CN105659012A - 液压伺服阀的改进 - Google Patents

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Abstract

一种伺服阀，具有先导级(100)，所述先导级(100)具有致动先导级阀芯(196)的压电元件(150)，其中所述先导级阀芯包括到达主级的输出控制流体管线。

Description

液压伺服阀的改进
技术领域
本发明涉及液压伺服阀。更具体地，本发明涉及由压电元件致动的，适用于包括但不限于航空航天、赛车运动和工业过程控制的多种行业的液压伺服阀。
背景技术
伺服阀用于把相对较低的能量输入信号(通常为量级不到1瓦特的电气控制信号)放大为高能液压输出(处于数千瓦特以上的量级)。多种类型的液压伺服阀是现有技术中已知的——例如偏转射流型、射流管型和喷嘴挡板型。上述各种类型的液压伺服阀都通过使用具有低能量输入的先导级在阀芯的任意一端产生差动压力(即“主级”)来工作。在许多已知的应用中，试点阶段由电磁驱动的电枢来控制，所述电枢的运动会移动小型的导流器、挡板或射流管，接下来这些部件控制通过阀芯的差动压力。所述阀芯控制高压工作流体的流动。伺服阀通常包括一些种类的从主级到先导级的机械或电子反馈系统。例如，反馈线可以从阀芯延伸到电枢，用于提供与电磁力相反的转矩。
如上所述，先导级的致动传统上涉及电磁转矩马达的使用。近期，压电致动也已经开始出现，这提供了复杂性较低且较为廉价的用于移动先导级的挡板或导流器的方法。
已知的伺服阀类型，特别是偏转射流型、射流管型和喷嘴挡板型，在其阀门处于非活动的或零位的状态时具有固有的静态流动。在各个类型的阀门中，高能液压流体的一定比例在未被使用的情况下被输送到泄液口。这种情况是不理想的，因为流体中的能量没有被利用——因此阀门损失了一些效率。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有被减少的静态流动的伺服阀。
根据本发明的第一个方面，提供一种伺服阀，其包括：
先导级，其包括用于致动先导级阀芯的电气致动器，所述先导级阀芯包括输出控制流体管线；
主级，其包括用于影响工作流体的流量的主级流体阀；
其中所述先导级阀芯的所述输出控制流体管线用于驱动所述主级流体阀影响所述工作流体的流量。
较佳地，使用电气致动器驱动先导级阀芯是高效的和可靠的，并且允许先导级在零位具有非常低的静态流动(也就是说，当阀口被关闭时，不存在通过主级的差动压力)。
优选地，所述电气致动器包括压电元件。优选地，所述先导级阀芯具有先导级阀芯轴线，并且被设置成被所述压电元件沿着所述先导级阀芯轴线驱动。运动可以通过平行于所述先导阀芯轴线延伸的主轴产生。优选地，所述主轴在使用中是可变形的。较佳地，在消除所述压电元件中的任何超出轴线的运动(否则其可能堵塞阀门)时，这样的主轴可以传递轴向的力。所述主轴可以是套筒轴，其用于传递轴向的力，但是也允许在其他自由度上的相对运动。
优选地，所述压电元件为基本上呈平面状的扁平元件，例如“环形折弯件”。优选地，所述压电元件垂直于所述先导级阀芯的轴线。当电流被施加在其上(或从其上移除)时，这样的压电元件的运动会超出平面之外，因而提供了与平面正交的位移。这样就形成了轴向上的紧密布置。
优选地，所述先导级阀芯被连接到所述压电元件的中心，这样就提供了最大的位移。
所述压电元件可以是任何合适的形状，例如多边形，但是优选为具有弯曲的边缘，并且可以是椭圆形的或优选为圆形的。较佳地，这样减少了压电材料中的应力集中来源。
优选地，所述压电元件在其中心开设有开口，所述先导级阀芯通过容纳在所述开口中的阀芯适配器被连接到所述压电元件。优选地，所述阀芯适配器例如利用螺母夹持所述压电元件。这样就允许了所述阀芯和所述压电元件之间的直接连接。
优选地，所述阀芯设置在所述压电元件的第一侧，所述主轴穿过所述开口延伸，在所述压电元件的第二侧与所述适配器连接。如果使用了有弹性的连接轴，则这样是特别有利的，因为这样允许装配变得紧凑，但是如果有需要，也能提供轴向的空间供所述主轴变形。
优选地，所述伺服阀包括壳体，其中所述压电元件的外围部分被夹持在所述壳体中。更加优选地，所述壳体包括有弹性的夹持结构，用于允许所述压电元件的外围部分的形变和/或移动。这样就防止了应力积聚在所述压电元件中，并且在将应力维持在较低水平时允许所述压电元件变形——这样就延长了可靠性和使用寿命。
优选地，所述壳体包括被弹性元件推动到与所述压电元件接触的夹持环。所述弹性元件可以是被设置成产生具有10-100牛顿的量级的夹持力的弹簧。
优选地，所述压电元件的外围部分被两个不导电元件夹持在所述壳体内。较佳地，这样防止了压电材料中的电流被传导到所述壳体。
优选地，所述压电材料的外围部分被相对的具有小于1毫米的径向宽度的凸筋夹持在所述壳体内。这样就在不产生作为充分约束的边界条件的结果的高应力的情况下允许所述压电元件变形。所述凸筋允许位于所述压电元件外围部分的“枢转”。
优选地，所述主级流体阀为主阀芯，其中所述先导级阀芯用于控制所述主阀芯的一端或两端的压力。
附图说明
现在将结合下面的附图说明根据本发明提供的示例性的伺服阀先导级。
图1是根据本发明提供的第一种伺服阀先导级的纵向截面示意图；
图2是图1所示的伺服阀先导级的纵向截面示意图的分解图；
图3是图1所示的伺服阀先导级的套管的细节示意图；
图4是图1所示的伺服阀先导级的壳体的细节示意图；
图5是图1所示的伺服阀先导级的顶盖的细节示意图；
图6是图1所示的伺服阀先导级的阀芯的细节示意图；
图7是图1所示的伺服阀先导级的夹持环的细节示意图；
图8是图1所示的伺服阀先导级的阀芯适配器的细节示意图；
图9是包含有图1所示的先导级的伺服阀的液压回路示意图；
图10是根据本发明提供的第二种伺服阀先导级的纵向截面示意图；以及
图11是图10所示的伺服阀先导级的纵向截面的部分放大示意图。
具体实施方式
请参阅图1，其中示出了根据本发明提供的一种伺服阀先导级100。所述先导级100具有主轴线X。
所述先导级100包括结构大致为圆柱体的壳体102(其也被示出在图4中)，其具有端壁104和从端壁104延伸出去的圆柱形侧壁106。所述端壁104具有形成在其上的中心轴孔108，所述中心轴孔108与所述主轴线X同轴。在其与所述端壁104相对的一端，所述外壳102是开放的，从而形成母螺纹区域110。在所述侧壁106的内表面上设有第一环状凸肩112。所述凸肩112设有从其上凸出并形成环状接触区域141的凸筋139。围绕着所述中心轴孔108，在所述端壁104的与所述侧壁106相反的另一侧上，还设有外部O型密封圈114，用于将所述壳体102相对于主级组件(图未示)密封。
所述顶盖116(其也被示出在图5中)被设置成大致呈圆柱体的形状，具有设有圆形开孔120的端壁118和六边形的外部轮廓121。所述顶盖116设有侧壁122，所述侧壁122从所述端壁118上延伸出去，并且大致为空心圆柱形。所述侧壁122在其接近所述端壁118的外表面上设有公螺纹124。一O型圈容置槽126被设置在接近所述侧壁122的环形端部表面128的位置。所述环形端部表面128在其内表面上开设有夹持环凹槽130。
所述先导级100还设有电气连接器132，其形状大致为圆柱体，且具有公连接部134和凸肩136。所述电气连接器132具有贯穿其内部延伸的通孔138。电气引脚被用于提供密封屏障的玻璃珠封装。一O型圈被装设在邻近所述凸肩136的凹槽中，用于在环绕环形折弯件150的空腔中保持流体的低压状态。
所述先导级100还设有夹持环140(其被具体示出在图7中)，所述夹持环140的形状也大致为圆形圈环状。所述夹持环140包括三个分离槽142、144、146，所述第一分离槽142和第二分离槽144的角位置相隔90度，所述第二分离槽144和第三分离槽146的角位置也相隔90度，从而使得所述第三分离槽146和第一分离槽142的角位置相隔180度。所述夹持环140设有逐渐变细的区域，从而形成相对于所述夹持环140的主体部分具有较小的径向厚度的环形端面148。
所述先导级100还设有压电折弯件150，其为具有中心孔152和外围部分153的圆形扁平压电元件。所述折弯件150的直径大约为30毫米，其中心孔152的直径大约为6毫米，其厚度大约为0.7毫米。所述折弯件150在其未通电的状态下是平坦的，同时也可以呈现出如图2中的虚线所示的变形形状。
所述先导级100还设有阀芯适配器154，其被具体示出在图8中。所述阀芯适配器154包括凸缘156，所述凸缘156具有端面158和与端面158相对的环形凸肩160。从所述凸肩160上延伸出去设有螺纹轴162，所述螺纹轴162具有开设在其上的公螺纹。所述阀芯适配器154还包括与所述公螺纹轴162同轴的开放螺纹孔164。
所述先导级100还设有阀芯适配器螺母166，所述阀芯适配器螺母166具有母螺纹孔168。所述先导级100还设有阀芯反弹适配器锁止螺母170，所述阀芯反弹适配器锁止螺母170具有母螺纹孔172。
所述先导级100还设有套管174，所述套管174的形状大致为圆柱体，这可以在图3中详细看出。所述套管174具有贯通其内部延伸的内部开孔176。另外，所述套管174开设有四个径向延伸的流通通道170、180、182(只有这三个流通通道是图中可见的)，所述四个流通通道与所述内部开孔176连通。所述套管174用于与阀芯配合工作(如同将要在下面描述的那样)，用作4/3方向控制阀(四个端口，三种状态)。
所述套管174在其外表面上位于所述流通通道170、180、182中任意两个之间的位置设有多个环形区域184、186、188、190。在所述套管174轴向上的一端设有螺纹轴192。
所述先导级100还包括如图6中具体所示的阀芯组件194。所述阀芯组件194包括大致为圆柱形的阀芯主体196，所述阀芯主体196具有邻近其第一端部设置的第一环形区域198和邻近其相对的第二端部设置的第二环形区域200。所述阀芯主体196相对较小(其直径级别为3.8毫米)。所述阀芯主体196具有和通气孔204连通的中心孔202，所述中心孔202开口于接近所述第一环形区域198的一端上。从所述阀芯主体196接近所述第二环形区域200的一端延伸设置有套筒轴206，所述套筒轴206是延长的、柔性的细轴，其末端为螺纹头208。
所述先导级100的组装方式如下所述，特别地，请参考图1及图2。
如图2所示，所述套管174被插入所述壳体102的中心轴孔108。通过把螺母从所述壳体侧壁104的相反一侧拧到所述公螺纹轴192上并与之紧密接合，所述套管174被固定到所述壳体102上。所述螺母在附图中是不可见的，但是应该可以理解，所述螺母的作用是将所述套管174连接到所述壳体102上。
请转到图2的右侧，所述环形折弯件150被与所述阀芯适配器154的螺纹轴162紧密接合，使其与凸肩160抵接。然后所述阀芯适配器螺母166被拧到所述螺纹轴162上，使得所述环形折弯件150被夹持在所述螺母166和所述适配器154之间。继而所述阀芯组件194的套筒轴206被与所述适配器154紧密结合，使得所述螺纹头208与所述阀芯适配器154的母螺纹164啮合。所述阀芯组件194在其零位状态时的位置可以通过将所述阀芯组件194在所述适配器154中旋转(这将会导致轴向上的调整)来校准。如同图1和图2中可见的那样，所述螺纹头208从所述适配器154的端部凸出，所述阀芯反弹锁止螺母170被固定在所述螺纹头208上，并相对于所述适配器154拧紧，以便消除所述螺纹头208和所述适配器154的相互配合的螺纹之间的任何反弹。所述锁止螺母170还会防止所述螺纹轴162从所述适配器154上松脱，这种松脱情况可能改变所述阀芯组件194的液压零位。
之后，所述环形折弯件150、阀芯适配器154、螺母166、阀芯组件194、以及反弹锁止螺母170组成的组合件被放置到所述壳体102中，使得所述阀芯主体196被安放在所述套管174的孔里，从而组成4/3方向控制阀。所述环形折弯件150的外围部分153抵接所述凸筋139的环形端面141。而后所述夹持环140被插入并安放在所述环形折弯件150的与所述凸筋139相对的一侧。一环形波状弹簧(图中不可见)也被插入并抵持所述第二夹持环141，在这之后，所述顶盖116被拧到所述壳体102的母螺纹110中，从而在所述波状弹簧的弹力作用下将所述环形折弯件150夹持在所述凸筋139和所述第二夹持环141之间，以将所述环形折弯件150固持在最接近其外围部分的位置。所述波状弹簧的夹持力处于9-12磅(40-53牛顿)的范围内。所述凸筋130和所述夹持环140也会在旋转到一定程度时锁定所述环形折弯件150(因为有摩擦力)，并且不会允许围绕所述轴线X的旋转(这种旋转可能在使用中造成阀芯旋转)。
之后，所述电气连接器132被连接到所述顶盖116的开孔120中。
在工作时，如果控制者希望操作所述先导级阀芯组件194，则一电压被施加到所述环形折弯件150上。所述电压导致所述环形折弯件150变形，从而呈现出如图2中的虚线所示的形状中的一种；在发生所述变形的期间，所述适配器154被沿着所述轴线X轴向地移动。而后所述阀芯主体196轴向移动，从而控制流入和流出形成在所述套管174上的端口的流量。所述阀芯组件194的移动是完全成比例的——也就是说，它可以采用连续的位置变化区间来改变通过所述套管174的流量。
请转到图9，一种伺服阀10的示意性的系统方框图被示出，其中包括如上所述的先导级100。
所述伺服阀10还包括主级12，所述主级12包括主级阀芯组件14。所述主级阀芯组件14包括阀芯主体16，所述阀芯主体16被施加在其任意一端的差动压力沿着主级轴线M致动。
所述伺服阀10还包括供应端口300和返回端口302，用于分别连接压力源(压力为3000或5000psi压力单位，相当于20.7Mpa或34.5Mpa)和泄液口。
所述供应端口300与(i)所述套管174中的第一阀口304，以及(ii)所述主级阀芯组件14中的第一阀口306流体连通。相似地，所述返回端口302与(i)所述套管174中的第二阀口308，以及(ii)所述主级阀芯组件14中的第二阀口310流体连通。
所述套管174中的第三阀口312和所述阀芯主体16的第一端部314流体连通。所述套管174中的第四阀口316和所述阀芯主体16的第二端部318流体连通。
所述主级阀芯主体16的第三和第四端部320、322与致动器流体连通，或者以和上面类似的方式建立流体连通(这两个端部是控制端口)。
在使用中，所述环形折弯件150可以在图示的三种情况之间移动所述先导级阀芯主体196，所述三种情况为：
(i)第一端口304与第三端口312连通，第二端口308与第四端口316连通。
(ii)没有流动。
(iii)第一端口304与第四端口316连通，第二端口308与第三端口312连通。
如上所述，在情况(i)中，来自所述压力源300的压力被施加到所述阀芯主体16的第一端部314。由于第二端部318被连接到返回端口312，所述阀芯主体16向右移动，从而把来自压力源300的压力通过端口306提供到端口320。相似地，所述返回端口302被通过端口308连接到端口322。
在情况(ii)中，所述阀芯组件16两侧的压力是相等的。
在情况(iii)中，来自所述压力源300的压力被施加到所述阀芯主体16的第二端部318。由于第一端部314被连接到返回端口302，所述阀芯主体16向左移动，从而把来自所述压力源300的压力通过端口308提供到端口322。相似地，所述返回端口302被通过端口306连接到端口320。
由于所述环形折弯件150可以根据电气上的输入电压在不同程度上被改变形状，所述阀芯主体196可以根据需要在所述情况(i)和(iii)中改变流动速率。
所述阀芯主体16显著的大于所述阀芯主体196，这样它就不可能被所述环形折弯件150单独地移动。因此，如上所述的结构允许采用较小的环形折弯件150，其仅需要较少的电能输入来控制流经主级12的巨大流量。
请转到图10及图11，其中示出了第二种伺服阀先导级400，其在多数方面与上述先导级100相似。所述先导级400的结构和工作方式也大部分与所述先导级100相同，但存在以下区别。
所述先导级400的壳体402包括端壁404和圆柱形的侧壁406。一第一环形端部挡板412从所述端壁404上凸出。
所述先导级400还设有第一夹持环410，所述第一夹持环410具有位于其第一侧边的第二环形端部挡板414，以及位于其第二侧边的环形的环状折弯件护罩416。所述先导级400还设有环形凸筋418，所述环形凸筋418与所述护罩416同轴设置，且设于所述护罩416的径向上的内侧。
一压缩弹簧408被设置在所述端壁404的内侧和所述第一夹持环410之间。所述环形端部挡板412、414的接触在所述壳体402和所述第一夹持环410之间限制所述弹簧408的压缩。
所述先导级400还设有第二夹持环420，所述第二夹持环420被顶盖403(其与所述顶盖116相似)固定在预定位置。所述第二夹持环420为空心圆柱形，具有开设有多个径向开口424的侧壁422、以及端壁426。所述第二夹持环420在所述侧壁422的与所述端壁426相反的环形端部设有环形凸筋428。
所述凸筋418、416具有相同的直径，并且设有径向宽度为0.15毫米的“钝刀刃”。
所述先导级400还设有压电元件，其形式为环形折弯件430，与上述环形折弯件150相似；在使用中，其被夹持在所述夹持环410、420各自的凸筋418、426之间。由所述凸筋418、426提供的环状线形接触允许所述环形折弯件430在不产生明显拉伸的情况下变形。所述弹簧408对所述环形折弯件430上提供9-12lbf(40-53牛顿)的夹持力。
本发明可以用多种不同的先导级和主级阀芯容量予以实现。所述先导级阀芯的长度可以是18毫米，直径可以是3.8毫米。所述先导级的传统的等效孔口直径(EquivalentOrificeDiameter,EOD)的量级可以是0.254毫米，流动速率大约为6.56×10-6立方米/秒。
在同样的伺服阀中，所述主级阀芯的长度可以是56毫米，直径可以是8.3毫米。所述主级的传统的EOD的量级可以是3.3毫米，流动速率大约为1.31×10-3立方米/秒
上述的先导级相对于主级的流量比约为1:200。一般来说，所述先导级相对于所述主级的流量比的量级为1:10到1:400，虽然1:20到1:200是最佳的。
其他等效变化也都落入本发明的保护范围内。
除了所述压电元件150，所述先导级阀芯主体196也可以被线性电动机，或者任何仅需要较少的输入功率的电气驱动致动器来驱动。
除了用一对相对较硬的夹持环和弹簧来夹持外，所述环形折弯件150也可以用一对柔软的有弹性的环来夹持，这样将使用较少的元件来提供所需的夹持力和形变。

Claims (20)

1.一种伺服阀，其特征在于，所述伺服阀包括：
先导级，其包括用于致动先导级阀芯的电气致动器，所述先导级阀芯包括输出控制流体管线；
主级，其包括用于影响工作流体的流量的主级流体阀；
其中所述先导级阀芯的所述输出控制流体管线用于驱动所述主级流体阀影响所述工作流体的流量。
2.如权利要求1所述的伺服阀，其特征在于：所述电气致动器包括压电元件。
3.如权利要求2所述的伺服阀，其特征在于：所述压电元件为基本上呈平面状的扁平元件。
4.如权利要求3所述的伺服阀，其特征在于：所述压电元件垂直于所述先导级阀芯的轴线。
5.如权利要求4所述的伺服阀，其特征在于：所述先导级阀芯被连接到所述压电元件的中心。
6.如权利要求3-5中任意一项所述的伺服阀，其特征在于：所述压电元件是圆形的。
7.如权利要求3-6中任意一项所述的伺服阀，其特征在于：所述压电元件在其中心开设有开口。
8.如权利要求7所述的伺服阀，其特征在于：所述先导级阀芯被通过容纳在所述开口内的阀芯适配器连接到所述压电元件。
9.如权利要求8所述的伺服阀，其特征在于：所述阀芯适配器夹持所述压电元件。
10.如前述权利要求中任意一项所述的伺服阀，其特征在于：所述先导级阀芯具有先导级阀芯轴线，并且被设置成被所述电气致动器沿着所述先导级阀芯轴线驱动。
11.如权利要求10所述的伺服阀，其特征在于：所述先导级阀芯被平行于所述先导级阀芯轴线延伸的轴连接到所述电气致动器。
12.如权利要求11所述的伺服阀，其特征在于：所述轴是在使用中可变形的。
13.如权利要求12所述的伺服阀，其特征在于：所述阀芯被设置在所述压电元件的第一侧，所述轴穿过所述开口延伸，在所述压电元件的第二侧与所述适配器连接。
14.如权利要求2-13中任意一项所述的伺服阀，其特征在于：所述伺服阀还包括壳体，所述压电元件的外围部分被夹持在所述壳体内。
15.如权利要求14所述的伺服阀，其特征在于：所述壳体包括用于允许所述压电元件的外围部分的形变和/或移动的有弹性的夹持结构。
16.如权利要求15所述的伺服阀，其特征在于：所述壳体包括被弹性元件推动到与所述压电元件接触的夹持环。
17.如权利要求14-16中任意一项所述的伺服阀，其特征在于：所述压电元件的外围部分被两个不导电元件夹持在所述壳体内。
18.如权利要求14-17中任意一项所述的伺服阀，其特征在于：所述压电材料的外围部分被相对的具有小于1毫米的径向宽度的凸筋夹持在所述壳体内。
19.如前述权利要求中任意一项所述的伺服阀，其特征在于：所述主级流体阀为主阀芯，所述先导级阀芯用于控制所述主阀芯的一端或两端的压力。
20.实质上参考或根据附图在此所描述的伺服阀。
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