CN109519433A - 一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀，由转动轴1、转盘2、两个导磁铁芯4、两个励磁线圈5、线性平动件6、壳体7、轴承8、密封圈9和驱动机10组成，转盘2固定连接在转动轴1上，线性平动件6安装在转盘2旁边，线性平动件6的两侧开有对称的安装孔，两个励磁线圈5分别安装在线性平动件6两侧的安装孔中，两个导磁铁芯4分别安装在两个励磁线圈5中间，在壳体7内填充有磁流变液3，驱动机10与转动轴1连接。该高速液压阀的驱动装置响应速度快，额定行程大，电能消耗低,能对高速液压阀双向主动驱动，不受系统流向影响,结构紧凑并易于插装，可以实现开关控制、换向控制和比例控制，有良好的液压系统适配性。
Description
技术领域
本发明属于液压技术中的高速液压阀技术领域，具体涉及一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀。
背景技术
现今新兴的高效节能的液压技术都无一例外的有一个应用前提，即高速液压阀技术的成熟。缩短高速液压阀的响应时间和增大额定流量(一般用阀口压降5bar时的系统流量记为额定流量)均将提高这些新兴的数字液压系统的工作效率。特别地，当高速阀的响应时间超过1.5ms同时额定流量不足25L/min时，数字液压系统并没有显示出优势的工作效率；而当高速阀的响应时间不超过4ms且额定流量超过90L/min后，数字液压系统的阀控能耗将趋于最小。因此，未来高速液压阀的设计方向与目标是：快速响应,大额定流量,低电能消耗,不受系统流向影响,结构紧凑并易于插装等。
为了开发高速液压阀，国内外已经在阀体结构、驱动方式甚至阀体选材等多方面都做出了许多有意义的探索。高速液压阀的开发设计主要集中于液压阀的驱动系统及相应的阀体结构。来自Sturman Industries的Johnson等基于传统的电磁阀驱动系统(泛指通电螺线管励磁后产生电磁力驱动铁阀芯移动)做出了结构上的改进，设计了具有一种“壶型铁芯”结构的高速电磁开关阀。这种结构使得该阀在最大阀位时能够利用剩磁产生的自锁力来保持阀位，从而节省了用励磁电流产生的电磁力来维持阀位消耗的能量。Sturman高速阀的开关阀位切换时间仅需0.45ms，然而该阀随着阀芯位移增加，作用在阀芯上的电磁驱动力显著降低，直到无法克服作用在阀芯上的流体力，使得驱动行程较短从而流量面积也较小，所以该阀的额定流量仅为12L/min，使其应用范围十分有限。
为了弥补螺线管式电磁阀这一固有的缺陷，采用先导式的阀体结构来开发更大额定流量的电磁阀成为一个普遍的选择，即先励磁驱动小流量的先导级电磁阀，再通过先导级电磁阀开启产生的压差来驱动主阀芯的运动。例如，Winkler等开发出了一种先导式多阀芯高速电磁阀，他们将自己设计的额定流量为10L/min的电磁阀置于先导级，再利用一个较为廉价的滚柱轴承部件承接多个小阀芯构成一个具有多阀芯的主阀芯结构，这样该阀在获得快速响应的同时，还能形成较大的流量面积即更大的额定流量。测试结果显示该阀仅用2ms全开的同时还获得了85L/min的额定流量。然而，该阀只能完成单向控制，在关闭该阀的过程中需要借助回位弹簧，这使得关阀耗时依赖于阀口压差并且无法应对系统逆流的情况。为了实现先导式高速电磁阀的双向控制驱动，Wilfong等开发出了一种双向高速止回阀。该阀也采用先导式的阀体结构，其主阀套与主阀芯在结构上形成两个腔体并利用两腔内的压差驱动主阀芯移动，另外该阀的先导级电磁阀采用两位四通的滑阀结构，这样可以通过控制先导级的阀位来对调两个驱动腔的流体压强，从而改变主阀芯的运动方向实现双向驱动。
除了基于传统电磁阀的技术改进，学者们还开发了在驱动方式不同于以往的高速阀。英国Bath大学的Branson等人开发了一种由压电驱动器驱动的高速阀。该阀的压电驱动器可提供近1kN大驱动力并且具有接近1000Hz的控制带宽，使得其阀的开关耗时仅需2ms。另外为了弥补压电驱动器仅几十微米的驱动冲程，该阀主阀芯的设计采用了压缩机领域常用的多孔板的概念，以此获得更大的流量面积，但其额定流量仍然仅有28L/min的水平，而且压电驱动器较传统螺线管式电磁驱动器的成本更高。目前的高速液压设计更着重于提高阀的响应速度，但对提高阀的额定流量以及结构易插装性等其他方面的性能缺乏深入研究。另外，现行高速阀的研究集中于高速开关阀，缺乏针对高速比例阀的开发研究，使得这些新式高速阀仅适配于某一特定的数字液压系统，导致它们的应用非常局限。
发明内容
本发明的目的是设计一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀，使其响应速度快，额定行程大，电能消耗低,能对高速液压阀双向主动驱动，不受系统流向影响,结构紧凑并易于插装，可以实现开关控制和比例控制，有良好的液压系统适配性。
本发明的技术方案是一种高速液压阀的驱动装置，由转动轴1、转盘2、两个导磁铁芯4、两个励磁线圈5、线性平动件6、壳体7、轴承8、密封圈9和驱动机10组成，转盘2固定连接在转动轴1上，转动轴1两端通过轴承安装在壳体7的前后壁上，转动轴1的两端带有联轴结构，转动轴1与壳体7之间装有密封圈9；线性平动件6安装在转盘2旁边，与转盘2之间有间隙，线性平动件6中间有孔，使线性平动件6与转动轴1之间有间隙，线性平动件6上下两端有滑动轴，线性平动件6的上滑动轴通过轴承8安装在壳体7的上端，线性平动件6的下滑动轴通过轴承8安装在壳体7的下端，并用密封圈9与壳体7密封，线性平动件6的两侧开有对称的安装孔，两个励磁线圈5分别安装在线性平动件6两侧的安装孔中，两个导磁铁芯4分别安装在两个励磁线圈5中间，两个励磁线圈5的引线绝缘的引出壳体7；驱动机10与转动轴1的连接。
在所述壳体7内填充磁流变液3。
所述转盘2至少有两个，每两个转盘2之间有间隙的固定连接在转动轴1上，线性平动件6安装在两个转盘2之间的间隙中。
所述线性平动件6的中间开有长圆孔，其两侧开有对称的长圆或腰形安装孔，所述励磁线圈5为长圆形或腰形，所述导磁铁芯4为长圆形或腰形。
所述驱动机10为电动机、液压泵或液压马达。
所述转动轴1的两端带有的联轴结构为花键轴、花键孔、单键轴、单键孔、联轴器。
一种高速液压阀，包括阀体11和阀芯12，以及根据权利要求1-6中任一项所述的高速液压阀的驱动装置，所述阀体11安装在壳体7的下端，线性平动件6的下滑动轴与阀芯12连接。
本发明的所提供的一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀具有以下优点：
1.本发明采磁流变液构建的动力耦合装置应用于高速液压阀的驱动。在线性平动件6与转盘2之间充满磁流变液3，线性平动件6上装有励磁线圈5和导磁铁芯4，在励磁线圈5通电后，线性平动件6与转盘2之间通过磁流变液3建立磁场连接，形成动力耦合装置，使转盘2带动线性平动件6做向上或向下平动运动，进而带动高速液压阀的阀芯12运动。本发明的磁流变液动力耦合装置的特点是：瞬时(毫秒之内)并可逆的流变响应；大范围可控(50kPa以上)的流变应力；磁化能耗较低；对温度等外部环境条件具有很强的抗干扰能力；无磨损性避免了机械传动件的冲击和振动。使本发明的高速液压阀的驱动装置具备如下特点：快速的动力耦合响应；大范围无级调控的驱动力；无机械磨损的动力耦合以及更好的环境适应性，及良好的液压系统适配性。
2.本发明采用两个或多个转盘2，每两个转盘2之间有间隙，从而使置入其中的线性平动件6的前后表面之间形成两个磁流变液动力耦合界面，这样励磁线圈5通电后转盘2和线性平动件6之间的产生的剪切驱动力将会加倍，进一步增加高速液压阀的驱动装置提供的驱动力。
3.通过驱动转盘2带动线性平动件6进而驱动高速液压阀阀芯运动的方式，使得高速液压阀具有短时间内获得长距离阀芯行程的能力，因为磁流变液的剪切驱动力将持续对线性平动件加速直至其速度能够追上转盘2的速度，而更大的阀芯行程则意味着高速液压阀具有更大的额定流量。
4.线性平动件6采用对称的结构，其上安装的两组励磁线圈5和导磁铁芯4作为励磁单元分别置于线性平动件6的两侧，使得线性平动件6可以双向驱动阀芯12，线性平动件6受轴承8约束，能消除偏心力矩，使线性平动件6不至于卡死。当线性平动件6的一侧励磁线圈5通电后，与转盘2之间产生动力耦合，转盘2带动线性平动件6向上平动运动，当线性平动件6的另一侧励磁线圈5通电后，与转盘2之间产生动力耦合，转盘2带动线性平动件6向下平动运动，能对高速液压阀双向主动驱动，可使阀芯12不受系统流向影响。
5.本发明的励磁单元，与传统的螺线管式电磁阀中呈长圆柱状的线圈和电枢铁芯有所不同，其励磁线圈5和导磁铁芯4都非常轻薄，厚度小，这样就使整个驱动件的质量显著减小，从而进一步缩短高速液压阀的开关响应时间，同时，励磁线圈5电能消耗低。
6.可用液压泵/马达通过传动轴1直接驱动转盘2，不仅使整个结构更为紧凑，而且充分利用液压系统本身的能量，提高液压系统的能量利用率。使用电动机驱动转盘2时，可以使高速液压阀使用布置灵活。
7.通过调节励磁线圈5的电流，可以控制转盘2和线性平动件6之间的动力耦合力的大小，可以适应各种高速液压阀的工况要求，构造适用于不同工况下的高速液压阀，如开关型高速液压座阀、换向型高速液压滑阀以及比例调节型高速液压阀等高速液压阀。
8.本发明的高速液压阀的驱动装置可以构成两种插装式高速液压阀。一种是在壳体7内安装多个转盘2，每两个转盘2之间安装一个线性平动件6，每个线性平动件6带动一个高速液压阀，高速液压阀安装在壳体7的下端，由此构成一种插装式高速液压阀。另一种插装方式是转动轴1的轴端带有联轴结构，如一端带有花键，另一端带有花键孔，花键可以插入花键孔中，多个高速液压阀的驱动装置可以通过花键和花键孔串联在一起，形成插装式高速液压阀。
附图说明
图1为一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀主视剖面结构示意图。
图2为一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀俯视剖面结构示意图。
图3为线性平动件、励磁线圈和导磁铁芯的轴侧图。
图4为一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀多转盘侧视剖面结构示意图。
图5为一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀多壳体串联侧视剖面结构示意图。
图中标号说明如下：
1.转动轴，2.转盘，3.磁流变液，4.导磁铁芯，5.励磁线圈，6.线性平动件，7.壳体，8.轴承，9.密封圈，10.驱动机，11.阀体，12.阀芯，
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例
本实施例所述的一种高速液压阀的驱动装置及高速液压阀的结构示意图见图1到图3所示。
本实施例以装有两个转盘的结构为例，说明高速液压阀的驱动装置及高速液压阀的结构，但是本领域技术人员能够理解，装有一个或多个转盘的高速液压阀的驱动装置的结构原理与此相同。
如图1-3所示，本实施例所述的一种高速液压阀的驱动装置，由一根转动轴1、两个转盘2、磁流变液3、两个导磁铁芯4、两个励磁线圈5、一个线性平动件6、一个壳体7、两个轴承8、三个密封圈9和一个液压泵10组成。转盘2用导磁材料制作，用键固定连接在转动轴1上。转动轴1两端通过轴承安装在壳体7的前后壁上，转动轴1的一端伸出壳体7，其上有花键，转动轴1的另一端带有花键孔，花键轴可以插入花键孔中，转动轴1与壳体7之间装有密封圈9。线性平动件6为扁平形零件，安装在转盘2旁边，与转盘2之间有间隙，线性平动件6中间开有长圆孔，使线性平动件6与转动轴1之间上下有较大的间隙，不防碍线性平动件6的平动范围，线性平动件6上下两端有滑动轴，线性平动件6的上滑动轴通过轴承8安装在壳体7的上端，线性平动件6的下滑动轴通过轴承8安装在壳体7的下端，并用密封圈9与壳体7密封，线性平动件6的两侧开有对称的长圆安装孔，两个长圆形励磁线圈5分别安装在线性平动件6两侧的长圆安装孔中，两个长圆形导磁铁芯4分别安装在两个长圆形励磁线圈5中间，两个长圆形励磁线圈5的引线绝缘的引出壳体7；磁流变液3填充在壳体7内；液压泵10与转动轴1连接。
本领域技术人员能够理解，在所述壳体7内不填充磁流变液3时，线性平动件6两侧的磁线圈5和导磁铁芯4与转盘2之间依然可以产生磁性动力耦合，只是其响应速度、耦合剪切驱动力等性能不如填充磁流变液3时的性能好。
本领域技术人员能够理解，装有一个转盘2时，线性平动件6的磁线圈5和导磁铁芯4与转盘2之间依然可以产生磁性动力耦合，本实施例中所述转盘2有两个，因此在线性平动件6的两个侧面都产生磁性动力耦合，比装有一个转盘2时的高速液压阀的驱动装置的磁性动力耦合大一倍。
本领域技术人员能够理解，所述线性平动件6的两侧可以开有对称的其他形状的安装孔，所述励磁线圈5和导磁铁芯4的形状与之相配即可。
本领域技术人员能够理解，也可以根据需要用电动机或液压马达驱动高速液压阀的驱动装置的转动轴1。
本领域技术人员能够理解，所述转动轴1的两端上还可以采用单键、联轴器等连接结构，所述转动轴1的另一端带有与之相应连接结构。
本领域技术人员能够理解，所述密封圈9用于密封壳体7内的磁流变液3。
高速液压阀的驱动装置工作时，高速液压阀的阀体11安装在壳体7的下端，线性平动件6的下滑动轴与阀芯12连接。液压泵10启动后，若带动转动轴1和转盘2沿顺时针方向转动，当线性平动件6的左侧励磁线圈5通电后，与转盘2之间产生动力耦合，转盘2带动线性平动件6向上平动运动，进而带动阀芯12向上运动，打开高速液压阀；当线性平动件6的右侧励磁线圈5通电后，与转盘2之间产生动力耦合，转盘2带动线性平动件6向下平动运动，进而带动阀芯12向下运动，关闭高速液压阀。控制阀芯12的开合时间和开合距离，从而控制油路的压强和流量。
当通过调节励磁线圈5的电流，可以控制转盘2和线性平动件6之间的动力耦合力的大小，进而带动阀芯12按比例开启，构成比例调节型高速液压阀。
本发明的高速液压阀的驱动装置及高速液压阀具有响应速度快，额定行程大，电能消耗低,能对高速液压阀双向主动驱动，不受系统流向影响,结构紧凑并易于插装，可以实现开关控制、换向控制和比例控制，有良好的液压系统适配性。
如图4所示，是一种在壳体7内安装五个转盘2，安装四个线性平动件6的高速液压阀的驱动装置，在壳体7外装有四个高速液压阀，构成一种插装式高速液压阀，可以组成高速液压控制回路。其工作原理和特点与装有两个转盘2的高速液压阀的驱动装置相同。本领域技术人员能够理解，可以根据实际需要，在壳体7内安装多个转盘2。
如图5所示，四个高速液压阀的驱动装置串联在一起，每个高速液压阀的驱动装置的转动轴1的花键轴插入另一个高速液压阀的驱动装置转动轴1的花键孔中，形成插装式高速液压阀。在壳体7外装有四个高速液压阀，可以组成高速液压控制回路。其工作原理和特点与装有两个转盘2的高速液压阀的驱动装置相同。本领域技术人员能够理解，可以根据实际需要，可以串联多个高速液压阀的驱动装置。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种高速液压阀的驱动装置，其特征是：由转动轴(1)、转盘(2)、两个导磁铁芯(4)、两个励磁线圈(5)、线性平动件(6)、壳体(7)、轴承(8)、密封圈(9)和驱动机(10)组成，转盘(2)固定连接在转动轴(1)上，转动轴(1)两端通过轴承安装在壳体(7)的前后壁上，转动轴(1)的两端带有联轴结构，转动轴(1)与壳体(7)之间装有密封圈(9)；线性平动件(6)安装在转盘(2)旁边，与转盘(2)之间有间隙，线性平动件(6)中间有孔，使线性平动件(6)与转动轴(1)之间有间隙，线性平动件(6)上下两端有滑动轴，线性平动件(6)的上滑动轴通过轴承(8)安装在壳体(7)的上端，线性平动件(6)的下滑动轴通过轴承(8)安装在壳体(7)的下端，并用密封圈(9)与壳体(7)密封，线性平动件(6)的两侧开有对称的安装孔，两个励磁线圈(5)分别安装在线性平动件(6)两侧的安装孔中，两个导磁铁芯(4)分别安装在两个励磁线圈(5)中间，两个励磁线圈(5)的引线绝缘的引出壳体(7)；驱动机(10)与转动轴(1)的连接。
2.根据权利要求1所述的一种高速液压阀的驱动装置，其特征还在于：在所述壳体(7)内填充磁流变液(3)。
3.根据权利要求1所述的一种高速液压阀的驱动装置，其特征还在于：所述转盘(2)至少有两个，每两个转盘(2)之间有间隙的固定连接在转动轴(1)上，线性平动件(6)安装在两个转盘(2)之间的间隙中。
4.根据权利要求1所述的一种高速液压阀的驱动装置，其特征还在于：所述线性平动件(6)的中间开有长圆孔，其两侧开有对称的长圆或腰形安装孔，所述励磁线圈(5)为长圆形或腰形，所述导磁铁芯(4)为长圆形或腰形。
5.根据权利要求1所述的一种高速液压阀的驱动装置，其特征还在于：所述驱动机(10)为电动机、液压泵或液压马达。
6.根据权利要求1所述的一种高速液压阀的驱动装置，其特征还在于：所述转动轴(1)的两端带有的联轴结构为花键轴、花键孔、单键轴、单键孔、联轴器。
7.一种高速液压阀，其特征是：包括阀体(11)和阀芯(12)，以及根据权利要求1-6中任一项所述的高速液压阀的驱动装置，所述阀体(11)安装在壳体(7)的下端，线性平动件(6)的下滑动轴与阀芯(12)连接。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113253768A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-08-13 | 武汉润晶汽车电子有限公司 | 一种基于磁流变体的流量控制装置及其控制方法 |
| CN114412401A (zh) * | 2022-01-19 | 2022-04-29 | 中国农业大学 | 一种振动固井工具和其性能测试室内试验装置及使用方法 |
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2019
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| CN109519433B (zh) | 2024-01-30 |
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