CN105240580B - 一种超高压多级变量泄压阀 - Google Patents

一种超高压多级变量泄压阀 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高压多级变量泄压阀，其包括阀体，在阀体内部设有水平设置的密封的圆柱形空腔，在阀体的侧面上设有与圆柱形空腔相连通的进油口P和出油口O，在圆柱形空腔内安装有阀芯，所述阀芯左端固定连接有传动轴，所述传动轴的左右移动由位移控制器来控制，所述位移控制器带动传动轴的移动距离和移动速度由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化来控制，通过在阀芯上设置成与圆柱形空腔等直径的闭合段、多个并列相连通的环形槽的阻尼段、与圆柱形空腔内壁有一定间隔的畅通段，实现了对高压油的高压工作、高压泄油、低压工作等工作状态的控制，本泄压阀的液阻尼可连续调节比较方便。

Description

一种超高压多级变量泄压阀
技术领域
本发明属于液压阀技术领域，具体涉及一种超高压泄压阀。
背景技术
我国人造金刚石的合成设备为六面顶压机，该压机采用油压高达100MPa的超高压液压系统。其配备的超高压油泵可直接输出高达100MPa的油压到六面顶压机工作缸中，在压机压制工作结束后需要从超高压管路上泄流降压。目前，六面顶压机超高压卸压系统基本都采用电磁换向阀控制单级泄压阀通断来实现卸压，由于泄压的范围比较大，因此在单级泄压阀内部做有小的液流阻尼孔以控制泄流油的回流速度来减小泄压冲击，当压机将压力泄到6MPa以下时，泄压工作结束，压机转到回程动作。
然而同一个阻尼孔在不同压力下泄压时泄流油速度是不一样的，压机在泄压过程中油压力变化范围非常大，从而使得泄流油速度急剧变化，带来一定的冲击，为了解决这一问题，目前在液压系统中安装了4个具有大小不同阻尼的电磁控制单级泄压阀，在泄压过程中随着压力的降低，逐渐开启具有不同阻尼大小的电磁控制单级泄压阀来保证泄压速度接近一致。这种结构的液压系统比较复杂，而且泄压曲线波动在0.5MPa以上，不能满足合成高品级金刚石的泄压工艺要求的油缸压力从100Mpa泄压到10Mpa范围内的泄压波动及泄压曲线偏差都要小于0.2Mpa要求。
同时这也对满足上述要求的泄压阀元件及控制提出了非常苛刻的要求：
1、泄压阀额定压力要达到100Mpa的超高压。
2、当泄压阀压力从100Mpa降到10Mpa过程中，要求通过该泄压阀的流量变化基本恒定。
3、要求泄压流量可调节范围宽，泄压流量Q = 0.3~6L/min。泄压阀流量Q的计算公式为：
Q = (P×C)/R
其中，P：泄压阀的进油口和出油口之间的压差（MPa）；C: 泄压系数（可基本为常量）；R：泄压阀的液阻尼。
由上式可知，若要保证泄压阀流量Q恒定，只有通过改变泄压阀的液阻尼R，使之伺服随压力P的变化而变化来实现。
对于如此大的压差以及小流量控制，如采用单级节流阀，阀口需要调节到极小缝隙，这会带来极大的不稳定因素：一是当油液中的不均匀高分子添加剂及微小杂质经过阀口时会使缝隙堵塞；二是高压油经过阀口时由于速度极高，对阀芯的冲刷磨损大、摩擦产生较高的热量，从而使得阀芯受热膨胀改变节流面积，造成流量波动大。
发明内容
本发明目的是为解决超泄压阀在超高压泄压过程中泄压阀流量不稳定而产生冲击并且使得泄压波动和泄压曲线偏差都比较大的问题，而提出了一种超高压多级变量泄压阀，解决上述问题所采取的技术方案是：
一种超高压多级变量泄压阀，其包括阀体，在阀体内部设有水平设置的密封的圆柱形空腔，在阀体的侧面上设有与圆柱形空腔相连通的进油口P和出油口O，所述进油口P与圆柱形空腔的第一连通点位于出油口O与圆柱形空腔的第二连通点的左侧，在圆柱形空腔内安装有阀芯，所述阀芯与圆柱形空腔滑动连接，所述阀芯从左至右依次分为闭合段、阻尼段和畅通段，所述闭合段为圆柱形且闭合段的直径等于圆柱形空腔的直径，所述阻尼段包括多个并列的环形槽，所述环形槽的槽壁为圆环形且槽壁的外直径等于圆柱形空腔的直径，在槽壁上设有开口，所述畅通段与圆柱形空腔内壁之间设有间隔；所述阻尼段沿阀芯轴向的长度不大于第一连通点与连通点之间沿阀芯轴向的距离，所述畅通段沿阀芯轴向的长度不小于第一连通点与第二连通点之间沿阀芯轴向的距离；所述阀芯左端固定连接有传动轴，所述传动轴的左端伸出阀体之外且传动轴与阀体滑动连接，所述传动轴的左右移动由位移控制器来控制，所述位移控制器带动传动轴的移动距离和移动速度由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化来控制。
优选的，在传动轴的左端固定连接有防止传动轴转动的防转杆，在阀体的底部设置有套环，所述防转杆包括一体成型的竖直段和水平段，所述竖直段上端与传动轴固定连接，所述水平段穿过套环之内且水平段与套环滑动连接；所述位移控制器包括轴承座、套管和丝杠，在套管的内壁上设有内螺纹，所述丝杠的右端与传动轴的左端固定连接， 丝杠的自由端与套管的右端螺纹连接，所述套管与轴承座转动连接，套管的左端固定有传动轮，所述传动轮由伺服电机提供动力转动，所述伺服电机带动传动轮的转速由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化来控制。
优选的，所述传动轴的纵截面为方形；所述位移控制器包括轴承座、套管和丝杠，在套管的内壁上设有内螺纹，所述丝杠的一端与传动轴的左端固定连接，丝杠的自由端与套管的右端螺纹连接，所述套管与轴承座转动连接，套管的左端固定有传动轮，所述传动轮由伺服电机提供动力转动，所述伺服电机带动传动轮的转速由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化来控制。
优选的，所述两个相邻槽壁上的开口沿阀芯圆周错开180°设置。
优选的，所述畅通段右端设有密封段，所述密封段为圆柱形且密封段的直径等于圆柱形空腔的直径。
优选的，所述进油口P连接有高压油管接头，在高压油管接头前端安装有用于过滤高压油中磁性滤渣的磁铁；所述高压油管接头前端安装有用于密封的球面垫圈。
优选的，在圆柱形空腔的一端设有第一出油口，在圆柱形空腔的另一端设有第二出油口，所述阀芯位于第一出油口和第二出油口之间；所述第一出油口和第二出油的油管与第二连通点的油管汇合后与出油口O连通。
本发明所具有的有益效果为：通过在阀芯上设置成与圆柱形空腔等直径的闭合段、多个并列相连通的环形槽的阻尼段、与圆柱形空腔内壁有一定间隔的畅通段，实现了对高压油的高压工作、高压泄油、低压工作等工作状态的控制，本泄压阀的液阻尼可连续调节比较方便；
依据进油口P和出油口O之间的油压差的变化由PLC对位移控制器精确控制以实现阀芯在圆柱形空腔内的精确移动从而保证了本泄压阀在超高压泄压过程中泄压流量的稳定性，满足了液压油缸压力从100Mpa泄压到10Mpa范围内的泄压波动及泄压曲线偏差都小于0.2Mpa要求。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为阀芯结构示意图；
图3为图2中阻尼段的放大结构示意图；
图4为图3中沿A-A线的剖面示意图；
图5为图3中沿B-B线的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，超高压多级变量泄压阀包括阀体8，在阀体8内部设有水平设置的具有密封性的圆柱形空腔10，在阀体8的上侧面上设有与圆柱形空腔10相连通的进油口P，在阀体8的下侧面上设有与圆柱形空腔10相连通的出油口O，所述进油口P和出油口O与圆柱形空腔10的连通点分别为连通点P1（即第一连通点）和连通点O1（即第二连通点），所述连通点P1位于连通点O1的左侧，在圆柱形空腔10内安装有用于控制高压油阻尼的阀芯9，所述阀芯9与圆柱形空腔10滑动连接；如图2所示，所述阀芯9从左至右依次分为闭合段16、阻尼段17和畅通段18，所述闭合段16为圆柱形且闭合段16的直径等于圆柱形空腔10的直径，如图3所示，所述阻尼段17包括多个并列的环形槽20，所述环形槽20的槽壁21为圆环形且槽壁21的外直径等于圆柱形空腔10的直径；如图3至图5所示，在槽壁21上均设有开口22，所述两个相邻槽壁上的开口22沿阀芯9圆周方向错开180°设置，使得多个环形槽20之间相通且能够保证较大的液阻尼，所述畅通段18与圆柱形空腔10内壁之间设有间隔，使得在此段的液阻尼最小，在畅通段18的右端设有密封段19，所述密封段19为圆柱形且密封段的直径等于圆柱形空腔10的直径；所述阻尼段17沿阀芯9轴向的长度不大于连通点P1与连通点O1之间沿阀芯9轴向的距离，所述畅通段18沿阀芯9轴向的长度不小于连通点P1与连通点O1之间沿阀芯9轴向的距离；所述阀芯9左端固定连接有传动轴14，所述传动轴14的左端伸出阀体8之外且传动轴14与阀体8滑动连接，所述传动轴14的左右移动由位移控制器来控制，所述位移控制器带动传动轴的移动距离和移动速度由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化来控制。
本实施例中，在传动轴14的左端固定连接有防止传动轴14转动的防转杆，在阀体8的底部设置有套环12，所述防转杆包括一体成型的竖直段15和水平段13，所述竖直段15上端与传动轴14固定连接，所述水平段13穿过套环12之内且水平段13与套环12滑动连接；所述位移控制器包括轴承座2、套管3和丝杠4，在套管3的内壁上设有内螺纹，所述丝杠4的右端与传动轴14的左端固定连接， 丝杠4的自由端与套管3的右端螺纹连接，所述套管3与轴承座2转动连接，套管3的左端固定有传动轮1，所述传动轮1由伺服电机提供动力转动，所述伺服电机带动传动轮1的转速由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化来控制。
防止传动轴14转动的方式不只限于设置防转杆，如将传动轴14的纵截面设置成具有菱角的多边形的方式；同时位移控制器也不只限于上述方式，如光栅位移传感器的方式。
为了防止从阀芯9两端渗漏的高压油对阀芯9两端产生压力差而带来的影响，在圆柱形空腔10的左端设有出油口T1（即第一出油口），在圆柱形空腔10的右端端设有出油口T2（即第二出油口），所述阀芯9位于出油口T1和出油口T2之间；所述出油口T1和出油口T2的油管与连通点O1的油管汇合后与出油口O连通。
本泄压阀在使用时，首先将阀芯9移动到最右端，让连通点P1位于阀芯9的闭合段16上，然后在进油口P连接上高压油管接头5，在高压油管接头5前端安装有用于过滤高压油中磁性滤渣的磁铁6，在高压油管接头5前端安装有用于密封的球面垫圈7，最后由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化对伺服电机转子的转速进行精确控制以实现对泄压阀流量Q进行连续调节。
上述阀芯阻尼段对泄压阀流量Q进行连续调节控制的原理如下：
如图3所示，当高压油进入环形槽20后，首先在环形槽20内分成两股朝相反方向流动的油路而产生流动阻尼RL，两股高速油路在槽壁21的开口处汇合后向右进入下一个环形槽20内，两股高速油路在汇合时进行碰撞及转向发生动涡流和能量损失而产生局部阻尼RD，这样具有某一定值油压的高压油每经过一个环形槽所产生的液阻尼为R= RL+ RD，当连通点P1和连通点O1之间的环形槽数为n时，总液阻尼为Rn=nR（n=N~1，N为阻尼段上环形槽的总数），将总液阻尼为Rn代入泄压阀流量Q的计算公式为
Qn = (P×C)/Rn=(P×C)/nR
由于总液阻Rn和处于P1，O1之间环形槽的数量n是正相关的，由上式可知，通过精确控制阀芯9左右的移动从而精确控制连通点P1和连通点O1之间的环形槽数n就可以精确控制压差P时的泄压阀流量Q，从而实现了对泄压阀流量Q进行连续调节控制。
同时由于在泄压过程中油压是在逐渐变小的，所以还可以通过控制连通点P1和连通点O1之间的环形槽数在n和n-1不同的停留的时间来更精准的控制泄压阀流量Q的稳定性。例如需要调节泄压阀流量Q，而Qn＜Q＜Qn-1，定义原来的调节周期为T=1，Qn的通导时间为T1，Qn-1的通导时间,1-T1，则Q×T=Qn×T1＋Qn-1×（1－T1），导出T1= (Qn-1－Q)/ (Qn-1－Qn)。
通过在阀芯9上设置成与圆柱形空腔10等直径的闭合段16、多个并列相连通的环形槽20的阻尼段17、与圆柱形空腔10内壁有一定间隔的畅通段18，实现了对高压油的高压工作、高压泄油、低压工作等工作状态的控制，本泄压阀的液阻尼可连续调节比较方便；
依据进油口P和出油口O之间的油压差的变化由PLC对位移控制器精确控制以实现阀芯9在圆柱形空腔10内的精确移动从而保证了本泄压阀在超高压泄压过程中泄压流量的稳定性，满足了液压油缸压力从100Mpa泄压到10Mpa范围内的泄压波动及泄压曲线偏差都小于0.2Mpa要求。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种超高压多级变量泄压阀，其特征在于，包括阀体，在阀体内部设有水平设置的密封的圆柱形空腔，在阀体的侧面上设有与圆柱形空腔相连通的进油口P和出油口O，所述进油口P与圆柱形空腔的第一连通点位于出油口O与圆柱形空腔的第二连通点的左侧，在圆柱形空腔内安装有阀芯，所述阀芯与圆柱形空腔滑动连接，所述阀芯从左至右依次分为闭合段、阻尼段和畅通段，所述闭合段为圆柱形且闭合段的直径等于圆柱形空腔的直径，所述阻尼段包括多个并列的环形槽，所述环形槽的槽壁为圆环形且槽壁的外直径等于圆柱形空腔的直径，在槽壁上设有开口，所述畅通段与圆柱形空腔内壁之间设有间隔；所述阻尼段沿阀芯轴向的长度不大于第一连通点与连通点之间沿阀芯轴向的距离，所述畅通段沿阀芯轴向的长度不小于第一连通点与第二连通点之间沿阀芯轴向的距离；所述阀芯左端固定连接有传动轴，所述传动轴的左端伸出阀体之外且传动轴与阀体滑动连接，所述传动轴的左右移动由位移控制器来控制，所述位移控制器带动传动轴的移动距离和移动速度由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化来控制。
2.根据权利要求1所述的超高压多级变量泄压阀，其特征在于，在传动轴的左端固定连接有防止传动轴转动的防转杆，在阀体的底部设置有套环，所述防转杆包括一体成型的竖直段和水平段，所述竖直段上端与传动轴固定连接，所述水平段穿过套环之内且水平段与套环滑动连接；所述位移控制器包括轴承座、套管和丝杠，在套管的内壁上设有内螺纹，所述丝杠的右端与传动轴的左端固定连接， 丝杠的自由端与套管的右端螺纹连接，所述套管与轴承座转动连接，套管的左端固定有传动轮，所述传动轮由伺服电机提供动力转动，所述伺服电机带动传动轮的转速由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化来控制。
3.根据权利要求1所述的超高压多级变量泄压阀，其特征在于，所述传动轴的纵截面为方形；所述位移控制器包括轴承座、套管和丝杠，在套管的内壁上设有内螺纹，所述丝杠的一端与传动轴的左端固定连接，丝杠的自由端与套管的右端螺纹连接，所述套管与轴承座转动连接，套管的左端固定有传动轮，所述传动轮由伺服电机提供动力转动，所述伺服电机带动传动轮的转速由PLC依据进油口P和出油口O之间的油压差变化来控制。
4.根据权利要求1至3任一条所述的超高压多级变量泄压阀，其特征在于，两个相邻槽壁上的开口沿阀芯圆周错开180°设置。
5.根据权利要求1至3任一条所述的超高压多级变量泄压阀，其特征在于，所述畅通段右端设有密封段，所述密封段为圆柱形且密封段的直径等于圆柱形空腔的直径。
6.根据权利要求1至3任一条所述的超高压多级变量泄压阀，其特征在于，所述进油口P连接有高压油管接头，在高压油管接头前端安装有用于过滤高压油中磁性滤渣的磁铁；所述高压油管接头前端安装有用于密封的球面垫圈。
7.根据权利要求1至3任一条所述的超高压多级变量泄压阀，其特征在于，在圆柱形空腔的一端设有第一出油口，在圆柱形空腔的另一端设有第二出油口，所述阀芯位于第一出油口和第二出油口之间；所述第一出油口和第二出油的油管与第二连通点的油管汇合后与出油口O连通。
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