CN105465086A - 用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，包括换向阀、旋转比例电磁铁以及扭转-拉扭弹性压扭联轴器；扭转-拉扭弹性压扭联轴器包括第一连接部、第二连接部、第一弹性螺旋件、第二弹性螺旋件，安装板以及反馈杆；第一连接部、第二连接部、第一弹性螺旋件、第二弹性螺旋件，安装板以及反馈杆为一体化结构。实施本发明的有益效果是：所述电液比例换向阀采用扭转-拉扭弹性压扭联轴器的结构，当旋转比例电磁铁得电时，转子的旋转运动使阀芯旋转，第一弹性螺旋件、第二弹性螺旋件以及反馈杆都将产生一定的复位扭矩，共同使第一连接部旋转回初始角度，其具有无摩擦传递、柔性好且加工装配简便等优点。

Description

用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀

技术领域

本发明涉及电液比例控制系统领域，更具体地说，涉及一种应用于盾构机的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀。

背景技术

电液比例阀是采用比例控制技术，介于开关型液压阀和电液伺服阀之间的一种液压元件。由于电液比例阀能够与电子控制装置组合，因而便于对各种输入、输出信号进行运算处理，以实现复杂的控制功能。同时，电液比例阀具有抗污染、低成本且响应速度快等优点，在工业生产中获得了广泛的应用。

现有的电液比例换向阀一般可采用直动式和导控型两种结构的设计方案。直动式电液比例换向阀由旋转比例电磁铁直接驱动阀芯运动，其结构简单，且可以在零压力下工作，但由于受旋转比例电磁铁输出推力的限制无法实现大流量控制。导控型电液比例换向阀由导阀控制主阀敏感腔的压力变化，产生较大的液压静压力驱动主阀芯运动，可以实现大流量控制，但其结构复杂。盾构依靠液压缸的推力向前推进，其前进方向和形态是靠液压缸的协调动作实现的。由于复杂的地质条件，在盾构施工过程中存在诸多不可预见的问题，为了保证隧道施工曲线的准确性和严格控制推进过程中地表的沉降，盾构推进液压系统必须能够可靠地完成工作。作为此系统的关键组成部件，推进液压阀组要具有良好的动态特性，否则会影响整个掘进过程的控制，同时，盾构机的安装位置空间有限，对电液比例换向阀的体积也有严格的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高压大流量，且体积紧凑的一种用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造了一种用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，包括换向阀与旋转比例电磁铁；所述换向阀包括阀体，以及安装在所述阀体内的阀芯；所述旋转比例电磁铁包括壳体，以及安装在所述壳体内的转子；所述电液比例换向阀还包括用于连接所述换向阀与所述旋转比例电磁铁的扭转-拉扭弹性压扭联轴器；

所述扭转-拉扭弹性压扭联轴器包括与所述阀芯固定连接的第一连接部、与所述转子固定连接的第二连接部、连接在所述第一连接部与所述第二连接部之间的第一弹性螺旋件与第二弹性螺旋件、安装板，以及多个反馈杆；所述阀芯、所述第一连接部、所述第二连接部，以及所述转子均同轴设置；所述第一连接部、所述第二连接部、所述第一弹性螺旋件、所述第二弹性螺旋件、所述安装板以及所述反馈杆为一体化结构；

所述第一连接部与所述第二连接部为外径相同的圆柱体；所述第一弹性螺旋件与所述第二弹性螺旋件的旋向相同，且所述第一弹性螺旋件与所述第二弹性螺旋件分别在所述第一连接部的同一端面上的投影相互分离；所述安装板包括固定安装在所述阀体上的板体，以及开设在所述板体中心的通孔；所述第一连接部可在所述通孔中伸缩运动；每个所述反馈杆连接在所述第一连接部的外壁与所述通孔的内壁之间；多个所述反馈杆均匀地分布在所述第一连接部的外壁上；

当所述转子旋转运动以带动所述第二连接部转动时，所述第一弹性螺旋件与所述第二弹性螺旋件产生相对扭转以带动所述第一连接部旋转运动。

在本发明所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀中，所述第一弹性螺旋件与所述第二弹性螺旋件为相同结构，且反向对称设置，其数学模型如下：

x＝φ·r

l＝ψ·r

$\mathrm{\θ}=\frac{6\mathrm{\δ}}{l^3}{x}^2-\frac{6\mathrm{\δ}}{l^2}x$

$w=\frac{2\mathrm{\δ}}{l^3}{x}^3-\frac{3\mathrm{\δ}}{l^2}{x}^2$

其中：

φ:第一弹性螺旋件或第二弹性螺旋件端面投影对应的圆心角；

r：第一弹性螺旋件或第二弹性螺旋件端面投影对应的半径；

ψ：第一弹性螺旋件或第二弹性螺旋件上任意一段螺旋体端面投影对应的圆心角；

x：圆心角φ对应的弧长；

l：圆心角ψ对应的弧长；

θ：第一弹性螺旋件、第二弹性螺旋件x处截面转过的角度；

w：第一弹性螺旋件、第二弹性螺旋件x处的挠度；

δ：第一弹性螺旋件与第二弹性螺旋件的错位距离。

在本发明所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀中，所述板体呈正方体。

在本发明所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀中，所述电液比例换向阀还包括套装在所述扭转-拉扭弹性压扭联轴器一端的外部的套筒；所述套筒的一端与所述安装板固定连接，所述套筒的另一端与所述壳体连接。

在本发明所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀中，所述套筒为方形的中空结构。

在本发明所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀中，所述反馈杆为四个。

实施本发明的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，具有以下有益效果：所述电液比例换向阀采用带反馈杆扭转-拉扭弹性压扭联轴器的结构，当旋转比例电磁铁得电，转子的旋转运动使阀芯旋转，阀芯两端压差使阀芯移动，第一弹性螺旋件与第二弹性螺旋件产生轴向错位距离将产生一定的复位扭矩，且反馈杆也将产生一定的复位扭矩，共同使第一连接部旋转回初始角度，重新达到平衡，采用带反馈杆的扭转-拉扭弹性压扭联轴器具有无摩擦传递、柔性好，动态响应好、体积小且加工装配简便等优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明较佳实施例提供的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀的内部结构示意图；

图2是图1中的A部放大图；

图3是图1所示的电液比例换向阀中的扭转-拉扭弹性压扭联轴器分别与阀芯、转子连接的结构图；

图4是图1所示的电液比例换向阀中的扭转-拉扭弹性压扭联轴器的结构图；

图5是图1所示的电液比例换向阀中的扭转-拉扭弹性压扭联轴器的局部结构图；

图6是图1所示的电液比例换向阀中的第一弹性螺旋件与所述第二弹性螺旋件的扰度简图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2、图3、图4以及图5所示，本发明的较佳实施例提供一种用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，其包括换向阀1、旋转比例电磁铁2、扭转-拉扭弹性压扭联轴器3以及套筒4。

具体地，如图1、图2以及图3所示，该换向阀1包括阀体11，以及安装在阀体11内的阀芯12。该旋转比例电磁铁2包括壳体21，以及安装在壳体21内的转子22。换向阀1与旋转比例电磁铁2均为现有技术中常见的结构，在此不再赘述。

如图3、图4、图5并参阅图1所示，该扭转-拉扭弹性压扭联轴器3用于将旋转比例电磁铁2中的转子22的旋转运动变为换向阀1中的阀芯12的转动。扭转-拉扭弹性压扭联轴器3包括第一连接部31、第二连接部32、第一弹性螺旋件33、第二弹性螺旋件34、安装板35以及反馈杆36。第一连接部31、第二连接部32、第一弹性螺旋件33、第二弹性螺旋件34、安装板35以及反馈杆36为一体化结构，其整体性结构较好，组装拆卸所述电液比例换向阀时较为简便。该实施例中，阀芯12、第一连接部31、第二连接部32，以及转子22均同轴设置。

其中，如图4、图5并参阅图1、图2所示，该第一连接部31与阀芯12固定连接，该第二连接部32与转子22固定连接，第一连接部31与第二连接部32为外径相同的圆柱体。该第一弹性螺旋件33与该第二弹性螺旋件34分别连接在第一连接部31与第二连接部32之间，也即第一弹性螺旋件33连接在第一连接部31与第二连接部32相邻的两端面，第二弹性螺旋件34同样连接在第一连接部31与第二连接部32相邻的两端面。本实施例中，第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34的旋向相同，且第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34分别在第一连接部31的同一端面上的投影相互分离，该投影为扇环形，两个投影呈轴对称设置。当转子22旋转运动以带动第二连接部32转动时，第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34产生相对扭转以带动第一连接部31旋转运动。

参阅图5、图6所示，本实施例中，优选地，第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34为相同结构，且反向对称设置，其数学模型如下：

x＝φ·r

l＝ψ·r

$\mathrm{\θ}=\frac{6\mathrm{\δ}}{l^3}{x}^2-\frac{6\mathrm{\δ}}{l^2}x$

$w=\frac{2\mathrm{\δ}}{l^3}{x}^3-\frac{3\mathrm{\δ}}{l^2}{x}^2$

其中：

φ:第一弹性螺旋件或第二弹性螺旋件端面投影对应的圆心角；

r：第一弹性螺旋件或第二弹性螺旋件端面投影对应的半径；

ψ：第一弹性螺旋件或第二弹性螺旋件上任意一段螺旋体端面投影对应的圆心角；

x：圆心角φ对应的弧长；

l：圆心角ψ对应的弧长；

θ：第一弹性螺旋件、第二弹性螺旋件x处截面转过的角度；

w：第一弹性螺旋件、第二弹性螺旋件x处的挠度；

δ：第一弹性螺旋件与第二弹性螺旋件的错位距离。

图6中，Δl为圆心角ψ对应的弧长的变化量。上述数学模型能较好的反应扭转-拉扭弹性压扭联轴器3中的第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34展开之后的扰度变化情况，使第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34的变形能更加贴合设计要求，压扭放大的效果达到最佳。

如图3、图4以及图5所示，该安装板35固定安装在阀体11上，以使得扭转-拉扭弹性压扭联轴器3固定安装在换向阀1上。本实施例中，安装板35包括呈正方体的板体351，以及开设在板体351中心的通孔352，第一连接部31可在通孔352中伸缩运动。该反馈杆36大致为直杆状结构，其连接在第一连接部31的外壁与通孔352的内壁之间。本实施例中，反馈杆36设置有多个，多个反馈杆36均匀地分布在第一连接部31的外壁上。优选地，反馈杆36设置有四个，四个反馈杆36呈十字形分布。采用该反馈杆36的结构，当第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34产生轴向错位距离时，第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34将产生一定的复位扭矩，该反馈杆36也产生一定的复位扭矩，共同使得第一连接部31旋转回初始角度，以使得扭转-拉扭弹性压扭联轴器3重新达到平衡状态。

如图1所示，该套筒4套装扭转-拉扭弹性压扭联轴器3的一端外部，套筒4的一端与安装板35固定连接，套筒4的另一端与壳体21连接。本实施例中，套筒4为方形的中空结构。采用该套筒4的结构，能够使得扭转-拉扭弹性压扭联轴器3稳固地连接在换向阀1与旋转比例电磁铁2之间。

所述电液比例换向阀的具体工作原理：如图3所示，系统压力口P，工作油口A和B，及回油压力口T。当旋转电磁铁2失电时，阀芯12在零位，高压孔121与感受通道123的交接面积，低压孔122与感受通道123的交接面积，两个交接面积相同，阀芯12左端压力为系统压力P的一半，而右端压力恒为P，但其有效面积只有阀芯12左端一半，故阀芯12处于平衡。当旋转电磁铁2得电，转子22顺时针(从图示方向由右向左看)旋转运动使第二连接部32旋转，第二弹性螺旋件34与第二连接部32为一体结构，故第二弹性螺旋件34也将顺时针(从图示方向由右向左看)旋转。由于第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34的径向刚度较大，第一弹性螺旋件33也将旋转运动。由于第一弹性螺旋件33与第一连接部31为一体结构，故第一弹性螺旋件33也将顺时针(从图示方向由右向左看)旋转带动，使阀芯12顺时针(从图示方向由右向左看)旋转；阀芯12顺时针(从图示方向由右向左看)旋转使高压孔121与感受通道123的交接面积减小，低压孔122与感受通道123的交接面积增加，阀芯12左端压力下降，两端压差使阀芯12移动，阀芯12轴向运动时，第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34产生轴向错位距离。由于第一连接部31顺时针(从图示方向由右向左看)旋转后，呈十字分布的反馈杆将有保持有一定的复位扭矩，同时，第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34产生的轴向错位距离也将产生一定的复位扭矩，在两者复位扭矩作用下，当第一弹性螺旋件33将相对第二弹性螺旋件34产生逆时针(从图示方向由右向左看)扭转，直至转回相同的角度，阀芯12重新达到平衡运动。

本实施例中，第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34之间的结构类似于DNA双螺旋结构，该双螺旋结构轴向错位距离、周向弧长和结构展开长度三者之间构成近似的直角三角形两个直角边与斜边之间的关系，显然，因螺旋结构的长度不变，当第二连接部32受转子22的作用使第一连接部31与第二连接部32错位发生变化，则必然使第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34的弧线距离发生改变，即第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34发生相对扭转，从而带动第一连接部31旋转运动，以实现将转子22的旋转运动变为阀芯12的转动。与其它电液比例换向阀相比，扭转-拉扭弹性压扭联轴器3的压扭转换过程不存在摩擦力和间隙，而且错位的距离或力放大倍数可以通过改变第一弹性螺旋件33与第二弹性螺旋件34的双螺旋结构参数加以调整。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，包括换向阀(1)与旋转比例电磁铁(2)；所述换向阀(1)包括阀体(11)，以及安装在所述阀体(11)内的阀芯(12)；所述旋转比例电磁铁(2)包括壳体(21)，以及安装在所述壳体(21)内的转子(22)；其特征在于：所述电液比例换向阀还包括用于连接所述换向阀(1)与所述旋转比例电磁铁(2)的扭转-拉扭弹性压扭联轴器(3)；

所述扭转-拉扭弹性压扭联轴器(3)包括与所述阀芯(12)固定连接的第一连接部(31)、与所述转子(22)固定连接的第二连接部(32)、连接在所述第一连接部(31)与所述第二连接部(32)之间的第一弹性螺旋件(33)与第二弹性螺旋件(34)、安装板(35)，以及多个反馈杆(36)；所述阀芯(12)、所述第一连接部(31)、所述第二连接部(32)，以及所述转子(22)均同轴设置；所述第一连接部(31)、所述第二连接部(32)、所述第一弹性螺旋件(33)、所述第二弹性螺旋件(34)、所述安装板(35)以及所述反馈杆(36)为一体化结构；

所述第一连接部(31)与所述第二连接部(32)为外径相同的圆柱体；所述第一弹性螺旋件(33)与所述第二弹性螺旋件(34)的旋向相同，且所述第一弹性螺旋件(33)与所述第二弹性螺旋件(34)分别在所述第一连接部(31)的同一端面上的投影相互分离；所述安装板(35)包括固定安装在所述阀体(11)上的板体(351)，以及开设在所述板体(351)中心的通孔(352)；所述第一连接部(31)可在所述通孔(352)中伸缩运动；每个所述反馈杆(36)连接在所述第一连接部(31)的外壁与所述通孔(352)的内壁之间；多个所述反馈杆(36)均匀地分布在所述第一连接部(31)的外壁上；

当所述转子(22)旋转运动以带动所述第二连接部(32)转动时，所述第一弹性螺旋件(33)与所述第二弹性螺旋件(34)产生相对扭转以带动所述第一连接部(31)旋转运动。

2.根据权利要求1所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，其特征在于：所述第一弹性螺旋件(33)与所述第二弹性螺旋件(34)为相同结构，且反向对称设置，其数学模型如下：

x＝φ·r

l＝ψ·r

$\mathrm{\θ}=\frac{6\mathrm{\δ}}{l^3}{x}^2-\frac{6\mathrm{\δ}}{l^2}x$

$w=\frac{2\mathrm{\δ}}{l^3}{x}^3-\frac{3\mathrm{\δ}}{l^2}{x}^2$

其中：

φ:第一弹性螺旋件或第二弹性螺旋件端面投影对应的圆心角；

r：第一弹性螺旋件或第二弹性螺旋件端面投影对应的半径；

ψ：第一弹性螺旋件或第二弹性螺旋件上任意一段螺旋体端面投影对应的圆心角；

x：圆心角φ对应的弧长；

l：圆心角ψ对应的弧长；

θ：第一弹性螺旋件、第二弹性螺旋件x处截面转过的角度；

w：第一弹性螺旋件、第二弹性螺旋件x处的挠度；

δ：第一弹性螺旋件与第二弹性螺旋件的错位距离。

3.根据权利要求1所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，其特征在于：所述板体(351)呈正方体。

4.根据权利要求1所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，其特征在于：所述电液比例换向阀还包括套装在所述扭转-拉扭弹性压扭联轴器(3)一端的外部的套筒(4)；所述套筒(4)的一端与所述安装板(35)固定连接，所述套筒(4)的另一端与所述壳体(21)连接。

5.根据权利要求4所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，其特征在于：所述套筒(4)为方形的中空结构。

6.根据权利要求1～5任一项所述的用于软土盾构机的力反馈型电液比例换向阀，其特征在于：所述反馈杆(36)为四个。