼面构成，两侧翼面、上轭铁16和下轭铁22的极靴表面与水平面之间有倾斜角，以垂直于水平面、竖直向上的轴为Z轴，左右翼面呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征，其中左翼面围绕Z轴旋转180°后，刚好和右翼面重合；上轭铁16和下轭铁22的左右极靴表面也是呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征；左翼面插入到上轭铁16和下轭铁22的左极靴表面之间，三者相互平行并形成左上工作气隙和左下工作气隙；右翼面插入到上轭铁16和下轭铁22的右极靴表面之间，三者相互平行并形成右上工作气隙和右下工作气隙；四个工作气隙的高度相同；四个工作气隙高度的变化不仅受到衔铁19转动的影响，同时也受到阀芯27轴向位移的影响，以此实现阀芯位移对力矩马达的力反馈。不通电时马达无力矩输出，衔铁位于中位；当线圈18、21通电时，永磁体29、30的极化磁势和线圈的控制磁势在四个工作气隙下相互差动叠加，从而产生电磁力矩带动衔铁19旋转，直到电磁力矩与弹簧杆17、31反力矩相互平衡，衔铁19停止转动，此时衔铁19的输出力矩与控制电流成正比，调节电流大小便可控制衔铁19的旋转角度。当衔铁19有轴向位移时，衔铁19和上下轭铁16、22的极靴之间的气隙高度又发生变化，使得作用在衔铁19上的合力矩失去平衡，从而带动衔铁19和阀芯27在移动过程中同时作反向转动，直到衔铁19和上下轭铁16、22的极靴之间的气隙高度恢复到原值。在上述过程中，阀芯27的轴向位移是通过衔铁19的气隙变化来使得衔铁19输出的电磁力矩发生变化，从而实现位移-力反馈的。

如图1、图2、图7、图8和图9所示，液压放大部分包括阀芯27、阀套11、阀体6、后盖板1、右塞环25、同心环13、堵头3、O型密封圈4、5、7、8、9、10、12、15、26以及若干螺钉等。阀芯27与阀套11、后盖板1配合构成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的阀芯27左端台肩表面上开设有两对轴对称的高低压槽a和b，阀杆上还开有过流孔c和d，高压槽a、过流孔c和过流孔d通过开设于阀芯内部的过流通道相连接，低压槽b则直接和回油口连接；阀芯27装于阀套11中，阀套11和阀体6之间通过O型密封圈5、7、8、9、10密封；阀芯27上装有同心环13和右塞环25以保证阀芯27、阀套11和阀体6之间的定位；阀套11的内表面上开设有一对轴对称的直槽感受通道f，感受通道的一端和敏感腔h相通，另一端与高低压槽a和b构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力。

本实施例以阀芯直径为12.5mm的120L/min流量的二维力反馈式电液伺服阀为例，结合附图对本发明作进一步说明。

二维力反馈式电液伺服阀的工作原理如下：如图9所示，当液压泵打开，斜翼式力矩马达未通电时，衔铁19在第一弹簧杆17和第二弹簧杆31支撑下处于中位，其两侧翼面的上下工作气隙高度相等(均为g)，二维力反馈式电液伺服阀的右腔k通过过流孔d，经小孔c和阀芯27杆内通道与进油P口(系统压力)相通，右腔k的承压面积为左敏感腔h面积的一半；左敏感腔h的压力由开设在阀芯27左端台肩上的一对高低压槽a和b与开设于阀套11内表面的一对直槽感受通道f相交的两个微小矩形窗串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及液动力的影响，左敏感腔h的压力为P口压力(系统压力)的一半，阀芯27轴向保持静压平衡，与直槽感受通道f相交的高低压槽两侧的遮盖面积相等。

如图10(a)、10(b)和10(c)所示，当斜翼式力矩马达通电时，衔铁19驱动阀芯27作顺时针的转动(从左向右看)，直到输出力矩和第一弹簧杆17和第二弹簧杆31的阻力矩相等的平衡位置，如图10(a)所示；此时衔铁19上下工作气隙高度发生变化(g₁和g₂，g₁>g，g₂<g)，阀芯低压槽b与直槽感受通道f构成的节流口面积增大，高压槽a与感受通道f构成的节流口面积减小，敏感腔h内的压力降低，阀芯27轴向失去平衡向左移动；由于马达的斜翼结构，阀芯27轴向移动导致衔铁19的上下工作气隙高度再度发生变化(g₃和g₄，g₃<g₁，g₄>g₂)，如图10(b)所示，此时作用在衔铁19上的合力矩失去平衡，衔铁19和阀芯27在轴向移动的同时作反向的转动，直到感受通道f与高低压槽之间的两个节流口面积回复到相等，此时衔铁19停止转动，阀芯27停止轴向移动并处于一个新的平衡位置，其敏感腔h压力又恢复为系统压力的一半，如图10(c)所示。在上述过程中，阀芯27的轴向位移通过衔铁19的气隙变化使衔铁19输出的电磁力矩发生变化来实现位移-力反馈，因此该阀实质上为两级的力反馈式电液伺服阀。

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 (1)

1.基于阀芯双自由度的二维力反馈式电液伺服阀，其特征在于：包括斜翼式力矩马达和液压放大机构；

斜翼式力矩马达由上轭铁(16)、下轭铁(22)、衔铁(19)、第一永磁体(29)、第二永磁体(30)、第一弹簧杆(17)、第二弹簧杆(31)、第一线圈(18)、第二线圈(21)组成；上轭铁(16)、下轭铁(22)及衔铁(19)均为导磁体；第一永磁体(29)、第二永磁体(30)分别对称放置于上轭铁和下轭铁外侧，用来提供极化磁势；第一线圈(18)、第二线圈(21)分别对称缠绕于上轭铁和下轭铁内侧，用来提供控制磁势；第一弹簧杆(17)、第二弹簧杆(31)作为弹性元件分别穿进衔铁(19)上下脊面的两个小孔并与其固连，其球头端则分别可活动地插入上轭铁(16)和下轭铁(22)的球窝中，衔铁(19)直接和阀芯(27)固连并由此被保持在马达的中位；

衔铁(19)由水平设置的中心轴和两侧翼面构成，两侧翼面、上轭铁(16)和下轭铁(22)的极靴表面与水平面之间有倾斜角，以垂直于水平面、竖直向上的轴为Z轴，左右翼面呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征，其中左翼面围绕Z轴旋转180°后，刚好和右翼面重合；上轭铁(16)和下轭铁(22)的左右极靴表面也是呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征；左翼面插入到上轭铁(16)和下轭铁(22)的左极靴表面之间，三者相互平行并形成左上工作气隙和左下工作气隙；右翼面插入到上轭铁(16)和下轭铁(22)的右极靴表面之间，三者相互平行并形成右上工作气隙和右下工作气隙；四个工作气隙的高度相同；

液压放大部分包括阀芯(27)、阀套(11)、阀体(6)、后盖板(1)、右塞环(25)、同心环(13)、堵头(3)；阀芯(27)与阀套(11)、后盖板(1)配合构成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的阀芯(27)左端台肩表面上开设有两对轴对称的高低压槽a和b，阀杆上还开有过流孔c和d，高压槽a、过流孔c和过流孔d通过开设于阀芯内部的过流通道相连接，低压槽b则直接和回油口连接；阀芯(27)装于阀套(11)中，阀套(11)和阀体(6)之间通过O型密封圈密封；阀芯(27)上装有同心环(13)和右塞环(25)以保证阀芯(27)、阀套(11)和阀体(6)之间的定位；阀套(11)的内表面上开设有一对轴对称的直槽感受通道f，感受通道的一端和敏感腔h相通，另一端与高低压槽a和b构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力；

所述的斜翼式力矩马达连接到阀体(6)的一端，所述的衔铁(19)的中心轴与阀芯(27)的中心轴位于同一直线上。