CN110056551A - 采用异形稳压腔体液压阀组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用异形稳压腔体液压阀组，包括由多个开关阀并联组成的液压阀组、异形稳压腔体和控制器，液压阀组中的各开关阀按照一定的编码形式，通过数字控制方法，实现流量控制功能。该阀所有元件均为开关型，通过控制开关阀的通断数量，实现不同流量状态的切换，极大地减少了节流损失，但与此同时采用开关控制模式必然会带来压力的冲击和波动，另外当多个开关阀在协同工作时压力冲击和波动将会变得更加剧烈和复杂，不仅会带来噪声和振动，还会恶化系统控制性能，严重地影响了系统的控制精度。本发明通过在开关模式控制的液压阀组中增加异形稳压腔体结构，能够有效降低液压阀组输出压力冲击和波动，是一种提高液压阀组控制精度的可行方案。

Description

采用异形稳压腔体液压阀组

技术领域

本发明涉及一种液压阀组，具体属于一种采用异形稳压腔体的液压阀组。

背景技术

采用开关控制的数字液压阀组因其具有节能、抗污染能力强等优点逐渐成为当今研究热点，但与此同时开关阀的高速、频繁动作易引起压力冲击和波动，当多个开关阀协同工作时将变得更加复杂，这些问题极大的降低了系统控制精度。

发明内容

本发明提出一种采用异形稳压腔体液压阀组，旨在降低液压阀组中开关阀开关动作带来的压力冲击和波动，实现压力和流量的平稳输出。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：

本发明的采用异形稳压腔体液压阀组，包括液压阀组、异形稳压腔体和控制器，所述液压阀组包括阀块和多个并联的开关阀，所述阀块将所述多个开关阀集成，通过增减开关阀的通断数量，实现输出流量大小的控制，油液在所述液压阀组的入口处分流至所述多个开关阀，并在所述液压阀组的出口处汇合；所述液压阀组的出口与所述异形稳压腔体进行螺纹连接，所述异形稳压腔体对油液进行整流后能降低压力波动和冲击，提高液压阀组控制的执行器运动精度，所述液压阀组的出口与所述异形稳压腔体间设有密封垫圈，以防止连接位置油液泄漏；所述异形稳压腔体的固有频率值与液压阀组的激振源频率相等，以利用共振原理将油液的压力振荡和流量脉动能量吸收至所述异形稳压腔体；

所述液压阀组的激振源频率f_n通过以下表达式获得

f_n＝Knf_c (1)

式中：n为阀组位数，K为使用系数，f_c为单阀最高激振频率，其计算表达式为：

式中：t_on为开关阀开启延迟时间，t_off为开关阀关闭延迟时间；

优选地，由液压阀组油液的激振源频率可获得所述异形稳压腔体的固有频率，进而能获得所述异形稳压腔体的腔体结构尺寸。

优选地，所述异形稳压腔体的结构形式包括多孔同心式异形稳压腔体和扩张式异形稳压腔体，多孔同心式异形稳压腔体的腔体结构尺寸通过集中参数法获得，具体计算表达式如下：

式中，K_v为油液弹性模量，N为小孔数量，ρ为油液密度，δ为主流道侧壁厚度，V为容腔体积。

扩张式异形稳压腔体的腔体结构尺寸可通过传递损失机理获得，当管道内油液压力以平面波的形式进行传播，则具体计算表达式如下：

式中，L为扩张腔的长度，S₁、S₂分别为扩张腔截面积和出入口管道截面积，m为两截面面积之比，波数k与激励频率有关，v为油液流速。

优选地，所述液压阀组中的各开关阀均能由所述控制器单独控制，且通过数字控制的方式，实现各开关阀开启和关闭的时序动作，改变各开关阀通断状态的组合，实现所需主流量的调节。

优选地，所述开关阀为螺纹插装式，通过螺纹连接集成于阀块中。

优选地，所述控制器为可编程逻辑控制器。

优选地，当开关阀的工作频率小于等于开关阀的最高激振频的一半时，使用系数K取值为0.8。

优选地，所述异形稳压腔体能可通过3D增材制造技术制造，以满足结构和固有频率要求。

本发明的有益效果如下：

本发明采用由多个相同的开关阀并联的液压阀组，且相同的增益，其一致性较好、冗余度较高，抗污染能力强；采用异形稳压腔体结构可以实现较小程度的压力冲击和波动输出，极大地提高了液压阀组控制执行器的精度，另外根据实际应用情况异形稳压腔体可实现与阀组的集成设计。

附图说明

图1是依据本发明的采用异形稳压腔体液压阀组原理图；

图2A-图2C是异形稳压腔体结构图；以及

图3是6位液压阀组与多孔同心式腔体装配图。

主要附图标记：

液压阀组1；异形稳压腔体2；控制器3；多孔同心式异形稳压腔体4；开关阀5。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明采用的异形稳压腔体液压阀组，如图1所示，包括液压阀组1、异形稳压腔体2和控制器3，以解决传统电液控制系统中传动效率低、控制阀抗污染能力差以及开关控制模式下的压力冲击和波动问题。本发明采用两种改进：第一，采用多个开关阀并联组成液压阀组1，由控制器3采用数字控制技术，可根据所需流量控制各开关阀的开启和关闭动作时序，改变各开关阀通断状态的组合，极大减少了溢流损失提高了系统的传动效率；优选地，采用抗污染能力强的开关阀，通过多阀并联极大的增加了冗余度。第二，采用具有稳压效果的异形腔体结构2用于削减液压阀组1输出的压力冲击和波动，其稳压效果以及适用范围可以通过优化结构形式、结构参数和安装位置等进行提高。

液压阀组1中的开关阀5通过插装方式安装在一个阀块中，异形稳压腔体2通过螺纹连接安装在液压阀组1的出口位置。液压阀组1中的各开关阀均通过控制器3单独控制，优选地，控制器3为可编程逻辑控制器。

以6位的液压阀组为例，即液压阀组1由6个并联开关阀组成，采用数字控制技术，为系统提供所需的流量，出口连接的具有稳压效果的多孔同心式腔体用于消除压力冲击和波动。

液压阀组1采用数字控制技术，组成液压阀组1的每个开关阀5接收来自控制器3的“0”信号则关闭，接收来自控制器3的“1”信号则打开。开关阀5工作时只有“通”和“断”两种状态，不存在比例阀或伺服阀中对阀芯的位置控制，开关的工作模式极大降低了节流损失，提高了系统效率，同时也降低了对油液清洁度的要求。开关阀5的通断状态即为二进制码的1位，采用6位脉冲数编码可实现总共2⁶种控制流量的调节，若要增加流量状态和流量控制精度则需并联更多数量和更小输出流量的开关阀。

异形稳压腔体2安装在液压阀组1的出口位置P2处以削减压力冲击和波动，两者之间通过螺纹连接，采用密封垫圈密封防止连接位置油液泄漏。液压阀组1中的一个或多个开关阀5的高频动作，油液经各开关阀5的出口支路，并在阀组出口位置P2进行融合，但此时流场较为紊乱，存在明显的压力振荡和流量脉动。液压阀组1输出后的油液进入异形稳压腔体2，当油液压力波动频率即激振源频率等于腔体固有频率时，两者处于共振状态，压力振荡和流量脉动能量全部被腔体吸收，且不会影响液压阀组1对执行器流量的输出，提高了系统的控制精度。

异形稳压腔体2的设计主要根据液压阀组1的压力冲击范围确定，其中腔体形状和结构尺寸是影响压力冲击抑制效果的关键。针对异形稳压腔体2的制造采用常规的加工方法可以完成，但常规的制造方法也大大限制了异形稳压腔体2性能的提升。采用新的制造方法如增材制造技术，可大大增加设计的灵活度，例如在液压阀组1的各支路上增加腔体，不仅使得液压阀组1输出的压力和流量更加平稳，而且也实现了液压阀组1和异形稳压腔体2的一体化设计。

异形稳压腔体2的结构形式包括如图2A所示的二级腔体式异形稳压腔体20、如图2B所示的多孔同心式异形稳压腔体24和如图2C所示的扩张式异形稳压腔体28。其中二级腔体式异形稳压腔体20外形呈葫芦状，包括呈圆柱形的一级腔体21、二级腔体22和颈部23，与只采用一个腔体相比采用两个腔体即二级腔体式异形稳压腔体20适用工况更宽，效果更好，但二级腔体式异形稳压腔体20仅适用于激励频率较低情况，且稳压效果不如扩张式与多孔同心式；多孔同心式异形稳压腔体24的结构外表面为圆柱形，内部沿轴向放置多个挡板25，且各挡板25上均开设一定数量的小孔26，与入口P1、出口P2连接，腔体内部沿轴向方向的主流道侧壁上亦开设诸多小孔27，以便油液顺利快速的进入各腔室，实现压力冲击的消除；扩张式异形稳压腔体28相比于二级腔体式和多孔同心式结构简单，腔体部分仍为圆柱形，腔体内部尺寸在入口P1、出口P2突扩。三种异形稳压腔体结构与液压阀组1的连接方式，可以根据实际情况确定，例如要求集成化程度高时，可将腔体与阀组一体化设计。液压阀组输出的油液具有压力冲击和波动，输送至异形稳压腔体2进行整流后再从稳压出口P3流出，而后驱动执行器动作。

液压阀组1采用数字控制方法，组成液压阀组1的每个开关阀接收来自控制器3的“0”信号则关闭，接收来自控制器3的“1”信号则打开。通过控制开关阀通断数量，实现输出流量的调节。

液压阀组的激振源频率f_n可通过以下表达式获得

f_n＝Knf_c (1)

式中：n为阀组位数，K为使用系数，f_c为单阀最高激振频率，计算表达式为：

式中：t_on为开关阀开启延迟时间，t_off为开关阀关闭延迟时间；

由油液的激振源频率可获得异形稳压腔体的固有频率，结合其他参数，能进而获得异形稳压腔体的腔体结构尺寸，多孔同心式的腔体结构尺寸可通过集中参数法获得，具体计算表达式如下：

式中，K_v为油液弹性模量，N为小孔数量，ρ为油液密度，δ为主流道侧壁厚度，V为容腔体积。

扩张式的腔体结构尺寸可通过传递损失机理获得，假设管道内油液压力以平面波的形式进行传播，则具体计算表达式如下：

式中，L为扩张腔的长度，S₁、S₂分别为扩张腔截面积和出入口管道截面积，m为两截面面积之比，波数k与激励频率有关，v为油液流速。

本实施例选择6位液压阀组1即n＝6和多孔同心式异形稳压腔体24为例进行说明。即液压阀组1由6个并联的开关阀组成，液压阀组1中的开关阀5均为螺纹插装式，通过螺纹连接安装在一个阀块中。

如图3所示为6位液压阀组与多孔同心式腔体装配图。多孔同心式异形稳压腔体24的腔体4通过螺纹连接安装在液压阀组1的出口P2位置，两者间采用密封垫圈29密封防止连接位置油液泄漏。

当各开关阀5的性能参数为1L/min&3.5MPa，则阀组能够实现的流量控制范围为0-6L/min，假设液压阀的开闭延迟时间t_on、t_off均为2.5ms，则由式(2)可知单阀最高激振频率f_c为200HZ，假设实际工作频率等于单阀最高激振频率的一半，即100HZ，则使用系数K为0.8，由式(1)可知液压阀组的激振源频率f_n为480HZ，为了便于计算本实例中取500HZ，假设工作介质为32#抗磨液压油，则油液弹性模量K_v＝1.5×10⁹Pa，油液密度ρ＝870kg/m³。

因异形稳压腔体2结构吸收冲击利用共振原理，所以在进行腔体结构设计时要从共振出发通过改变结构以实现油液的波动频率即激振源频率与腔体固有频率相同。

本发明以多孔同心式异形稳压腔体4为例求解其腔体的结构参数，考虑结构的强度和加工的经济性等问题，在此选取主流道侧壁厚度δ＝2mm，小孔数量N＝70，同时为减小腔体体积，降低液压阀组1的整体质量，所以容腔体积不宜过大，取容腔体积V＝12500mm³。将以上已知参数代入式(3)可求得多孔同心主流道侧壁小孔直径d应设计为3mm。

综上所述，本实施例通过分析液压阀组1的使用工况，确定了多孔同心式异形稳压腔体结构的主要参数。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种采用异形稳压腔体液压阀组，其特征在于：包括液压阀组、异形稳压腔体和控制器，

所述液压阀组包括阀块和并联的多个开关阀，所述阀块将所述多个开关阀集成，通过增减开关阀的通断数量，实现输出流量大小的控制，油液在所述液压阀组的入口处分流至所述多个开关阀，并在所述液压阀组的出口处汇合；

所述液压阀组的出口与所述异形稳压腔体进行螺纹连接，所述异形稳压腔体对油液进行整流后能降低压力波动和冲击，提高液压阀组控制的执行器运动精度，所述液压阀组的出口与所述异形稳压腔体间设有密封垫圈，以防止连接位置油液泄漏；

所述异形稳压腔体的固有频率值与液压阀组的激振源频率相等，以利用共振原理将油液的压力振荡和流量脉动能量吸收至所述异形稳压腔体；

所述液压阀组的激振源频率f_n通过以下表达式获得

f_n＝Knf_c (1)

式中：n为阀组位数，K为使用系数，f_c为单阀最高激振频率、其计算表达式为：

式中：t_on为开关阀开启延迟时间，t_off为开关阀关闭延迟时间；

由液压阀组的激振源频率获得所述异形稳压腔体应提供的固有频率，从而获得所述异形稳压腔体的腔体结构尺寸。

2.根据权利要求1所述的采用异形稳压腔体液压阀组，其特征在于：所述异形稳压腔体的结构形式包括多孔同心式异形稳压腔体和扩张式异形稳压腔体，多孔同心式异形稳压腔体的腔体结构尺寸通过集中参数法获得，具体计算表达式如下：

式中：K_v为油液弹性模量，N为小孔数量，ρ为油液密度，δ为主流道侧壁厚度，V为容腔体积；

扩张式异形稳压腔体的腔体结构尺寸通过传递损失机理获得，当管道内油液压力以平面波的形式进行传播时，则具体计算表达式如下：

式中，L为扩张腔的长度，S₁、S₂分别为扩张腔截面积和出入口管道截面积，m为两截面面积之比，波数k与激励频率有关，v为油液流速。

3.根据权利要求2所述的采用异形稳压腔体液压阀组，其特征在于：所述液压阀组中的所述多个开关阀均能由所述控制器单独控制，且通过数字控制的方式，实现所述多个开关阀开启和关闭的时序动作，改变所述多个开关阀通断状态的组合，实现所需流量的调节。

4.根据权利要求3所述的采用异形稳压腔体液压阀组，其特征在于：所述开关阀为螺纹插装式，通过螺纹连接集成于阀块中。

5.根据权利要求3所述的采用异形稳压腔体液压阀组，其特征在于：所述控制器为可编程逻辑控制器。

6.根据权利要求1或者3所述的采用异形稳压腔体液压阀组，其特征在于：当所述开关阀的工作频率小于或者等于开关阀的最高激振频的一半时，使用系数K取值为0.8。

7.根据权利要求6所述的采用异形稳压腔体液压阀组，其特征在于：所述异形稳压腔体通过3D增材制造技术制造，以满足结构和固有频率要求。