CN106640821A - 一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，包括力矩马达、射流盘、偏导板、反馈杆和滑阀，力矩马达设有衔铁组件，射流盘设有回油腔，射流盘设有成对的连通回油腔的接收通道和射流通道，接收通道分别连通至滑阀两侧，射流通道连接供油口，由油源供油，偏导板设有与接收通道相对应的凹槽。与现有技术相比，本发明设置对称布置的射流通道和接收通道，使伺服阀流量增益提高，有利于提高滑阀动作的响应快速性；偏导板在沿射流通道轴线方向受力平衡，流量恢复系数不随射流压力变化而改变，提高输出负载流量的稳定性；压力恢复系数不随射流压力变化而改变，提高恢复压力的稳定性，改善反馈杆受力状态，提高其寿命及可靠性。

Description

一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀

技术领域

本发明属于流体控制技术领域，具体涉及一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀。

背景技术

偏导板射流伺服阀出现在20世纪70年代，与射流管伺服阀相比较，偏导板伺服阀的主要优点在于不需要绕性供油管，消除了结构上可能出现的振动，结构简单、工作可靠。偏导板射流伺服阀的关键部件为偏导板和射流盘，其结构对伺服阀动、静态特性有直接影响，因此相继出现了一批研究偏导板和射流盘结构的专利，旨在提高偏导板射流伺服阀前置级输出特性。

1964年，Boothe Willis A等人研究开发了一种由改进的数字型流体放大器组成的流体逻辑部件(参见专利文献：Boothe Willis A,Czwakiel Bert J.Fluid amplifierdevices:US 3285265A[P],1966-11-15)。1967年，Mcfadden Edward F等人提出通过改变偏导板在沿喷嘴轴线方向的间隙来改变流量增益，并且采用矩形的射流口和射流接收口，以实现偏导板零位附近响应的线性灵敏度(参考专利文献：Mcfadden Edward F,WilliamsLeonard J.Free jet stream deflector servovalve:US 3542051A[P],1970-11-24)。1972年，Morton Robert O将实心偏导板置于射流口与接收口之间，通过偏导板的移动切断和接通射流口与接收口之间的油路，此外，改变偏导板截面形状，对比矩形、梯形、三角形截面在控制液流流量时的效果(参考专利文献：Morton Robert O.Fluid control valve:US3866620A[P],1975-2-18)。1981年，Stanley J.Hoffman,Jr.等人提出对偏导板结构改进，采用在偏导板上开设多个V形窗口的方式改进射流状态(参见专利文献：StanleyJ.Hoffman,Jr.,William D.Waffner.Fail-safe single-stage servovalve:US 4442855A[P],1984-4-17)。1992年，Samuel L.Wilson,Mario A等人提出可以通过使用多层薄片射流板叠加的方式增加射流窗口面积，使得在高压下获得较大的恢复流量(参见专利文献：Samuel L.Wilson,Mario A.Rodriguez.Fluidic deflector jet servovalve:US5303727A[P],1994-4-19)。2004年，Muchlis Achmad对射流管伺服阀的结构进行改进，取消了射流管伺服阀的绕性供油管，将射流口和接收口布置在同侧，通过上方切有凹槽的偏导板的移动控制进入接收口的流量，这种结构实际上也属于偏导板射流伺服阀，但其重锤式的偏导板由于惯性作用使得伺服阀响应速度降低(参见专利文献：MuchlisAchmad.Methods and apparatus for splitting and directing a pressurized fluidjet within a servovalve:US 20060216167 A1,2006-9-28)。

此外，2013年北京精密机电控制设备研究所申请了一种偏导板位移测量装置的发明专利，通过在偏导板射流伺服阀外部引出一段测杆延伸段，利用非接触式测量设备进行位移测量(参见专利文献：张恒轩,杨文祥,张俊杰,刘茂林,韩现会.偏导板位移测量装置：CN 104567686A,2015-4-29)。2015年，同济大学訚耀保建立偏导板伺服阀射流前置级流场模型，提出采取适当降低进口压力和提高偏导板下端面圆角加工质量等措施来改善前置级气穴现象(参见论文文献：訚耀保,张鹏,岑斌.偏导板射流伺服阀前置级流场分析[J].中国工程机械学报,2015(1),1-7)。2016年，訚耀保提出一种射流管伺服阀喷嘴与接收孔对中检验方法，将伺服阀的力矩马达安装在喷嘴对中测试基座上，同时在喷嘴对中测试基座下方对应设置喷嘴射流检验板；根据未加载控制电流时，从伺服阀的喷嘴发射的射流冲击柱在喷嘴射流检验板上的射流冲击点位置，以及力矩马达加载控制电流后，射流冲击柱在喷嘴射流检验板上射流冲击点位置的偏移轨迹，判定喷嘴和伺服阀的两个接收孔是否对中，以及伺服阀是否发生零偏漂移故障(参见专利文献：訚耀保,李长明,张阳.一种射流管伺服阀喷嘴与接收孔对中检验方法：CN 201610534415,2016-7-8)。

目前，开发使用的偏导板射流伺服阀大多采用开有V形窗口的偏导板结构，对这种结构而言，在单个射流口射流时，当射流压力波动时，偏导板与喷嘴之间的间隙会随之不受控制的变化，这会导致与间隙相关的一系列参数如压力、流量恢复系数等变化，从而引起伺服阀前置级输出流量、压力的不稳定。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，以提高偏导板伺服阀的流量增益，保持偏导板伺服阀工作过程中流量及压力恢复系数不变，改善反馈杆受力状态，以及实现双冗余度工作，提高可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，包括力矩马达、射流盘、偏导板、反馈杆和滑阀，所述的力矩马达设有衔铁组件，所述的射流盘设有回油腔，所述的偏导板设置在射流盘的回油腔内，偏导板上部连接衔铁组件，偏导板下部连接反馈杆，反馈杆的另一端连接滑阀的阀芯，所述的滑阀设于该伺服阀的油室内，所述的射流盘设有成对的连通回油腔的接收通道和射流通道，所述的接收通道分别连通至滑阀两侧，所述的射流通道连接供油口，由油源供油，所述的偏导板设有与接收通道相对应的凹槽，所述的力矩马达输入非零信号后，衔铁组件对偏导板产生力的作用，偏导板偏离中间位置，射流通道的入射油液经偏导板凹槽反射进入接收通道，再进入滑阀两端，油液左右不对称产生压差，驱动滑阀阀芯运动，滑阀偏离中间位置输出相应流量，同时阀芯的位移带动反馈杆，反馈到力矩马达，实现输出流量的伺服控制。

进一步地，所述的接收通道设有四个，所述的射流通道设有两个，所述的接收通道与射流通道截面呈“米”字形，所述的射流通道位于接收通道之间。

进一步地，所述的凹槽为前后对称的ω形凹槽，所述的ω形凹槽与接收通道和射流通道的端口相对应。

进一步地，所述的ω形凹槽的中间为分油界面，所述的偏导板处于中间位置时，分油界面与射流通道的端口对正。

进一步地，所述的射流盘为扁平圆柱形，射流盘两端分别设有上端盖和下端盖，所述的回油腔设置在射流盘的中间，所述的回油腔截面呈圆角矩形。

进一步地，所述的偏导板为扁平的长块状，偏导板的截面呈圆角矩形。

进一步地，所述的伺服阀设有连通油室的回油口和负载口，所述的负载口设有两个，连通后续执行元件。

进一步地，所述的偏导板与衔铁组件之间通过杆件连接，杆件外套设弹簧管。

进一步地，所述的射流通道与偏导板的前后平面垂直，所述的接收通道与射流通道的夹角为30-60度。

进一步地，所述的ω形凹槽为两个并排的半圆柱形凹槽，凹槽半径大于接收口宽度，以减少工作过程中的内泄漏，为便于加工，ω形凹槽上下贯穿偏导板。

本发明的原理为：偏导板将微弱的电信号放大为液压信号，滑阀将液压信号放大输入到后续执行机构，反馈杆将滑阀的位移产生的机械力反馈到力矩马达的衔铁组件上。在无信号时偏导板保持在中位，其上的ω形凹槽正对射流通道的喷嘴出口，喷嘴喷出的射流均等的进入四个接收通道，射流动能在接收口内转化为压力势能，使滑阀两端的压力相等，滑阀处于中位，电液伺服阀无流量输出；当偏导板在信号电流作用下偏离中间位置时，其ω形凹槽使射流偏转，使射入接收通道一侧的油液比另一侧多，从而使滑阀两端压力不等，滑阀两端的压差控制阀芯运动，滑阀偏离中间位置而输出流量。阀芯位移带动反馈杆产生变形，以力矩的形式反馈到力矩马达的衔铁上，与衔铁产生的电磁力矩相平衡。

与现有技术相比，本发明将传统开有V形通道的偏导板替换为对称分布的ω形凹槽的偏导板；将传统射流通道和接收通道分布于两侧的人体形射流盘替换为射流通道和接收通道对称分布于同侧的米字形射流盘，具有以下优点和有益效果：

1、对称布置的射流通道和接收通道，使偏导板射流伺服阀流量增益提高，因此用于推动滑阀阀芯的流量增多，有利于提高滑阀动作的响应快速性；

2、当射流通道压力变化时，传统的单侧射流偏导板承受的液压冲击力发生变化，V形窗口与射流通道之间的间隙也相应变化，会导致流量恢复系数变化；而对称布置的射流通道使得偏导板在沿射流通道轴线方向受力平衡，流量恢复系数不随射流压力变化而改变，提高流量的稳定性；

3、在射流通道压力变化时，传统的单侧射流偏导板承受的液压冲击力发生变化，V形窗口与射流通道之间的间隙也相应变化，会导致压力恢复系数变化；而对称布置的射流通道使得偏导板在沿射流通道轴线方向受力平衡，压力恢复系数不随射流压力变化而改变，提高恢复压力的稳定性；

4、在偏导板射流伺服阀正常工作时，反馈杆只有沿滑阀轴向的弯曲而不会因为偏导板受射流压力影响产生沿滑阀径向的变形，提高反馈杆寿命及可靠性；

5、双冗余度的射流通道和接收通道使得当其中一组射流和接收通道失效时，依然能继续工作而不必立刻停机修复。

附图说明

图1是本发明伺服阀的结构示意图；

图2是现有伺服阀射流盘与偏导板的截面示意图；

图3是现有伺服阀射流盘上端盖的结构示意图；

图4是现有伺服阀射流盘下端盖的结构示意图；

图5是现有伺服阀偏导板的结构示意图；

图6是本发明伺服阀射流盘与偏导板的截面示意图；

图7是本发明伺服阀射流盘上端盖的结构示意图；

图8是本发明伺服阀射流盘下端盖的结构示意图；

图9是本发明伺服阀偏导板的结构示意图；

图10是本发明伺服阀反馈杆与滑阀及偏导板的连接示意图；

图11是本发明伺服阀射流时偏导板的受力示意图；

图12是本发明伺服阀射流流场示意图；

图13是本发明的射流通道和接收通道局部放大图；

图14是本发明伺服阀负载流量QL随偏导板位移的关系曲线图；

图15是不同射流压力下的对称布置射流口和单个射流口的流量恢复系数K_qr及压力恢复系数K_pr随偏导板位移的变化曲线图；

图中：1-力矩马达；2-衔铁组件；3-偏导板；4-反馈杆；5-射流盘；6-滑阀；7-负载口；8-供油口；9-回油口；10-现有偏导板；11-V形窗口；12-现有射流盘；13-回油腔；14-现有射流盘上端盖；15-现有射流盘下端盖；16-接收通道；17-射流通道；18-上端盖；19-下端盖；20-分油界面；21-凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，如图1，包括力矩马达1、射流盘5、偏导板3、反馈杆4和滑阀6，力矩马达1设有衔铁组件2，射流盘5设有回油腔13，偏导板3设置在射流盘5的回油腔13内，如图6-10，射流盘5为扁平圆柱形，射流盘5两端分别设有上端盖18和下端盖19，回油腔13设置在射流盘5的中间，回油腔13截面呈圆角矩形，偏导板3为扁平的长块状，偏导板3的截面呈圆角矩形，偏导板3设有与接收通道16及射流通道17相对应的凹槽21，伺服阀设有回油口9和两负载口7。偏导板3上部连接衔铁组件2，偏导板3下部连接反馈杆4，反馈杆4的另一端连接滑阀6的阀芯，滑阀6设于该伺服阀的油室内，射流盘5设有成对的连通回油腔13的接收通道16和射流通道17，接收通道16分别连通至滑阀6两侧，射流通道17连接供油口8，由油源供油。

本实施例，接收通道16设有四个，射流通道17设有两个，接收通道16与射流通道17截面呈“米”字形，射流通道17位于接收通道16之间，凹槽21为前后对称的ω形凹槽，ω形凹槽与接收通道16和射流通道17的端口相对应，ω形凹槽的中间为分油界面20，偏导板3处于中间位置时，分油界面20与射流通道17的端口对正，偏导板3与衔铁组件2之间通过杆件连接，杆件外套设弹簧管。射流通道17与偏导板3前后平面垂直，接收通道16与射流通道17夹角在30-60度，本实施例为30度，ω形凹槽为两个并排的半圆柱形凹槽，其半径略大于接收口宽度，ω形凹槽上下贯穿偏导板。

本伺服阀的工作原理为通过偏导板将微弱的电信号放大为液压信号，滑阀将液压信号放大输入到后续执行机构，反馈杆将滑阀的位移产生的机械力反馈到力矩马达的衔铁组件上。当力矩马达1输入非零信号后，衔铁组件2对偏导板3产生力的作用，偏导板3偏离中间位置，射流通道17的入射油液经偏导板凹槽21反射进入接收通道16，油液左右不对称产生压差，驱动滑阀阀芯运动，滑阀6偏离中间位置输出相应流量，同时阀芯的位移带动反馈杆4，反馈到力矩马达1，实现输出流量的伺服控制，如图10，偏导板与衔铁组件和反馈杆之间采用焊接的方式连接。

现有射流盘12采用射流口与接收通道分布于现有偏导板10两侧的结构形式，如图2-4，射流盘12上下端设有射流盘上端盖14和射流盘下端盖15，仅有一个射流口工作；与之相配的开有V形窗口11的偏导板在射流压力变化时与射流口之间的间隙将会产生变化，如图5。本发明将传统开有V形通道的偏导板替换为对称分布的ω形凹槽的偏导板；将传统射流通道和接收通道分布于两侧的人体形射流盘替换为射流通道和接收通道对称分布于同侧的米字形射流盘，具有以下优点：对称布置的射流通道和接收通道，使偏导板射流伺服阀流量增益提高，用于推动滑阀阀芯的流量增多，有利于提高滑阀动作的响应快速性；对称布置的射流通道使得偏导板在沿射流通道轴线方向受力平衡，流量恢复系数不随射流压力变化而改变，提高流量的稳定性；对称布置的射流通道使得偏导板在沿射流通道轴线方向受力平衡，压力恢复系数不随射流压力变化而改变，提高恢复压力的稳定性；在偏导板射流伺服阀正常工作时，反馈杆只有沿滑阀轴向的弯曲而不会因为偏导板受射流压力影响产生沿滑阀径向的变形，提高反馈杆寿命及可靠性；当其中一组射流和接收通道失效时，依然能继续工作而不必立刻停机修复。

具体分析如下：

图11是偏导板的受力示意图，偏导板与上下杆件焊接，下端反馈杆固定在滑阀中心，上端杆件套在弹簧管中，等效为两端支承的简支梁模型。单个喷嘴工作时，偏导板位于中位时，对其进行受力分析，假设射流压力作用在偏导板上的面积为A，则由射流引起的作用力为F＝pA，偏导板所在杆件在集中力F及两支点反作用力下产生的挠度y可由下式计算：

其中，E为偏导板所在杆件的等效弹性模量；I为偏导板所在杆件的转动惯量；a为偏导板中心距弹簧管中心的距离，b为偏导板中心距反馈杆球心的距离，p为压力。

因此有喷嘴与偏导板之间的间隙L为：

式中，δ为喷嘴与偏导板之间的初始间隙，由此可以看出，射流压力的变化会引起喷嘴与偏导板之间的间隙变化。

图12是本发明的射流流场示意图，对于从喷嘴中射出的流体而言，在射出的流场中包括等速核心区和剪切层两部分，在与喷嘴相距不同距离L的截面处流体速度不同，喷嘴射出的流体到达偏导板ω形凹槽处的速度可以表示为v＝f(L)。

图13是本发明的射流和接收口局部放大图，当偏导板位于中位时，假设经射流口射流流出的油液被偏导板截面反射进入左右接收通道时流量损失系数为ζ_q，仅与接收口及偏导板凹形槽结构有关，则单侧接收通道的恢复流量Q_r与到达偏导

板截面中心一侧处流量Q_s’可以由下式计算：

Q_r＝ζ_q·Q_s’，

假设油液喷射在偏导板中心一侧的面积为A，则到达偏导板中心一侧的流量：

Q_s’＝∫_AvdA，

因此，单侧接收通道的恢复流量为：

Q_r＝ζ_q·Q_s'＝ζ_q·∫_AvdA＝ζ_q·∫_Af(L)dA，

流量恢复系数：

其中，流量恢复系数与喷嘴和偏导板间的间隙L有关，当采用对称布置的喷嘴时，偏导板受力平衡，喷嘴与偏导板之间的间隙不随射流压力的变化而改变，则流量恢复系数不变，这种情况使得用于推动滑阀阀芯动作的油液流量更加稳定。

取射流板回油腔内某截面①，则满足p＝p_e，p_e为回油环境压力，此时的速度：

v'＝ζ'v＝ζ'·f(L)，

其中ζ'为油液从偏导板面到截面①处的速度损失；取接收通道内某截面②，满足v＝0，此时的压力为接收通道内流体的恢复压力p_r；则从面①到面②的流体应用伯努利方程可得：

其中，h₁、h₂表示喷嘴面和接收面相对于某一水准面的高度；a₁为动能修正系数，过流断面上流速均匀的情况下取1；ρ为油液密度；g为重力加速度。在这里忽略重力势能h₁、h₂，则恢复压力可以表示为：

压力恢复系数：

压力恢复系数与喷嘴和偏导板间的间隙L有关，当采用对称布置的喷嘴时，偏导板受力平衡，偏导板与射流口之间的间隙不变，则恢复压力系数K_pr不变，这种情况使得用于推动滑阀阀芯动作的油液压力更加稳定。

图14是本发明的负载流量QL随偏导板位移的关系曲线图，图中QL表示负载流量，X/Xmax表示偏导板位移与最大位移的比值。当偏导板的ω形凹槽中心正对射流口中心时，射流流量均等的进入左右接受通道，阀芯不动作，偏导板伺服阀输出流量为0；取偏导板向右运动为正方向，当偏导板右移时，进入左侧接收通道的流量大于进入右侧接收通道的流量，表现为阀芯右移，取此时偏导板的输出流量为正值；反之，当偏导板左移时，输出流量为负。对于对称布置的喷嘴和接收通道，流量增益：

为单个喷嘴时的2倍，大致呈现为图示曲线的关系，其中，q为单个接收通道接收的流量，x_v为偏导板移动的位移量，当流量增益提高时，有利于提高滑阀运动的快速性。

图15是本发明的不同射流压力下的对称布置射流口和单个射流口的流量恢复系数K_qr及压力恢复系数K_pr随偏导板位移的变化曲线图，X/Xmax表示偏导板位移与最大位移的比值，Kpr表示压力恢复系数，等于恢复压力(接收口接收到的压力)与供油压力的比值，Kqr表示流量恢复系数，等于恢复流量(接收口接收到的流量)与供油流量的比值，图中点画线、虚线和实线分别表示三种不同射流压力下的曲线。对于传统的单个射流口，随着射流压力p的增大，偏导板与射流口间的间隙L增大，从而导致流量恢复系数K_qr及压力恢复系数K_pr减小；而对于对称布置的射流和接收口，由于偏导板在射流轴线方向受力平衡，偏导板与射流口间的间隙L不随射流压力p变化，因此由图13中所述的计算表达式可知，其流量恢复系数K_qr不变，其压力恢复系数K_pr由于环境压力p_e的存在有稍许变化，当p_e＝0时K_pr也不变。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，包括力矩马达(1)、射流盘(5)、偏导板(3)、反馈杆(4)和滑阀(6)，所述的力矩马达(1)设有衔铁组件(2)，所述的射流盘(5)设有回油腔(13)，所述的偏导板(3)设置在射流盘(5)的回油腔(13)内，偏导板(3)上部连接衔铁组件(2)，偏导板(3)下部连接反馈杆(4)，反馈杆(4)的另一端连接滑阀(6)的阀芯，所述的滑阀(6)设于该伺服阀的油室内，

其特征在于，所述的射流盘(5)设有成对的连通回油腔(13)的接收通道(16)和射流通道(17)，所述的接收通道(16)分别连通至滑阀(6)两侧，所述的射流通道(17)连接供油口(8)，由油源供油，所述的偏导板(3)设有与接收通道(16)相对应的凹槽(21)，

所述的力矩马达(1)输入非零信号后，衔铁组件(2)对偏导板(3)产生力的作用，偏导板(3)偏离中间位置，射流通道(17)的入射油液经偏导板凹槽(21)反射进入接收通道(16)，滑阀(6)两侧油液不对称产生压差，驱动滑阀阀芯运动，滑阀(6)偏离中间位置输出相应流量，同时阀芯的位移带动反馈杆(4)，反馈到力矩马达(1)，实现输出流量的伺服控制。

2.根据权利要求1所述的一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，其特征在于，所述的接收通道(16)设有四个，所述的射流通道(17)设有两个，所述的接收通道(16)与射流通道(17)截面呈“米”字形，所述的射流通道(17)位于接收通道(16)之间。

3.根据权利要求2所述的一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，其特征在于，所述的凹槽(21)为前后对称的ω形凹槽，所述的ω形凹槽与接收通道(16)和射流通道(17)的端口相对应。

4.根据权利要求3所述的一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，其特征在于，所述的ω形凹槽的中间为分油界面(20)，所述的偏导板(3)处于中间位置时，分油界面(20)与射流通道(17)的端口对正。

5.根据权利要求4所述的一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，其特征在于，所述的射流盘(5)为扁平圆柱形，射流盘(5)两端分别设有上端盖(18)和下端盖(19)，所述的回油腔(13)设置在射流盘(5)的中间，所述的回油腔(13)截面呈圆角矩形。

6.根据权利要求5所述的一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，其特征在于，所述的偏导板(3)为扁平的长块状，偏导板(3)的截面呈圆角矩形。

7.根据权利要求1所述的一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，其特征在于，所述的伺服阀设有连通油室的回油口(9)和负载口(7)，所述的负载口(7)设有两个，与后续执行机构相连。

8.根据权利要求1所述的一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，其特征在于，所述的偏导板(3)与衔铁组件(2)之间通过杆件连接，杆件外套设弹簧管。

9.根据权利要求1所述的一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，其特征在于，所述的射流通道(17)与偏导板(3)的前后平面垂直，所述的接收通道(16)与射流通道(17)的夹角为30-60度。

10.根据权利要求1所述的一种双冗余反弹射流偏导板伺服阀，其特征在于，所述的ω形凹槽为两个并排的半圆柱形凹槽，凹槽半径大于接收通道(16)与射流通道(17)出口的宽度。