CN106438625A

CN106438625A - 阀芯外环螺旋槽型2d电液高速开关阀

Info

Publication number: CN106438625A
Application number: CN201610503336.9A
Authority: CN
Inventors: 贾文昂; 吴圣; 裴翔; 赵志鹏; 申屠胜男
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2036-06-27
Also published as: CN106438625B

Abstract

阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，包括阀本体、驱动阀本体打开或开闭的传动机构和驱动阀本体复位的零位保持机构；阀本体包括由阀体和阀芯构成的伺服螺旋机构，进油腔与阀体上的进油口连通，高压通道的入口端与进油腔连通；低压通道的入口端与低压槽连通，低压通道的出口端与出油腔连通，螺旋槽的一端与敏感腔连通，螺旋槽的另一端位于高压槽的运动轨迹和低压槽的运动轨迹上，转动设备的转动轴与上拨杆固定连接，上拨杆复位弹簧将上拨杆竖直抵紧在下拨叉内；阀芯的左端贯穿阀体，且阀体的左侧设有迫使阀体保持零位的零位保持机构。

Description

阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀

技术领域

本发明涉及一种开关阀，尤其涉及一种阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀。

背景技术

高速开关阀是上个世纪80年代研制进而发展起来的一种电液控制元件，具有切换能力快、抗污染能力强等优点，广泛应用于液压锁紧、航空航天、工程机械以及军事等领域。

近年来，高速开关阀作为电液数字控制技术的关键部件之一，为实现计算机技术和液压控制技术的有机结合，其性能要求变得越来越高，必须在能实现其功能的同时亦能满足大流量、耐高压、响应速度快、控制精度高、密封性能好等特点。

作为液压系统的控制元件，阀体结构形式多种多样，高速开关阀通过调节阀口开/关时间改变通过阀口流量，其结构形式一般采用球阀式、滑阀式或锥阀式三种。目前，2D大流量电液开关阀是采用具有双运动自由度阀芯的两级高速开关阀，该阀具有控制灵活、精度高、频响快、低滞环、泄漏量小、结构简单等优点，主要运用在航空航天、军事等极端恶劣环境下。但是，对此类阀的阀芯加工难度较大，阀芯上设有的通孔在高压、高振荡下对阀芯的冲击较大，降低了阀芯的刚度，易在通孔处折断；且阀芯尾部的堵头在压力过高情况下易被冲出，造成对阀体整体结构的破坏。且在高压下，阀芯的“卡紧”现象容易导致流量无法上升。

申请号为2016103397553的中国专利申请记载了一种带变传动比传动机构的斜槽型2D电液高速开关阀，该开关阀的高压槽、低压槽均开设在阀芯上，由于阀芯的体积较小，导致高压槽、低压槽的大小受限，因此响应速度也就受到限制；另需设置阀套，导致结构复杂；且斜槽设置在阀体上，加工难度较大，成本较高。

发明内容

为了克服已有的2D电液高速开关阀易受摩擦力、液动力、油污、阀芯弱强以及加工精度问题等对阀芯产生的液压“卡滞”现象，以及增加伺服螺旋槽与高低压槽相交的面积梯度从而提高频响，本发明提供一种在高压、大流量下，可以实现伺服螺旋机构快速响应、抗污染能力强的阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀。

本发明的技术方案是：

阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，包括阀本体、驱动阀本体打开或开闭的传动机构和驱动阀本体复位的零位保持机构；

阀本体包括由阀体和阀芯构成的伺服螺旋机构，阀芯可转动地设置在阀体内，阀芯从右向左依次设有第一台肩、第二台肩和第三台肩，阀体的右端盖和第一台肩将阀体内腔气密围隔成敏感腔，第一台肩和第二台肩将阀体内腔气密围隔成环绕阀芯的环形出油腔，第二台肩和第三台肩将阀体内腔气密围隔成环绕阀芯的环形进油腔；

进油腔与阀体上的进油口连通，阀芯内沿中心轴设有高压通道，高压通道的入口端与进油腔连通；阀体上开有一对轴对称的高压槽和一对轴对称的低压槽，且高压槽和低压槽交替设置，高压槽与高压通道的出口端连通；所述阀体上沿轴向设有低压通道，低压通道的入口端与低压槽连通，低压通道的出口端与出油腔连通，

阀芯的外壁上设有一对轴对称的螺旋槽，且螺旋槽自阀芯的右端面在阀芯上沿轴向螺旋延伸，螺旋槽的一端与敏感腔连通，螺旋槽的另一端位于高压槽的运动轨迹和低压槽的运动轨迹上，且低压槽与高压槽之间的距离与螺旋槽的槽宽相等，敏感腔通过高压通道和螺旋槽与进油腔连通；

敏感腔通过螺旋槽、低压槽和低压通道与出油腔连通，且出油腔与阀体上的出油口连通；第二台肩沿轴向的长度大于出油口的直径，以使第二台肩在阀芯位于关闭状态时完全密封出油口，且出油口位于第二台肩的运动轨迹上；

设置在阀本体左侧的传动机构包括位于正上方的上拨杆和位于正下方的下拨叉，上拨杆的下半部是圆形拨头，下拨叉的上半部是开口向上的U形叉，且拨头的外径和U形叉的开口宽度相等，拨头插设在U形叉内，转动设备的转动轴与上拨杆固定连接，以驱动上拨杆带动下拨叉转动，且下拨叉的底部与阀芯的左端固定连接，以带动阀芯同步转动；上拨杆的顶部可滑动的设置在水平杆上，且水平杆的两侧均套设有将上拨杆抵紧在零位的上拨杆复位弹簧，上拨杆复位弹簧将上拨杆竖直抵紧在下拨叉内；

阀芯的左端贯穿阀体，且阀体的左侧设有迫使阀体保持零位的零位保持机构，所述零位保持机构包括套设在阀芯上的阀芯复位弹簧，阀芯复位弹簧的一端抵紧在第三台肩的左侧面上，迫使第二台肩位于出油口上方并密封出油口，另一端抵紧在固套在阀芯上的卡簧上。

进一步，所述转动设备为步进电机。

进一步，所述低压槽和高压槽均呈半圆形。

进一步，阀体的左侧设有连接座，零位保持机构设置在连接座内，传动机构设置在连接座上方，连接板和阀体之间通过连接座相连，连接座的两端分别通过第一密封圈与连接板和阀体气密相连。

进一步，阀芯复位弹簧的右端通过弹簧座抵紧在第三台肩的右侧面上，且阀芯复位弹簧的右端端通过弹簧垫抵紧在卡簧上，弹簧座和弹簧垫均固定套设在阀芯上。

进一步，所述连接座和连接板配有盒盖。

进一步，所述步进电机设置在阀体的上方，并配有保护罩。

进一步，所述上拨杆通过第一螺钉夹紧在步进电机的输出轴上，所述下拨叉通过第二螺钉夹紧在阀芯上。

本发明的技术构思为：为了使2D电液高速开关阀具有大流量、高频响特性，除了要保证步进电机具有快速响应特性和传动机构满足提供阀芯运转所需的较大驱动力矩外；较为重要的一点是，伺服螺旋机构的阀芯轴向位移对旋转角位移之间应具有快速响应的特性。因此，螺旋槽与高低压槽重叠面积梯度应尽可能做大。本发明将螺旋槽开在阀芯外壁上、将高低压槽开在阀体内壁上，既可有效的增大螺旋槽与高低压槽的重叠面积梯度，又降低了螺旋槽的加工难度。

伺服螺旋机构是实现开关阀阀芯转角与轴向直线位移转换的导控结构。阀体内壁左端开有螺旋槽，螺旋槽与敏感腔相通，高压槽和低压槽的之间的间隙与螺旋槽槽宽相等，以增加面积梯度，满足2D电液高速开关阀大流量，高频响的要求。阀芯可旋转的安装在阀体内，螺旋槽的一端与敏感腔相通，另一端与高压槽和低压槽构成阻力半桥，阻力半桥通过螺旋槽控制敏感腔内的压力。

为了保证2D电液高速开关阀具有大流量、高频响的特性，必须保证液压伺服螺旋机构的阀芯轴向位移对旋转角位移能够做出快速响应，液压伺服螺旋机构固有频率取决于阀芯端部敏感腔体积和阀芯质量，2D电液高速开关阀的结构特点决定了其敏感腔可以设计的很小，因而其液压固有频率很高，大约10⁴～10⁵Hz。如此高的液压固有频率使得二阶振荡不会影响到阀芯的动态响应，阀芯的轴向运动对输入的转角信号的响应不会造成影响，二阶振荡可简化成惯性环节。

因液压伺服螺旋机构的固有频率很高，设计的高压槽、低压槽与螺旋槽采用正遮盖方式，遮盖量0.003～0.007mm，可以保证导控级零位泄漏量很小，提高阀芯转角位移和轴向位移之间的转换精度，并且可以使阀芯轴向刚度很大，有效提高2D电液高速开关阀工作时的可靠性与稳定性。

本发明具有很高的自清洁能力，只要高压槽、低压槽与螺旋槽构成的平行四边形区域的一面被阻塞，那么阀芯的力平衡就会被破坏，阀芯便进行轴向运动，在运动过程中阻塞面积增加，可以有效的清除障碍物，抗污染能力强。

本发明的有益效果是：

1、高压槽、低压槽均开设在阀体上，与现有的将高压槽、低压槽开设在阀芯上的开关阀相比，其形状大小不受阀芯结构及其强度的限制，可以相应做大，从而增加了螺旋槽与高、低压槽相交的面积梯度，提高了响应速度；

2、螺旋槽开设在阀芯上省去了阀套结构(如申请号为)，因此可以相应增加阀芯直径，从而增大本发明的控制流量；

3、螺旋槽开设在圆环内孔加工难度很大，所以一般采用直槽代替螺旋槽，这样使螺旋伺服机构的导控精度降低，在阀芯外环上可以轻易地加工螺旋槽而解决了以上问题，使阀芯的角度位移和直线位移呈线性关系；

4、螺旋槽开在阀芯外环比开在阀套内腔简单，减小了加工难度，降低了成本；

5、有效的减小阀芯高压孔孔径的大小，加强了阀芯的结构强度，提高了高速开关阀的可靠性；

6、频响快，动态性能好；

7、对油液过滤精度要求低，抗污染能力强。

附图说明

图1为本发明的剖视图。

图2为传动机构结构示意图。

图3为阀芯的结构示意图。

图4为阀体的结构示意图。

图5为阀芯局部结构示意图。

图6为阀芯、阀体配合示意图。

图7为图6中B-B向剖视图

具体实施方式

如图所示，阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，包括阀本体、驱动阀本体打开或开闭的传动机构和驱动阀本体复位的零位保持机构；

阀本体包括由阀体5和阀芯6构成的伺服螺旋机构，阀芯6可转动地设置在阀体5内，阀芯6从右向左依次设有第一台肩61、第二台肩62和第三台肩63，阀体6的右端盖7和第一台肩61将阀体5内腔气密围隔成敏感腔i，第一台肩61和第二台肩62将阀体5内腔气密围隔成环绕阀芯6的环形出油腔，第二台肩62和第三台肩63将阀体5内腔气密围隔成环绕阀芯6的环形进油腔；

进油腔与阀体6上的进油口P连通，阀芯6内沿中心轴设有高压通道d，高压通道d的入口端与进油腔连通(高压通道d的入口端沿径向贯穿阀芯6)；阀体5上开有一对轴对称的高压槽h和一对轴对称的低压槽g，且高压槽h和低压槽g交替设置，高压槽h与高压通道d的出口端连通；所述阀体5上沿轴向设有低压通道f，低压通道f的入口端与低压槽g连通，低压通道f的出口端与出油腔连通，

阀芯6的外壁上设有一对轴对称的螺旋槽e，且螺旋槽e自阀芯6的右端面在阀芯6上沿轴向螺旋延伸，螺旋槽e的一端与敏感腔i连通，螺旋槽e的另一端位于高压槽h的运动轨迹和低压槽g的运动轨迹上，且低压槽g与高压槽h之间的距离与螺旋槽e的槽宽相等，敏感腔i通过高压通道d和螺旋槽e与进油腔连通；

敏感腔i通过螺旋槽e、低压槽g和低压通道f与出油腔连通，且出油腔与阀体5上的出油口A连通；第二台肩62沿轴向的长度大于出油口A的直径，以使第二台肩62在阀芯6位于关闭状态时完全密封出油口A，且出油口A位于第二台肩62的运动轨迹上；

设置在阀本体左侧的传动机构包括位于正上方的上拨杆10和位于正下方的下拨叉14，上拨杆10的下半部是圆形拨头，下拨叉10的上半部是开口向上的U形叉，且拨头的外径和U形叉的开口宽度相等，拨头插设在U形叉内，转动设备的转动轴9与上拨杆10固定连接，以驱动上拨杆10带动下拨叉转动，且下拨叉14的底部与阀芯6的左端固定连接，以带动阀芯6同步转动；上拨杆10的顶部可滑动的设置在水平杆上，且水平杆上的两侧均套设有将上拨杆10抵紧在零位的上拨杆复位弹簧12，上拨杆复位弹簧12将上拨杆10竖直抵紧在下拨叉14内；

阀芯6的左端贯穿阀体5，且阀体5的左侧设有迫使阀体5保持零位的零位保持机构，所述零位保持机构包括套设在阀芯6上的阀芯复位弹簧3，阀芯复位弹簧3的一端抵紧在第三台肩63的左侧面上，迫使第二台肩62位于出油口A上方并密封出油口A，另一端抵紧在固套在阀芯6上的卡簧上。

所述转动设备为步进电机a。

所述低压槽g和高压槽h均呈半圆形。

阀体5的左侧设有连接座2，零位保持机构设置在连接座2内，连接板1位于左侧，阀体5位于右侧，连接板1和阀体5之间通过连接座2相连，连接座2的两端分别通过第一密封圈17与连接板1和阀体5气密相连。

阀芯6左端依次穿过阀体5、连接座2并穿入连接板1内，且阀芯6通过第二密封圈4与阀体气密连接、通过第三密封圈18与连接板1气密连接。

右端盖7通过第四密封圈19与阀体5气密连接。

阀芯复位弹簧3的右端通过弹簧座抵紧在第三台肩63的右侧面上，且阀芯复位弹簧3的左端通过弹簧垫抵紧在卡簧上，弹簧座和弹簧垫均固定套设在阀芯6上。

所述连接座2和连接板1配有盒盖。

所述步进电机a设置在阀体5的上方，并配有保护罩。

所述上拨杆10通过第一螺钉13夹紧在步进电机的输出轴9上，所述下拨叉14通过第二螺钉15夹紧在阀芯6上。

步进电机a与控制器相连。

阀芯上设有同心环4保证与阀体的同轴度。

图6中T表示回油口。

本实施例以32通径阀芯直径为32mm、流量为1000L/min的阀芯外环螺旋槽型大流量二位三通2D电液高速开关阀为例，结合附图对本发明作进一步说明。

(1)伺服螺旋机构：

伺服螺旋机构是实现开关阀阀芯转角与轴向直线位移转换的导控机构。

高压槽h与高压通道d始终相连通，高压槽h和低压槽g位于螺旋槽e的两侧，且高压槽h与低压槽g的距离与螺旋槽e的槽宽相等。螺旋槽e的一端与敏感腔i连通，另一端与高压槽h和低压槽g构成阻力半桥，阻力半桥通过螺旋槽e控制敏感腔i内的压力。螺旋槽e覆盖相邻的高压槽h和低压槽g之间的区域以增加面积梯度，降低加工工艺难度，实现满足2D电液高速开关阀大流量，频响快的要求。

当阀芯6位于零位时(即本发明位于关闭状态时)，第二台肩62的侧面完全密封出油口A，且螺旋槽e的开口与高压槽h相错开。

油液经进油口P进入进油腔内，进油腔内的压力为p₁，进油腔内的油液经过高压通道d进入高压槽h内，高压槽h内的油液经过螺旋槽e进入敏感腔i内，敏感腔i内的油液经螺旋槽e进入低压槽f内，并从低压槽g经低压通道f进入出油腔，由于出油口A密封，油液不会外流，在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，高压槽h、低压槽g分别与螺旋槽e相交的面积相等，敏感腔i内的压力只有进油腔内的压力(系统压力)的一半，但设定敏感腔i的横截面是进油腔的横截面的2倍，则阀芯6分别位于敏感腔i内和进油腔内的两头的压力相等，阀芯6轴向保持静压平衡，本发明处于零位状态。

若阀芯6转动，则阀芯6上高压槽h和低压槽g与螺旋槽e的相交面积发生变化，从而引起敏感腔i的压力变化，阀芯6的受力平衡被破坏，随之阀芯6产生轴向运动，则引起出油口A关闭或打开。

当本发明处于打开状态时，传动机构驱动阀芯6顺时针转动时(从开关阀右端看)，高压槽h与螺旋槽i相交的面积减小，低压孔槽g与螺旋槽e相交的面积增大，引起敏感腔i的压力降低，同时推动阀芯6向右运动，出油口A关闭。继续顺时针转动，高压槽h与螺旋槽e的相交面积逐渐增大，低压孔槽g与螺旋槽e的相交面积逐渐减小，直至高压槽h与螺旋槽e的相交面积、低压孔槽g与螺旋槽e的相交面积再次相等时，轴向力平衡，阀芯6停止运动，进入新的平衡状态；反之，当阀芯6逆时针方向旋转时，以上变化过程恰好相反。

因此，2D电液高速开关阀是阀芯具有双运动自由度的两级高速开关阀，阀芯角位移与轴向位移之间是线性关系，本发明利用旋转电磁铁和拨叉拨杆机构驱动阀芯作旋转运动，实现导阀功能，在油液压力差的作用下推动阀芯轴向移动，实现阀口的高速启闭特性。

(2)传动机构

传动机构位于阀体5和步进电机a的左侧，其上拨杆10通过第一螺钉13固连在步进电机a输出轴9上，下拨叉14通过第一螺钉15固连在阀芯6上，上拨杆10与下拨叉14之间为线接触配合，其结构简单，可有效地减小拨杆和拨叉之间的摩擦力以及对步进电机的输出力矩要求，提高开关阀的频响特性。

所述步进电机a作为开关阀的电-机械转换器，位于阀体5上端，通过螺钉固定在连接板1上，保护罩通过螺钉固定在连接板1上。盒盖通过螺钉3连接到保护罩上，水平杆的支架8通过螺钉固定在连接板1上。

步进电机a带动上拨杆10顺时针转动，则上拨杆10带动下拨叉14和阀芯6逆时针转动，高压槽h与螺旋槽e相交的面积增加，低压槽g与螺旋槽e相交的面积减小，引起敏感腔i的压力增大，阀芯6向左运动，则第二台肩62从出油口A上移开，出油口A畅通，油液流出，从而本发明处于打开状态。

为保证在开关阀的控制器未通电或失效的情况下使得阀芯13仍能处于零位，在水平杆上安装拨叉复位弹簧12，复位弹簧12、水平杆构成上拨叉的限位机构。上拨叉在启动后会转动，复位弹簧12会在控制器断电时，驱动上拨叉复位。

(2)零位保持机构

阀芯6上装有卡簧、弹簧垫、阀芯复位弹簧3和弹簧座，以防止开关阀在运输过程中阀芯6在阀体5内部窜动，保证调零时阀芯6做平稳的轴向运动，防止与阀体5发生碰撞，并同时保证在控制器未通电情况下阀芯处于绝对零位。

阀本体打开的瞬间，阀芯6向左移动，并压迫阀芯复位弹簧3，当控制器断电时，阀芯复位弹簧3驱动阀芯13向右移动并恢复零位，本发明处于关闭状态。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，其特征在于：包括阀本体、驱动阀本体打开或开闭的传动机构和驱动阀本体复位的零位保持机构；

2.如权利要求1所述的阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，其特征在于：所述转动设备为步进电机。

3.如权利要求2所述的阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，其特征在于：所述低压槽和高压槽均呈半圆形。

4.如权利要求3所述的阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，其特征在于：阀体的左侧设有连接座，零位保持机构设置在连接座内，传动机构设置在连接座上方，连接板和阀体之间通过连接座相连，连接座的两端分别通过第一密封圈与连接板和阀体气密相连。

5.如权利要求4所述的阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，其特征在于：阀芯复位弹簧的右端通过弹簧座抵紧在第三台肩的右侧面上，且阀芯复位弹簧的右端端通过弹簧垫抵紧在卡簧上，弹簧座和弹簧垫均固定套设在阀芯上。

6.如权利要求5所述的阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，其特征在于：所述连接座和连接板配有盒盖。

7.如权利要求6所述的阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，其特征在于：所述步进电机设置在阀体的上方，并配有保护罩。

8.如权利要求7所述的阀芯外环螺旋槽型2D电液高速开关阀，其特征在于：所述上拨杆通过第一螺钉夹紧在步进电机的输出轴上，所述下拨叉通过第二螺钉夹紧在阀芯上。