CN110259825A - 节流比实时可调环形柱面缝隙节流器 - Google Patents

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Abstract

节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，涉及液体静压支承用的节流器领域，包括上阀体、下阀体和阀芯；上阀体开设有进油孔、出油孔和节流器腔室，进油孔和出油孔分别设于节流器腔室的侧面和上部；下阀体从上到下依次开设有密封孔和进给孔；阀芯装设于上阀体和下阀体装配形成的阀芯腔室内，阀芯为阶梯轴结构，阀芯包括从上到下依次设置的节流段、限位段、密封段和进给段；节流段对应出油孔，且节流段为圆柱体结构，限位段位于节流器腔室内，密封段对应密封孔，进给段对应进给孔，进给段开设有外螺纹与进给孔的内螺纹对应，以使阀芯轴向位移。可实时调整节流器的内部液阻和节流比，大大提高固定节流器方式下液体静压支承系统的调试效率。

Description

节流比实时可调环形柱面缝隙节流器
技术领域
本发明涉及液体静压支承用的节流器领域，尤其涉及用于超精密机床中恒压式液体静压支承用的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器。
背景技术
液体静压支承因具有高运动精度、低摩擦阻力、高服役寿命以及良好的抗振性能等优点，在超精密机床和超精密测量仪器中都有着广泛的应用。
节流器是恒压供油液体静压支承系统中不可或缺的关键元件，它能够自动调节油腔压力，使恒压供油静压支承系统具有相应的油膜承载力和油膜刚度。固定节流器作为一种常见的节流器，具有特定的功能和应用场合，比如，毛细管类固定节流器在中小型精密机床或载荷变化不大的大型机床有着重要的应用，小孔固定节流器主要应用在速度较高的中小型精密机床。然而，这些固定节流器虽然结构简单，但是节流比不可调整，严重影响了固定节流器方式下液体静压支承系统的调试效率。
中国专利CN201310190449(柱面环形缝隙节流比可调节流器)和中国专利CN201310190936(锥面环形缝隙节流比可调节流器)实现了固定节流器内部液阻和节流比的调整功能，整个静压支承系统可使用单一尺寸形式的节流器，不需要更换不同尺寸的固定节流器来调试静压支承系统，尽管如此，调整此种节流器的节流比时，必须首先关闭供油系统，再进行调整，再开启供油系统，再调整，直至达到预设效果。中国专利CN201611223543(节流比连续可调平面缝隙节流器)进一步提升了固定节流器方式下液体静压支承系统的调试效率，实现了无需关闭供油系统即可调整节流比的功能，然而，该节流器通过改变平面缝隙的面积而非缝隙大小来改变节流比，节流方式较单一，此外，构件数量较多，单一构件结构也较复杂，使用操作时需要先后调整防松螺母等。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，具有构件数量简少、单一构件结构特征简单、使用操作简易、布局更加紧凑、不易堵塞等特点，并且整个液体静压支承系统可使用单一尺寸形式的节流器，不需要关闭供油系统，可以实时调整节流器的内部液阻和节流比，大大提高固定节流器方式下液体静压支承系统的调试效率，具有重要的工程应用价值。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，包括上阀体、下阀体和阀芯；所述上阀体和下阀体之间密封装配连接；
所述上阀体开设有进油孔、出油孔和节流器腔室，节流器腔室设于上阀体的底部，进油孔设于上阀体的侧面且与节流器腔室连通，出油孔设于上阀体的上部并与节流器腔室同轴设置，且出油孔与节流器腔室连通；
所述下阀体从上到下依次开设有相互连通的密封孔和进给孔，出油孔、节流器腔室、密封孔和进给孔为同轴心设置的阶梯孔，进给孔的内壁开设有内螺纹；
所述阀芯装设于上阀体和下阀体装配形成的阀芯腔室内，所述阀芯腔室为出油孔、节流器腔室、密封孔和进给孔共同构成的腔室；所述阀芯为阶梯轴结构，阀芯包括从上到下依次设置的节流段、限位段、密封段和进给段；节流段对应出油孔，且节流段为圆柱体结构，限位段位于节流器腔室内，密封段对应密封孔，进给段对应进给孔，进给段开设有外螺纹，外螺纹与进给孔的内螺纹对应匹配啮合，以使阀芯在阀芯腔室内轴向位移。
所述节流段的长度小于出油孔的长度；所述进油孔和出油孔的直径均小于节流器腔室的直径。
所述进给孔的直径小于密封孔的直径。
所述出油孔的直径大于节流段的直径，以形成环形柱面缝隙。
所述限位段的直径小于节流器腔室的直径。
所述下阀体的上端面开设有O型圈槽，O型圈槽位于密封孔的外周且O型圈槽内安装有O型圈。
所述密封段的外壁开设有环状的矩形沟槽，矩形沟槽设有至少一条；矩形沟槽内安装有密封圈。
所述上阀体的下端开设有螺钉孔，下阀体的上端开设有与所述螺钉孔一一对应的沉头通孔，以使沉头内六角螺栓连接上阀体和下阀体。
所述进给段的下端部开设有内六角螺丝头结构，以通过内六角螺丝头结构调节阀芯在阀芯腔室内的轴向位置。
所述上阀体进油孔的进油端和出油孔的出油端内壁设有螺纹。
压力油从进油孔流入至节流器腔室，然后通过环形柱面缝隙进行节流，最后从出油孔流出至工作油腔。通过内六角螺丝头结构旋拧阀芯改变阀芯在阀芯腔室内的轴向位置，以调节环形柱面缝隙的轴向节流长度，进而调整节流器的节流比大小。当环形柱面缝隙的轴向节流长度接近最大极限时，阀芯的限位段除了限位功能，还与节流器腔室孔肩形成平面圆环缝隙，也发挥节流作用，平面圆环缝隙越小，节流作用越明显。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、本发明不需要关闭供油系统就可以通过调整阀芯在阀芯腔室内的轴向位置从而实时调整节流器的内部液阻和节流比，大大提高了固定节流器方式下液体静压支承系统的调试效率，具有重要的工程应用价值。
2、本发明将上阀体、下阀体和阀芯匹配组装，单一构件结构特征简单，而且使得构件数量简少，布局更加紧凑，使用操作简易，不易堵塞。
3、本发明采用单一尺寸形式的环形柱面缝隙节流器就可以满足整个液体静压支承系统的需求。
4、节流器的第一工作区和第二工作区均为规则的形状，分别是规则的环形柱面缝隙和规则的平面圆环缝隙，相应设计状态时的液阻计算公式容易给出，为合理设计提供理论依据。
5、本发明稳定性好、可靠性高，当调整好预设的节流比后，基于自生的螺纹预紧力，阀芯在节流器内部的相对位置稳定，内部液阻和节流比也稳定不变。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为上阀体的结构示意图；
图3为下阀体的结构示意图；
图4为阀芯的结构示意图；
图5为本发明的整体剖视示意图；
图6为本发明液阻图；
图7为配有本发明的四油腔开式工作台无载荷水平位置示意图；
图8为配有本发明的四油腔开式工作台有载荷非水平位置示意图；
图9为配有本发明的四油腔开式工作台有载荷水平位置示意图。
附图标记：1上阀体，2下阀体，3阀芯，4沉头内六角螺栓，1-1进油孔，1-2出油孔，1-3节流器腔室，1-4节流器腔室孔肩，1-5螺钉孔，2-1密封孔，2-2进给孔，2-3O型圈槽，2-4沉头通孔，3-1节流段，3-2限位段，3-3密封段，3-4进给段，3-5内六角螺丝头结构，3-6矩形沟槽。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1～5所示，本发明实施例包括上阀体1、下阀体2和阀芯3；所述上阀体1和下阀体2之间密封装配连接；
所述上阀体1开设有进油孔1-1、出油孔1-2和节流器腔室1-3，节流器腔室1-3设于上阀体1的底部，进油孔1-1设于上阀体1的侧面且与节流器腔室1-3连通，出油孔1-2设于上阀体1的上部并与节流器腔室1-3同轴设置，且出油孔1-2与节流器腔室1-3连通；
所述下阀体2从上到下依次开设有相互连通的密封孔2-1和进给孔2-2，出油孔1-2、节流器腔室1-3、密封孔2-1和进给孔2-2为同轴心设置的阶梯孔，进给孔2-2的内壁开设有内螺纹；
所述阀芯3装设于上阀体1和下阀体2装配形成的阀芯腔室内，三者装配后的相对位置关系为同轴心；所述阀芯腔室为出油孔1-2、节流器腔室1-3、密封孔2-1和进给孔2-2共同构成的腔室；
所述阀芯3为阶梯轴结构，阀芯3包括从上到下依次设置的节流段3-1、限位段3-2、密封段3-3和进给段3-4；节流段3-1对应出油孔1-2，且节流段3-1为圆柱体结构，限位段3-2位于节流器腔室1-3内，密封段3-3对应密封孔2-1，进给段3-4对应进给孔2-2，进给段3-4开设有外螺纹，外螺纹与进给孔2-2的内螺纹对应匹配啮合，以使阀芯3在阀芯腔室内轴向位移。
所述节流段3-1的长度小于出油孔1-2的长度；所述进油孔1-1和出油孔1-2的直径均小于节流器腔室1-3的直径；所述进给孔2-2的直径小于密封孔2-1的直径。
所述阀芯3的节流段3-1对应上阀体1的出油孔1-2，出油孔1-2的直径大于节流段3-1的直径，以形成环形柱面缝隙，该环形柱面缝隙为本发明的第一工作区。
所述阀芯3的限位段3-2的直径小于节流器腔室1-3的直径，当限位段3-2与节流器腔室孔肩1-4接近时，形成平面圆环缝隙，该缝隙平面圆环也可发挥节流作用，作为本发明的第二工作区。
所述下阀体2的上端面开设有O型圈槽2-3，O型圈槽2-3位于密封孔2-1的外周且O型圈槽2-3内安装有O型圈；如此，可防止节流器腔室1-3的压力油从上阀体1和下阀体2接触的端面处泄漏。
所述密封段3-3的外壁开设有环状的矩形沟槽3-6，矩形沟槽3-6设有至少一条；矩形沟槽3-6内安装有密封圈，如此，可防止节流器腔室1-3的压力油从密封段3-3与密封孔2-1之间泄漏；不论阀芯3的限位段3-2处于与上阀体1直接接触的上极限位置，还是处于与下阀体2直接接触的下极限位置，嵌套于密封段3-3矩形沟槽3-6内的密封圈始终在下阀体2的密封孔2-1内移动。
所述上阀体1的下端开设有螺钉孔1-5，下阀体2的上端开设有与所述螺钉孔1-5一一对应的沉头通孔2-4，以通过沉头内六角螺栓4连接上阀体1和下阀体2。
所述进给段3-4的下端部开设有内六角螺丝头结构3-5，以便于通过内六角螺丝头结构3-5旋拧阀芯3从而调节阀芯3在阀芯腔室内的轴向位置。
所述进油孔1-1的进油端和出油孔1-2的出油端还可以根据实际工况开设内螺纹，或用以油管的连接，或便于本发明安装使用前的有效性检验。
本发明的工作原理如下：
1、压力油从进油孔1-1流入至节流器腔室1-3，然后通过环形柱面缝隙进行节流，最后从出油孔1-2流出至工作油腔。通过旋拧阀芯3改变阀芯3的轴向位置，以调节环形柱面缝隙的轴向节流长度，进而调整节流器的节流比和液阻大小。
设定出油孔1-2的半径为r1，节流段3-1的半径为r2，限位段3-2的半径为r3，限位段3-2与节流器腔室孔肩1-4形成的平面圆环缝隙为h0(h0指限位段与节流器腔室孔肩之间的距离)，那么，本发明设计状态液阻Rc计算公式为：
其中，R1为环形柱面缝隙液阻，ηt为压力油粘度，lc为节流长度即节流段3-1在出油孔1-2内的长度，R2为平面圆环缝隙液阻。
由上述公式可知，当阀芯3处于一般的非极限位置时，限位段3-2与节流器腔室孔肩1-4形成的平面圆环缝隙为h0很大，R2忽略不计，R1即本发明的液阻大小，主要调整lc来改变节流器的节流比和液阻，但是，当限位段3-2与节流器腔室孔肩1-4十分接近时，h0很小，则平面圆环缝隙液阻R2不可忽略，并且此时lc接近最大长度，R1也接近最大值，这意味着，伊始时，旋拧阀芯3向着出油孔1-2方向移动，节流器液阻会随lc的变大而线性增大，随着h0的继续减小并达到足够小时，作为第二工作区的平面圆环缝隙形成并发挥节流作用，节流器整体的液阻非线性式急剧增加，此时，节流器整体液阻对阀芯3的移动十分敏感。
2、本发明本质属于固定节流器，即工作状态的节流器内部液阻和节流比为定值，一旦调试完毕确定了节流器的节流比以后，阀芯3在阀芯腔室内部的相对位置就不能改变，否则，若节流器的环形柱面缝隙节流长度发生变化，则内部液阻和节流比也会变化，这就不是一种稳定工作的固定节流器。所以，阀芯3进给段3-4与下阀体2进给孔2-2应存在螺纹预紧力。
本发明在正常工作状态即会产生螺纹预紧力，不需要增加额外元件施加螺纹预紧力，该螺纹预紧力来源于出油孔1-2处节流后的工作油腔压力Pr和节流器腔室1-3内的供油压力Ps共同对阀芯3的轴向作用。若阀芯3密封段3-3半径为r4，则螺纹预紧力F为：
F＝Prπr2 2+Psπ(r4 2-r2 2)
本发明涉及的r1～r4由大到小依次为r3，r4，r1，r2。
如图6为节流器的内部液阻图，R1与R2为串联关系。当平面圆环缝隙值相对较大而不至于形成缝隙时，起到节流作用的只有环形柱面缝隙，此时，节流器内部液阻即环形柱面缝隙液阻R2。
如图7所示，四油腔开式工作台与四个节流器一一对应，通过对节流器内部液阻和节流比的调整，此时工作台为水平状态且不受外载荷作用。
如图8所示，在图7工作台和本发明已调参数基础上，由于工作台受到偏载，工作台不能维持水平状态而出现倾斜，具体的，工作台在油腔1和油腔2处出现下沉。
如图9所示，调整图7所示的节流器1和节流器2的内部液阻和节流比，可以使图8的偏载工作台重新位于水平位置。
本发明构件数量简少，单一构件特征简单，操作调整简易，无需关闭供油系统即可实现节流比的实时调整，直至达到预设效果，大大提高了固定节流器方式下液体静压支承系统的调试效率。

Claims (10)

1.节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：包括上阀体、下阀体和阀芯；所述上阀体和下阀体之间密封装配连接；
所述上阀体开设有进油孔、出油孔和节流器腔室，节流器腔室设于上阀体的底部，进油孔设于上阀体的侧面且与节流器腔室连通，出油孔设于上阀体的上部并与节流器腔室同轴设置，且出油孔与节流器腔室连通；
所述下阀体从上到下依次开设有相互连通的密封孔和进给孔，出油孔、节流器腔室、密封孔和进给孔为同轴心设置的阶梯孔，进给孔的内壁开设有内螺纹；
所述阀芯装设于上阀体和下阀体装配形成的阀芯腔室内，所述阀芯腔室为出油孔、节流器腔室、密封孔和进给孔共同构成的腔室；所述阀芯为阶梯轴结构，阀芯包括从上到下依次设置的节流段、限位段、密封段和进给段；节流段对应出油孔，且节流段为圆柱体结构，限位段位于节流器腔室内，密封段对应密封孔，进给段对应进给孔，进给段开设有外螺纹，外螺纹与进给孔的内螺纹对应匹配啮合，以使阀芯在阀芯腔室内轴向位移。
2.如权利要求1所述的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：所述节流段的长度小于出油孔的长度；所述进油孔和出油孔的直径均小于节流器腔室的直径。
3.如权利要求1所述的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：所述进给孔的直径小于密封孔的直径。
4.如权利要求1所述的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：所述出油孔的直径大于节流段的直径，以形成环形柱面缝隙。
5.如权利要求1所述的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：所述限位段的直径小于节流器腔室的直径。
6.如权利要求1所述的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：下阀体的上端面开设有O型圈槽，O型圈槽位于密封孔的外周且O型圈槽内安装有O型圈。
7.如权利要求1所述的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：所述密封段的外壁开设有环状的矩形沟槽，矩形沟槽设有至少一条；矩形沟槽内安装有密封圈。
8.如权利要求1所述的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：上阀体的下端开设有螺钉孔，下阀体的上端开设有与所述螺钉孔一一对应的沉头通孔，以使沉头内六角螺栓连接上阀体和下阀体。
9.如权利要求1所述的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：进给段的下端部开设有内六角螺丝头结构，以通过内六角螺丝头结构调节阀芯在阀芯腔室内的轴向位置。
10.如权利要求1所述的节流比实时可调环形柱面缝隙节流器，其特征在于：上阀体进油孔的进油端和出油孔的出油端内壁设有螺纹。
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