CN109555740A - 一种水基比例阀及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种用于液压支架电液控制系统的比例阀，具体是一种水基比例阀及其控制方法。包括水基比例阀结构和测试控制部分，水基比例阀结构包括主阀进液阀套、主阀弹簧、主阀阀座、主阀回液阀芯、主阀进液阀芯、主阀套、主阀回液阀套、先导阀进液阀芯弹簧、先导阀进液阀芯弹簧座、先导阀进液球阀、先导阀进液阀座、先导阀回液阀芯弹簧、先导阀回液阀芯、单向阀、二位二通电磁开关阀、顶杆、L型驱动杆、丝杠螺母机构和直流伺服电机。本发明解决了煤矿井下液压支架精确调整姿态并降低液压冲击的问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种用于液压支架电液控制系统的比例阀，具体是一种水基比例阀及其控制方法。
背景技术
液压支架是煤矿综采工作面的关键支护设备，目前它完全依靠开关式电液换向阀操纵进行升、降、推、移等动作，由于支架本身及负载惯量大，开关式电液换向阀在快速换向时，由于流量突变会造成巨大的液压冲击，造成设备和管路振动，产生噪声，甚至造成液压元件、系统损坏，严重影响生产。随着煤层厚度越来越高，系统流量越来越大，这种液压冲击问题变得越来越突出。另外，为保证支护效果，经常须对液压支架进行姿态调整，需要的流量极小，但开关式电液换向阀启动时流量大且不可控，不能保证支架精确调整姿态。所以急需一种能够适用于液压支架并能调节流量的电液比例阀，通过控制阀芯启闭过程来调节流量，并起到降低液压冲击的目的。首先，目前的比例阀多采用比例电磁铁做电-机械转换器驱动阀芯，但由于比例电磁铁受力与行程此消彼长的矛盾关系，很难进行大流量（大行程）比例控制。其次，目前的比例阀多以油为介质，但煤矿井下对环保、安全等方面要求高，综采工作面采用乳化液或水为传动介质，必然使水基比例阀在结构、密封方式、控制特性等方面与传统油阀有所不同。因此，本发明提出一种大流量水基比例阀及其控制方法，以解决煤矿井下液压支架精确调整姿态并降低液压冲击的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种水基比例阀及其控制方法。
本发明采取以下技术方案：一种水基比例阀，包括水基比例阀结构和测试控制部分，水基比例阀结构包括主阀进液阀套、主阀弹簧、主阀阀座、主阀回液阀芯、主阀进液阀芯、主阀套、主阀回液阀套、先导阀进液阀芯弹簧、先导阀进液阀芯弹簧座、先导阀进液球阀、先导阀进液阀座、先导阀回液阀芯弹簧、先导阀回液阀芯、单向阀、二位二通电磁开关阀、顶杆、L型驱动杆、丝杠螺母机构和直流伺服电机。
进一步的，主阀阀座上安装有主阀进液阀套，主阀进液阀套与主阀阀座之间设置有主阀弹簧，主阀进液阀芯与主阀阀座依靠平面密封，主阀进液阀芯上设有三角形节流窗口，主阀进液阀芯设置在主阀套内，并与主阀套形成主阀控制腔，主阀套与主阀回液阀套通过螺纹连接，并与主阀回液阀套形成回流腔体，主阀回液阀套上设置有与回流腔体连通的孔e，孔e与回流口O连通；主阀套设置有与主阀控制腔连通的孔f，还设置有与主阀回液阀芯左端相连通的孔道g，孔f与回液口O之间依次连接单向阀和二位二通电磁开关阀，且孔道g连接到单向阀的出口处。单向阀和二位二通电磁开关阀的组合使用能使比例阀在回程过程时，主阀回液阀芯一直处于靠右的密封状态，若f与g直接连通，将造成比例阀高低压短路（即P口和O口连通），不能工作。
进一步的，先导阀进液球阀、先导阀进液阀芯弹簧座、先导阀进液阀芯弹簧从左至右依次安装在先导阀进液阀座中，构成一个整体，这个整体同心安装到主阀进液阀芯中；所述顶杆右端插入先导阀进液阀座中，且顶杆与先导阀进液阀座之间留有单边间隙；顶杆左端依靠螺纹与L型驱动杆相连，所述L型驱动杆安装在主阀回液阀套上，L型驱动杆穿过主阀回液阀套与之形成动密封副，L型驱动杆左端通过螺纹与丝杠螺母机构相连，丝杠螺母机构由直流伺服电机驱动；L型驱动杆上设置有贯通的凹槽，所述先导阀回液阀芯左侧设有一个凸肩，且凸肩安装在L型驱动杆的凹槽内，由凹槽对先导阀回液阀芯进行限位，先导阀回液阀芯右侧安装在主阀套内并与之形成滑动密封副，先导阀回液阀芯最右端设置有锥面结构或球面结构，锥面结构或球面结构与主阀进液阀芯左端面上的凹槽边缘形成线密封，先导阀回液阀芯内部开有用于主阀控制腔内液可以通过的中心孔，再经过主阀回液阀套上的孔e回到回液口O；主阀回液阀套与先导阀回液阀芯左侧凸肩之间安装有先导阀回液阀芯弹簧；所述主阀进液阀芯左端设置有环形槽b，所述主阀套上设有小孔a，环形槽b与小孔a连通，且主阀进液阀芯在左右全行程范围内移动时，环形槽b能够完全覆盖小孔a的位置。
进一步的，测试控制部分包括转速传感器、放大器、控制器和压力传感器，直流伺服电机和丝杠螺母机构之间设置有转速传感器，压力传感器设置在比例阀的出口A，压力传感器与控制器连接，控制器与放大器连接，放大器与直流伺服电机连接。
进一步的，顶杆与先导阀进液阀座之间的单边间隙为1mm。
一种水基比例阀的测试控制方法，由转速传感器检测直流伺服电机输出轴的转速，对转速积分就可以得到输出位移大小，通过控制器实现对伺服电机转速的主动控制，从而控制比例阀阀芯的位置，在比例阀的出口A设置有压力传感器，当由负载口A的压力波动造成流量变化时，由公式可知，在负载压力PA波动时，要想位置流量恒定，可以通过调节阀芯位置从而调节过流面积A的大小来维持流量不变，因此，由压力传感器检测负载口A的压力PA，通过控制器调节比例阀阀芯位置，使流量在负载压力PA波动时维持恒定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）将先导进液阀与先导回液阀集成到主阀进液阀芯里面，不但能构成位置随动系统，还能缩小体积，节省井下空间占用。
（2）传统的电液比例阀采用比例电磁铁进行驱动，比例电磁铁在保持阶段发热严重，而且控制行程短，控制流量小。而本发明采用直流伺服电机加丝杠螺母机构，保持阶段由丝杠螺母机构自锁完成，不必为直流伺服电机供电，这个阶段能节约50%以上的能量。而且本发明构成位置随动系统，控制行程不受影响，控制流量范围大。
（3）本发明既能主动控制阀芯启闭阶段的位置/速度，又能被动控制保持阶段的负载压力干扰，即由位置/压力双反馈控制流量，降低液压冲击。
（4）本发明以水基液作为传动介质，也可以用纯水介质传动替代，便于井下实现无污染生产。
附图说明
图1为本发明的结构图；
其中：1-主阀进液阀套，2-主阀弹簧，3-主阀阀座，4-主阀回液阀芯，5-主阀进液阀芯，6-先导阀进液阀芯弹簧，7-先导阀进液阀芯弹簧座，8-先导阀进液球阀，9-先导阀进液阀座，10-顶杆，11-主阀回液阀套，12-L型驱动杆，13-丝杠螺母机构，14-转速传感器，15-直流伺服电机，16-放大器，17-控制器，18-压力传感器，19-先导阀回液阀芯弹簧，20-先导阀回液阀芯，21-主阀套，22-单向阀，23-二位二通电磁开关阀，P-进液口，O-回液口，A-工作口。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种水基比例阀，包括水基比例阀结构和测试控制部分，水基比例阀结构包括主阀进液阀套1、主阀弹簧2、主阀阀座3、主阀回液阀芯4、主阀进液阀芯5、主阀套21、主阀回液阀套11、单向阀22、二位二通电磁开关阀23、先导阀进液阀芯弹簧6、先导阀进液阀芯弹簧座7、先导阀进液球阀8、先导阀进液阀座9、先导阀回液阀芯弹簧19、先导阀回液阀芯20、顶杆10、L型驱动杆12、丝杠螺母机构13和直流伺服电机15。
所述主阀阀座3上安装有主阀进液阀套1，主阀进液阀套1与主阀阀座3之间设置有主阀弹簧2，主阀进液阀芯5与主阀阀座3依靠平面密封，主阀进液阀芯5上设有三角形节流窗口，主阀进液阀芯5设置在主阀套21内，并与主阀套21形成主阀控制腔，主阀套21与主阀回液阀套11通过螺纹连接，两者之间形成回流腔体，主阀回液阀套11上设置有与回流腔体连通的孔e，孔e与回流口O连通；主阀套21设置有与主阀控制腔连通的孔f，还设置有与主阀回液阀芯4左端相连通的孔道g，孔f与回液口O之间依次连接单向阀22和二位二通电磁开关阀23，且孔道g连接到单向阀22的右端出口处（也是二位二通电磁开关阀23的进口）。
所述先导阀进液球阀8、先导阀进液阀芯弹簧座7、先导阀进液阀芯弹簧6从左至右依次安装在先导阀进液阀座9中，构成一个整体，这个整体同心安装到主阀进液阀芯5中；所述顶杆10右端插入先导阀进液阀座9中，且顶杆10与先导阀进液阀座9之间留有单边间隙；顶杆10左端依靠螺纹与L型驱动杆12相连，所述L型驱动杆12安装在主阀回液阀套11上，L型驱动杆12穿过主阀回液阀套11与之形成动密封副，L型驱动杆12左端通过螺纹与丝杠螺母机构13相连，丝杠螺母机构13由直流伺服电机15驱动；L型驱动杆12上设置有贯通的凹槽，所述先导阀回液阀芯20左侧设有一个凸肩，且凸肩安装在L型驱动杆12的凹槽内，由凹槽对先导阀回液阀芯20进行限位，先导阀回液阀芯20右侧安装在主阀套21内并与之形成滑动密封副，先导阀回液阀芯20最右端设置有锥面结构或球形结构，锥面结构或球形结构与主阀进液阀芯5左端面上的凹槽边缘形成线密封，先导阀回液阀芯20内部开有用于主阀控制腔内液可以通过的中心孔，再经过主阀回液阀套11上的孔e回到回液口O；主阀回液阀套11与先导阀回液阀芯20左侧凸肩之间安装有先导阀回液阀芯弹簧19；所述主阀进液阀芯5左端设置有环形槽b，其槽宽为8.5mm，所述主阀套21上设有小孔a，环形槽b与小孔a连通，且主阀进液阀芯5在左右全行程范围内移动时，环形槽b能够完全覆盖小孔a的位置。
所述测试控制部分包括转速传感器14、放大器16、控制器17和压力传感器18，直流伺服电机15和丝杠螺母机构13之间设置有转速传感器14，压力传感器18设置在比例阀的出口A，压力传感器18与控制器17连接，控制器17与放大器16连接，放大器16与直流伺服电机15连接。
水基比例阀工作原理及特点：开启过程时，直流伺服电机15作为电-机械转换器带动丝杠旋转，螺母做直线运动，通过L型驱动杆12和顶杆10驱动先导阀进液球阀8右移打开一定开度，高压液沿先导阀进液阀座9与顶杆10之间的环形间隙进入主阀控制腔，液流经过孔f和单向阀22（此时二位二通电磁开关阀23关闭），再经过孔道g到达主阀回液阀芯4左端，先推动主阀回液阀芯4右移，关闭主阀芯回液口O，再推动主阀进液阀芯5右移，主阀进液阀芯节流窗口打开，直至先导阀进液球阀8的阀口又关闭。丝杠螺母13不断向右移动，主阀进液阀芯5不断跟着向右移动，顶杆10和先导阀进液球阀8向右移动多少距离，主阀进液阀芯5就会跟随向右移动多少距离，但主阀芯5的移动滞后于先导阀进液球阀8，这样就实现了异步跟随。开启过程中先导阀回液阀芯20的右端锥面在先导阀回液阀芯弹簧19的弹簧力的作用下始终紧贴主阀进液阀芯5左端面的凹槽，使先导阀回液阀口一直处于关闭状态，这样，先导阀回液阀芯20同步跟随主阀进液阀芯5运动。
关闭过程时，直流伺服电机15带动丝杠螺母13和L型驱动杆12向左移动，先导阀回液阀芯20与顶杆10在L型驱动杆12的作用下同步左移，先导阀回液阀芯20右端锥面脱离主阀进液阀芯5左端面凹槽，先导阀回液阀口打开，主阀控制腔液体与回液口O连通，主阀进液阀芯5左移，直至主阀进液阀芯5左端面凹槽边缘再次紧贴先导阀回液阀芯20右端锥面，不断重复这个过程，这样，关闭过程中，主阀进液阀芯5异步跟随先导阀回液阀芯20向左运动，先导阀进液球阀8始终与先导阀进液阀座9和主阀进液阀芯5同步向左运动。
开启过程时，所述先导阀进液球阀8与主阀进液阀芯5构成级间机械反馈，关闭过程时，所述先导阀回液阀芯20与主阀进液阀芯5构成级间机械反馈。所述压力传感器18对负载压力进行反馈，补偿负载变化的引起的流量变化。
一种水基比例阀的测试控制方法，由转速传感器14检测直流伺服电机15输出轴的转速，对转速积分就可以得到输出位移大小，通过控制器17实现对伺服电机15转速的主动控制，从而控制比例阀阀芯的位置，在比例阀的出口A设置有压力传感器18，当由负载口A的压力波动造成流量变化时，由公式可知，在负载压力PA波动时，要想位置流量恒定，可以通过调节阀芯位置从而调节过流面积A的大小来维持流量不变，因此，由压力传感器18检测负载口A的压力PA，通过控制器调节比例阀阀芯位置，使流量在负载压力PA波动时维持恒定。
Claims (4)
1.一种水基比例阀，其特征在于：包括水基比例阀结构和测试控制部分，
水基比例阀结构包括主阀进液阀套（1）、主阀弹簧（2）、主阀阀座（3）、主阀回液阀芯（4）、主阀进液阀芯（5）、主阀套（21）、主阀回液阀套（11）、单向阀（22）、二位二通电磁开关阀（23）、先导阀进液阀芯弹簧（6）、先导阀进液阀芯弹簧座（7）、先导阀进液球阀（8）、先导阀进液阀座（9）、先导阀回液阀芯弹簧（19）、先导阀回液阀芯（20）、顶杆（10）、型驱动杆（12）、丝杠螺母机构（13）和直流伺服电机（15）；
所述主阀阀座（3）上安装有主阀进液阀套（1），主阀进液阀套（1）与主阀阀座（3）之间设置有主阀弹簧（2），主阀进液阀芯（5）与主阀阀座（3）依靠平面密封，主阀进液阀芯（5）上设有三角形节流窗口，主阀进液阀芯（5）设置在主阀套（21）内，并与主阀套（21）形成主阀控制腔，主阀套（21）与主阀回液阀套（11）通过螺纹连接，并与主阀回液阀套（11）形成回流腔体，主阀回液阀套（11）上设置有与回流腔体连通的孔e，孔e与回流口O连通；
主阀套（21）设置有与主阀控制腔连通的孔f，还设置有与主阀回液阀芯（4）左端相连通的孔道g，孔f与回液口O之间依次连接单向阀（22）和二位二通电磁开关阀（23），且孔道g连接到单向阀（22）的出口处；
所述先导阀进液球阀（8）、先导阀进液阀芯弹簧座（7）、先导阀进液阀芯弹簧（6）从左至右依次安装在先导阀进液阀座（9）中，构成一个整体，这个整体同心安装到主阀进液阀芯（5）中；所述顶杆（10）右端插入先导阀进液阀座（9）中，且顶杆（10）与先导阀进液阀座（9）之间留有单边间隙；顶杆（10）左端依靠螺纹与L型驱动杆（12）相连，所述L型驱动杆（12）安装在主阀回液阀套（11）上，L型驱动杆（12）穿过主阀回液阀套（11）与之形成动密封副，L型驱动杆（12）左端通过螺纹与丝杠螺母机构（13）相连，丝杠螺母机构（13）由直流伺服电机（15）驱动；L型驱动杆（12）上设置有贯通的凹槽，所述先导阀回液阀芯（20）左侧设有一个凸肩，且凸肩安装在L型驱动杆（12）的凹槽内，由凹槽对先导阀回液阀芯（20）进行限位，先导阀回液阀芯（20）右侧安装在主阀套（21）内并与之形成滑动密封副，先导阀回液阀芯（20）最右端设置有锥面结构或球形结构，锥面结构或球形结构与主阀进液阀芯（5）左端面上的凹槽边缘形成线密封，先导阀回液阀芯（20）内部开有用于主阀控制腔内液可以通过的中心孔，再经过主阀回液阀套（11）上的孔e回到回液口O；主阀回液阀套（11）与先导阀回液阀芯（20）左侧凸肩之间安装有先导阀回液阀芯弹簧（19）；所述主阀进液阀芯（5）左端设置有环形槽b，所述主阀套（21）上设有小孔a，环形槽b与小孔a连通，且主阀进液阀芯（5）在左右全行程范围内移动时，环形槽b能够完全覆盖小孔a的位置；
所述测试控制部分包括转速传感器（14）、放大器（16）、控制器（17）和压力传感器（18），直流伺服电机（15）和丝杠螺母机构（13）之间设置有转速传感器（14），压力传感器（18）设置在比例阀的出口A，压力传感器（18）与控制器（17）连接，控制器（17）与放大器（16）连接，放大器（16）与直流伺服电机（15）连接。
2.根据权利要求1所述的水基比例阀，其特征在于：所述的顶杆（10）与先导阀进液阀座（9）之间的单边间隙为1mm。
3.根据权利要求1所述的水基比例阀，其特征在于：所述的环形槽b宽为8.5mm。
4.一种如权利要求1或2或3所述的水基比例阀的测试控制方法，其特征在于：由转速传感器（14）检测直流伺服电机（15）输出轴的转速，对转速积分就可以得到输出位移大小，通过控制器（17）实现对伺服电机（15）转速的主动控制，从而控制比例阀阀芯的位置，在比例阀的出口A设置有压力传感器（18），当由负载口A的压力波动造成流量变化时，由公式可知，在负载压力PA波动时，要想位置流量恒定，可以通过调节阀芯位置从而调节过流面积A的大小来维持流量不变，因此，由压力传感器（18）检测负载口A的压力PA，通过控制器调节比例阀阀芯位置，使流量在负载压力PA波动时维持恒定。
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