CN106438544B - 一种微位移驱动开关阀 - Google Patents

一种微位移驱动开关阀 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微位移驱动开关阀，包括微位移驱动器、微位移放大机构、开关阀阀芯组件和阀体基座；微位移放大机构采用由三个滚珠与两个三角斜面组合的三角放大原理对微位移驱动器输出的微位移进行放大；开关阀阀芯组件采用上下阀芯等径分离结构平衡液压力及方便阀芯的装配；阀体基座将微位移驱动器安装空间、微位移放大机构安装空间、开关阀阀芯组件安装空间整合为一体。采用滚珠三角放大原理设计的微位移放大器，可将位移从微米级放大为毫米级，其结构简结，易于实现；为减少驱动的阻力，开关阀芯采用等径分离结构，作用于阀芯轴向的液压力大幅减少，且便于装配；阀体基座将微位移驱动部分、位移放大部分、开关阀套部分设计为一体，结构紧凑。

Description

一种微位移驱动开关阀
技术领域
本发明属于液压元器件领域，涉及一种微位移驱动开关阀。
背景技术
数字液压以其具有可靠性高、效率高、控制性能好、具有冗余回路、耗能低等优点，使其成为液压技术的发展趋势。高速开关阀是数字液压中的关键部件，常用的常采用微型电磁铁作为其电-机械转换器，芬兰坦佩雷理工大学为数字液压阀块研制的高速开关阀是这一原理的代表。为近一步提高开关阀的开关速度，新型的驱动材料(压电材料、磁致伸缩材料)被应用于电-机械转换器中，介这些材料的直接驱动位移在微米级，其必需经过位移放大才能就应用于阀的电-机械转换器中。
常用的位移放大机构原理有：杠杆位移放大、液压位移放大、三角原理位移放大。杠杆位移放大机构通常采用多级杠杆进行放大，其机构存在加工作难度大与参数确定较复杂等缺点；液压位移放大机构，虽然结构简单，但需要较好的密封设计，存在液体泄露影响位移放大等缺点。三角原理由于机构设计不巧妙，会存在放大倍数不够的问题。
新型的微位移驱动材料经过位移放大机构放大后，存在驱动力减少的问题。对于开关阀常用的锥阀结构，当阀芯结构设计不合理时，由于驱动力减少，很容易造成阀芯驱动力不足的问题，影响开关阀的功能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微位移驱动开关阀。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种微位移驱动开关阀，包括微位移驱动器、微位移放大机构、开关阀阀芯组件和阀体基座；微位移放大机构采用由三个滚珠与两个三角斜面组合的三角放大原理对微位移驱动器输出的微位移进行放大；开关阀阀芯组件采用上下阀芯等径分离结构平衡液压力及方便阀芯的装配；阀体基座将微位移驱动器安装空间、微位移放大机构安装空间、开关阀阀芯组件安装空间整合为一体。
进一步地，所述微位移驱动器包括下部固定微调螺钉、下部垫块、微位移驱动元件；下部固定微调螺钉通过螺纹方式安装在阀体基座底部螺纹孔中，下部垫块安装在下部固定微调螺钉端面与微位移驱动元件之间，以使下部固定微调螺钉推力均匀作用在微位移驱动元件端面；微位移驱动元件的另一端与微位移放大机构底面接触，推动微位移放大机构在阀体基座中移动。
进一步地，所述微位移放大机构包括微位移驱动过渡块、第一侧边滚珠、中间滚珠、第二侧边滚珠、放大端驱动杆、下预紧蝶形弹簧、上预紧蝶形弹簧、预紧块、微位移放大机构预紧螺钉；微位移驱动过渡块底面与微位移驱动元件接触，其上表面分与第一侧边滚珠、中间滚珠、第二侧边滚珠接触；其中微位移驱动过渡块与第一侧边滚珠、第二侧边滚珠接触的表面处于同一平面，与中间滚珠接触表面略高于这一平面，高出距离为滚珠直径的1％；第一侧边滚珠、第二侧边滚珠分别与阀体基座的两个三角斜面接触，三角斜面倾斜角度在45°～60°之间；中间滚珠与第一侧边滚珠、第二侧边滚珠相切接触，同时中间滚珠顶端与放大端驱动杆底面接触，以推动放大端驱动杆；微位移驱动过渡块、第一侧边滚珠、中间滚珠、第二侧边滚珠、阀体基座的两个三角斜面的接触装配关系，构成微位移放大机构的三角放大原理，可以将微位移驱动元件的微米级位移放大为放大端驱动杆的毫米级位移输出；下预紧蝶形弹簧与上预紧蝶形弹簧安装在放大端驱动杆与预紧块之间；预紧块顶面与微位移放大机构预紧螺钉接触，通过微位移放大机构预紧螺钉的旋进推动预紧块，进而压缩下预紧蝶形弹簧、上预紧蝶形弹簧，调整预紧力，从而微调微位移驱动过渡块、第一侧边滚珠、中间滚珠、第二侧边滚珠、阀体基座的两个三角斜面的接触关系，保证三角放大原理的实现；预紧力通过微位移放大机构传递给微位移驱动器以满足微位移驱动元件的工作要求。
进一步地，假设中间滚珠、第一侧边滚珠、第二侧边滚珠的半径都为R；微位移驱动过渡块与中间滚珠接触面高于与第一侧边滚珠、第二侧边滚珠接触面的距离为d；阀体基座的两个三角斜面的倾斜角度为θ；微位移驱动元件的位移为xp；放大端驱动杆放大后的位移为xm则有如公式(1)的关系式；微位移放大机构的放大倍数K＝xp/xm；
进一步地，所述的开关阀阀芯组件包括下阀芯、上阀芯、下阀芯预紧蝶形弹簧、上阀芯预紧蝶形弹簧、阀芯预紧螺钉；下阀芯为中空结构，其与上阀芯采用紧配合方式组成整体阀芯，安装于阀体基座的阀套内；放大端驱动杆与下阀芯端面接触，推动阀芯运动；阀芯预紧螺钉安装在阀体基座顶部螺纹孔中，下阀芯预紧蝶形弹簧与上阀芯预紧蝶形弹簧安装在阀芯预紧螺钉端面与上阀芯端面之间；阀芯预紧螺钉可以旋进微调下阀芯预紧蝶形弹簧、上阀芯预紧蝶形弹簧，并向下阀芯、上阀芯施加预紧力，使上阀芯锥面与阀体基座的阀口锥面配合，开关阀处于初始关闭状态。
进一步地，所述阀体基座分为三段成一体化结构，其三段为微位移驱动器安装空间、微位移放大机构安装空间，开关阀阀芯组件安装空间；阀体基座其它附件还包括、上盖板、下盖板、上盖板螺钉、下盖板螺钉；上盖板通过上盖板螺钉固定在阀体基座上，下盖板通过下盖板螺钉固定在阀体基座上。
本发明的有益效果是：采用滚珠三角放大原理设计了微位移放大器，可将位移从微米级放大为毫米级，其结构简结，易于实现；为减少驱动的阻力，开关阀芯采用等径分离结构，作用于阀芯轴向的液压力大幅减少，且便于装配；阀体基座将微位移驱动部分、位移放大部分、开关阀套部分设计为一体，结构紧凑。
附图说明
图1是微位移驱动开关阀结构示意图；
图2是微位移驱动开关阀结构爆炸图；
图3是微位移驱动开关阀的微位移放大器机构局部示意图；
图4是微位移驱动开关阀的阀芯阀套部分结构示意图；
图5是微位移驱动开关阀的阀体基座部分示意图；
图中：1、微位移驱动器；1.1、下部固定微调螺钉；1.2、下部垫块；1.3、微位移驱动元件；2、微位移放大机构；2.1、微位移驱动过渡块；2.2、侧边滚珠1；2.3、中间滚珠；2.4、侧边滚珠2；2.5、放大端驱动杆；2.6、下预紧蝶形弹簧；2.7、上预紧蝶形弹簧；2.8、预紧块；2.9、微位移放大机构预紧螺钉；3、开关阀阀芯组件；3.1、下阀芯；3.2、上阀芯；3.3、下阀芯预紧蝶形弹簧；3.4、上阀芯预紧蝶形弹簧；3.5、阀芯预紧螺钉；4、阀体基座；4.1、上盖板；4.2、下盖板；4.3、上盖板螺钉；4.4、下盖板螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1-5所示，本发明提供的一种微位移驱动开关阀，包括微位移驱动器1、微位移放大机构2、开关阀阀芯组件3和阀体基座4；微位移放大机构2采用由三个滚珠与两个三角斜面组合的三角放大原理对微位移驱动器1输出的微位移进行放大；开关阀阀芯组件3采用上下阀芯等径分离结构平衡液压力及方便阀芯的装配；阀体基座4将微位移驱动器1安装空间、微位移放大机构2安装空间、开关阀阀芯组件3安装空间整合为一体。
所述微位移驱动器1包括下部固定微调螺钉1.1、下部垫块1.2、微位移驱动元件1.3；下部固定微调螺钉1.1通过螺纹方式安装在阀体基座4底部螺纹孔中，下部垫块1.2安装在下部固定微调螺钉1.1端面与微位移驱动元件1.3之间，以使下部固定微调螺钉1.1推力均匀作用在微位移驱动元件1.3端面；微位移驱动元件1.3的另一端与微位移放大机构2底面接触，推动微位移放大机构2在阀体基座4中移动。
所述微位移放大机构2包括微位移驱动过渡块2.1、第一侧边滚珠2.2、中间滚珠2.3、第二侧边滚珠2.4、放大端驱动杆2.5、下预紧蝶形弹簧2.6、上预紧蝶形弹簧2.7、预紧块2.8、微位移放大机构预紧螺钉2.9；微位移驱动过渡块2.1底面与微位移驱动元件1.3接触，其上表面分与第一侧边滚珠2.2、中间滚珠2.3、第二侧边滚珠2.4接触；其中微位移驱动过渡块2.1与第一侧边滚珠2.2、第二侧边滚珠2.4接触的表面处于同一平面，与中间滚珠2.3接触表面略高于这一平面，高出距离为滚珠直径的1％；第一侧边滚珠2.2、第二侧边滚珠2.4分别与阀体基座4的两个三角斜面接触，三角斜面倾斜角度在45°～60°之间；中间滚珠2.3与第一侧边滚珠2.2、第二侧边滚珠2.4相切接触，同时中间滚珠2.3顶端与放大端驱动杆2.5底面接触，以推动放大端驱动杆2.5；微位移驱动过渡块2.1、第一侧边滚珠2.2、中间滚珠2.3、第二侧边滚珠2.4、阀体基座4的两个三角斜面的接触装配关系，构成微位移放大机构2的三角放大原理，可以将微位移驱动元件1.3的微米级位移放大为放大端驱动杆2.5的毫米级位移输出；下预紧蝶形弹簧2.6与上预紧蝶形弹簧2.7安装在放大端驱动杆2.5与预紧块2.8之间；预紧块2.8顶面与微位移放大机构预紧螺钉2.9接触，通过微位移放大机构预紧螺钉2.9的旋进推动预紧块2.8，进而压缩下预紧蝶形弹簧2.6、上预紧蝶形弹簧2.7，调整预紧力，从而微调微位移驱动过渡块2.1、第一侧边滚珠2.2、中间滚珠2.3、第二侧边滚珠2.4、阀体基座4的两个三角斜面的接触关系，保证三角放大原理的实现；预紧力通过微位移放大机构2传递给微位移驱动器1以满足微位移驱动元件1.3的工作要求。
假设中间滚珠2.3、第一侧边滚珠2.2、第二侧边滚珠2.4的半径都为R；微位移驱动过渡块2.1与中间滚珠2.3接触面高于与第一侧边滚珠2.2、第二侧边滚珠2.4接触面的距离为d；阀体基座4的两个三角斜面的倾斜角度为θ；微位移驱动元件1.3的位移为xp；放大端驱动杆2.5放大后的位移为xm则有如公式(1)的关系式；微位移放大机构2的放大倍数K＝xp/xm；例如，当R＝2mm，θ＝45°，d＝0.1mm，微位移驱动元件1.3位移为xp＝10μm，位移放大倍数为K＝20.9。
所述的开关阀阀芯组件3包括下阀芯3.1、上阀芯3.2、下阀芯预紧蝶形弹簧3.3、上阀芯预紧蝶形弹簧3.4、阀芯预紧螺钉3.5；下阀芯3.1为中空结构，其与上阀芯3.2采用紧配合方式组成整体阀芯，安装于阀体基座4的阀套内；放大端驱动杆2.5与下阀芯3.1端面接触，推动阀芯运动；阀芯预紧螺钉3.5安装在阀体基座4顶部螺纹孔中，下阀芯预紧蝶形弹簧3.3与上阀芯预紧蝶形弹簧3.4安装在阀芯预紧螺钉3.5端面与上阀芯3.2端面之间；阀芯预紧螺钉3.5可以旋进微调下阀芯预紧蝶形弹簧3.3、上阀芯预紧蝶形弹簧3.4，并向下阀芯3.1、上阀芯3.2施加预紧力，使上阀芯3.1锥面与阀体基座4的阀口锥面配合，开关阀处于初始关闭状态。
所述阀体基座4分为三段成一体化结构，其三段为微位移驱动器1安装空间、微位移放大机构2安装空间，开关阀阀芯组件3安装空间；阀体基座4其它附件还包括、上盖板4.1、下盖板4.2、上盖板螺钉4.3、下盖板螺钉4.4；上盖板4.1通过上盖板螺钉4.3固定在阀体基座4上，下盖板4.2通过下盖板螺钉4.4固定在阀体基座4上。
本发明的工作过程如下：
阀芯预紧螺钉3.5与微位移放大机构预紧螺钉2.9调整到一定的位置，施加预紧力使开关阀处于初始状态。此时上阀芯3.1在预紧力作用下的阀芯锥面与阀体基座4的阀口锥面配合，开关阀处于关闭状态。并且预紧力通过微位移放大机构2作用于微位移驱动元件1.3使其满足驱动的安装要求。此时微位移放大机构2的第一侧边滚珠2.2、第二侧边滚珠2.4中心处于同一高度上，中间滚珠2.3中心略高于第一侧边滚珠2.2、第二侧边滚珠2.4位置。
微位移驱动元件1.3在信号(电压)激励下输出微米级位移，作用于微位移驱动过渡块2.1。然后微位移驱动过渡块2.1推动第一侧边滚珠2.2、第二侧边滚珠2.4。接着第一侧边滚珠2.2、第二侧边滚珠2.4沿阀体基座4斜边运动，造成对中间滚珠2.3的挤压推动，形成位移的三角放大。放大后的位移通过放大端驱动杆2.5作用于下阀芯3.1、上阀芯3.2，使下阀芯3.1的阀芯锥面与阀体基座4的阀口锥面配合，从而开关阀打开。下阀芯2.1、上阀芯3.2采用等径分离的结构，等径阀芯能平衡液压力，分离结构方便阀芯的装配。开关阀的整个工作过程在阀体基座4内完成，阀体基座4开关阀套部份两侧包含有进出口油孔与油道，上部油孔为进油孔，下部油孔为出油孔。

Claims (4)

1.一种微位移驱动开关阀，其特征是：包括微位移驱动器(1)、微位移放大机构(2)、开关阀阀芯组件(3)和阀体基座(4)；微位移放大机构(2)采用由三个滚珠与两个三角斜面组合的三角放大原理对微位移驱动器(1)输出的微位移进行放大；开关阀阀芯组件(3)采用上下阀芯等径分离结构平衡液压力及方便阀芯的装配；阀体基座(4)将微位移驱动器(1)安装空间、微位移放大机构(2)安装空间、开关阀阀芯组件(3)安装空间整合为一体；所述微位移驱动器(1)包括下部固定微调螺钉(1.1)、下部垫块(1.2)、微位移驱动元件(1.3)；下部固定微调螺钉(1.1)通过螺纹方式安装在阀体基座(4)底部螺纹孔中，下部垫块(1.2)安装在下部固定微调螺钉(1.1)端面与微位移驱动元件(1.3)之间，以使下部固定微调螺钉(1.1)推力均匀作用在微位移驱动元件(1.3)端面；微位移驱动元件(1.3)的另一端与微位移放大机构(2)底面接触，推动微位移放大机构(2)在阀体基座(4)中移动；所述微位移放大机构(2)包括微位移驱动过渡块(2.1)、第一侧边滚珠(2.2)、中间滚珠(2.3)、第二侧边滚珠(2.4)、放大端驱动杆(2.5)、下预紧蝶形弹簧(2.6)、上预紧蝶形弹簧(2.7)、预紧块(2.8)、微位移放大机构预紧螺钉(2.9)；微位移驱动过渡块(2.1)底面与微位移驱动元件(1.3)接触，其上表面分别与第一侧边滚珠(2.2)、中间滚珠(2.3)、第二侧边滚珠(2.4)接触；其中微位移驱动过渡块(2.1)与第一侧边滚珠(2.2)、第二侧边滚珠(2.4)接触的表面处于同一平面，与中间滚珠(2.3)接触表面略高于这一平面，高出距离为滚珠直径的1％；第一侧边滚珠(2.2)、第二侧边滚珠(2.4)分别与阀体基座(4)的两个三角斜面接触，三角斜面倾斜角度在45°～60°之间；中间滚珠(2.3)与第一侧边滚珠(2.2)、第二侧边滚珠(2.4)相切接触，同时中间滚珠(2.3)顶端与放大端驱动杆(2.5)底面接触，以推动放大端驱动杆(2.5)；微位移驱动过渡块(2.1)、第一侧边滚珠(2.2)、中间滚珠(2.3)、第二侧边滚珠(2.4)、阀体基座(4)的两个三角斜面的接触装配关系，构成微位移放大机构(2)的三角放大原理，可以将微位移驱动元件(1.3)的微米级位移放大为放大端驱动杆(2.5)的毫米级位移输出；下预紧蝶形弹簧(2.6)与上预紧蝶形弹簧(2.7)安装在放大端驱动杆(2.5)与预紧块(2.8)之间；预紧块(2.8)顶面与微位移放大机构预紧螺钉(2.9)接触，通过微位移放大机构预紧螺钉(2.9)的旋进推动预紧块(2.8)，进而压缩下预紧蝶形弹簧(2.6)、上预紧蝶形弹簧(2.7)，调整预紧力，从而微调微位移驱动过渡块(2.1)、第一侧边滚珠(2.2)、中间滚珠(2.3)、第二侧边滚珠(2.4)、阀体基座(4)的两个三角斜面的接触关系，保证三角放大原理的实现；预紧力通过微位移放大机构(2)传递给微位移驱动器(1)以满足微位移驱动元件(1.3)的工作要求。
2.根据权利要求1所述的一种微位移驱动开关阀，其特征是：假设中间滚珠(2.3)、第一侧边滚珠(2.2)、第二侧边滚珠(2.4)的半径都为R；微位移驱动过渡块(2.1)与中间滚珠(2.3)接触面高于与第一侧边滚珠(2.2)、第二侧边滚珠(2.4)接触面的距离为d；阀体基座(4)的两个三角斜面的倾斜角度为θ；微位移驱动元件(1.3)的位移为xp；放大端驱动杆(2.5)放大后的位移为xm，则有如公式(1)的关系式；微位移放大机构(2)的放大倍数K＝xm/xp；
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3.根据权利要求1所述的一种微位移驱动开关阀，其特征是：所述的开关阀阀芯组件(3)包括下阀芯(3.1)、上阀芯(3.2)、下阀芯预紧蝶形弹簧(3.3)、上阀芯预紧蝶形弹簧(3.4)、阀芯预紧螺钉(3.5)；下阀芯(3.1)为中空结构，其与上阀芯(3.2)采用紧配合方式组成整体阀芯，安装于阀体基座(4)的阀套内；放大端驱动杆(2.5)与下阀芯(3.1)端面接触，推动阀芯运动；阀芯预紧螺钉(3.5)安装在阀体基座(4)顶部螺纹孔中，下阀芯预紧蝶形弹簧(3.3)与上阀芯预紧蝶形弹簧(3.4)安装在阀芯预紧螺钉(3.5)端面与上阀芯(3.2)端面之间；阀芯预紧螺钉(3.5)可以旋进微调下阀芯预紧蝶形弹簧(3.3)、上阀芯预紧蝶形弹簧(3.4)，并向下阀芯(3.1)、上阀芯(3.2)施加预紧力，使上阀芯(3.1)锥面与阀体基座(4)的阀口锥面配合，开关阀处于初始关闭状态。
4.根据权利要求1所述的一种微位移驱动开关阀，其特征是：所述阀体基座(4)分为三段成一体化结构，其三段为微位移驱动器(1)安装空间、微位移放大机构(2)安装空间，开关阀阀芯组件(3)安装空间；阀体基座(4)其它附件还包括上盖板(4.1)、下盖板(4.2)、上盖板螺钉(4.3)、下盖板螺钉(4.4)；上盖板(4.1)通过上盖板螺钉(4.3)固定在阀体基座(4)上，下盖板(4.2)通过下盖板螺钉(4.4)固定在阀体基座(4)上。
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