CN110985468A - 一种轴承式驱动接口的旋转直接驱动的电液压力伺服阀 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械工程技术领域，公开了一种轴承式驱动接口的旋转直接驱动电液压力伺服阀。该伺服阀包括电子控制器(1)、转角位移传感器(2)、力矩电机(3)、无内圈式轴承(4)、从动推杆(5)、功率滑阀(6)、复位弹簧(7)、阀套(8)、阀体(9)和压力传感器(10)。本发明的旋转直接驱动式电液压力伺服阀，通过偏心轴承机构或偏心轴承结构，由有限转动的力矩电机直接驱动功率滑阀做直线运动，使旋转直接驱动的电液压力伺服阀实现随指令信号输出单向线性压力；去除了传统两级伺服阀前置液压放大级的喷嘴—挡板、射流管或射流偏导板的射流器组件，具有可靠性高、抗污染能力强、前置级泄漏小、耐环境机械应力强、静态控制精度和动态响应高的优点。

Description

一种轴承式驱动接口的旋转直接驱动的电液压力伺服阀

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，涉及一种轴承式驱动接口的旋转直接驱动电液压力伺服阀。

背景技术

电液伺服阀的雏形萌生于二战时期，由于当时战争的需求，德国的Askania公司试制出一只采用射流管原理的输出流量为主的伺服阀，即采用射流管接收流体压力，并通过射流管与两只接收管之间的动量转移，实现将该流体压力回复或转化为压力或流量输出的功能；随后产生了很多基于射流管原理的液压控制系统(Wunsch G,Stein T.Device forregulating power generating plants,especially electricity works:U.S.Patent 1,894,246[P].1933-1-10.)。与此同时，Foxboro研究出喷嘴挡板式的流量伺服阀，利用锐缘喷嘴与平面挡板间的距离变化作为可变液阻，将其引入液压半桥或全桥，输出控制压力，该原理也迅速得到了相关应用(Mason C E.Control mechanism:U.S.Patent 1,897,135[P].1933-2-14.)。这两种阀的出现为伺服阀的发展奠定了基础。

1946年，英国的Tinsley开发出第一只两级阀，利用电磁铁直接推动先导阀芯，再利用先导阀芯产生的压力差推动二级阀芯，两级阀可以有效的利用流体压力，克服了单级阀推力不足的瓶颈(English Patent 620,688Tin&y applied May 1946-accepted March1949)。此后，美国人William C.Moog于1950发明了世界上第一只喷嘴挡板型两级式电液流量伺服阀，力矩马达带动挡板，改变挡板与喷嘴间的距离，喷嘴挡扳形成的液阻与固定节流口配合，控制三位阀芯，阀芯的位置通过作用弹簧得到(Moog Jr WilliamC.Electrohydraulic servo mechanism:U.S.Patent 2,625,136[P].1953-1-13.)。而在1957年，Atehley利用射流管原理发明了第一只射流管式流量伺服阀，该阀仅需要为油液提供一条内部管道，相对于喷嘴挡板阀的双油路管道而言，提高了可靠性。先导式流量伺服阀虽然性能优良，但结构复杂，制造困难，对使用环境条件要求非常苛刻，对油液的污染非常敏感，故障率较高，制造和使用成本很高。而直接驱动电液伺服阀取消了前置级，通过电—机械转换装置直接驱动功率阀芯运动；具有结构简单、抗污染能力强、靠性高等特点。

因此，20世纪80年代以来，逐渐出现了直接驱动电液伺服阀方面的创新和专利；1987年3月，日本人Hiroaki Kuwano等人在美国专利局申请了一种直接驱动式流量伺服阀，该阀使用计算机建立滑阀运动的数学模型，将数学模型中滑阀阀芯的运动速度作为实际阀芯速度，进行状态反馈，以获得更好的动态特性(Kuwano H,Matsushita T,Kakuma H,etal.Direct-drive type electro-hydraulic servo valve:U.S.Patent 4,648,580[P].1987-3-10.)；1987年6月，Vanderlaan R D等人利用小球驱动原理提出了一种电机直线式直接驱动功率滑阀的电液流量伺服阀(Vanderlaan R D,Meulendyk J W.Direct drivevalve-ball drive mechanism:U.S.Patent 4,672,992[P].1987-6-16.)；1988年5月，Johnson DD等人采用旋转力矩马达取代传统的推力电磁铁驱动功率滑阀运动，力矩电机的旋转运动通过驱动接口的偏心机构转化为功率滑阀的直线运动，从而实现流量的伺服控制(Johnson D D,Tew S K.Direct drive servovalve with rotary force motor:U.S.Patent 4,742,322[P].1988-5-3.)；1988年12月，Haynes L E等人设计了两套偏心驱动接口，利用所述偏心机构可以实现旋转运动向直线运动的转化(Haynes L E,Lucas LL.Direct drive servo valve:U.S.Patent 4,793,377[P].1988-12-27.)；1989年7月，Ralph L.Vick等人发明了一种直接驱动的旋转流量伺服阀；与以往流量伺服阀不同，其滑阀阀芯的运动形式为旋转运动而不是直线移动，通过控制滑阀的旋转可以控制节流面积，从而实现滑阀处的流量(线性)和压力(非线性)控制(Vick R L.Direct drive rotaryservo valve:U.S.Patent4,794,845[P].1989-1-3.)；此外，北京航空航天大学也研制出转阀式直动型电液流量伺服阀；在阀芯与阀套上相应开了几个与轴向有一定倾角的斜槽，阀芯阀套相互转动时，斜槽相互开通或相互封闭，从而控制输出压力(非线性)或流量(肖俊东，王占林，陈克昌.新型高性能直接驱动电液伺服阀[J].机械科学与技术.2005.24)；线性压电马达于2006年在美国注册专利，包括两个压电片和放大机构，当其中一个接收到电压后伸长，同时另外一个被拉回；这两个压电片的运动通过放大机构实现驱动对象的直线运动(Audren J T,Merlet E,Meleard J,et al.Valve control device:U.S.Patent 7,026,746[P].2006-4-11.)；2008年，比利时鲁汶大学学者P.Sente等人，将压电材料做成的线性放大驱动器应用于航天领域的直接驱动式电液伺服阀中，并研究了其控制特性。2005年起国内数家专业厂家开始对直线式力马达原理的、输出特征为线性流量的直接驱动电液伺服阀进行了研究，技术和条件限制其工程应用不广泛。2010年起国内三家专业厂家开始对前置液压放大级为射流式原理的、输出特征为线性压力的射流管和射流偏转板电液伺服阀进行了研究，技术和条件限制其工程应用不广泛。2015年钱占松提出了一种偏心小球式的旋转直接驱动式电液压力伺服阀，该阀采用小球式的偏心驱动机构，将电机的旋转运动转化为滑阀的轴向直线运动，但小球式驱动接口为滑动摩擦形式，球头耐磨性差，加工工艺复杂(钱占松.旋转直接驱动电液压力伺服阀的设计研究[J].液压与气动.2015.11)。

由于喷嘴式和射流式的抗污染能力、结构复杂性、耐环境能力的限制和可靠性低，也由于目前直线式直接驱动电液流量伺服阀仍然存在驱动能力不足、空间尺寸和耗电功率大、动态响应低的缺点等技术条件限制，且随着火箭、导弹、飞机等飞行器对伺服机构的可靠性、控制精度和动态响应、重量和体积等要求越来越严格，因此研制一款结构简单、可靠性高、抗污染能力强、驱动能力强、耐环境能力强、静态控制精度和动态响应高的集成式直接驱动电液压力伺服阀具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

针对现有电液压力伺服阀的缺陷，本发明的目的是提供一种旋转直接驱动电液压力伺服阀，通过偏心转轴和无内圈精密轴承机构将有限转角力矩电机输出的旋转运动转换为功率滑阀的直线运动，直接驱动功率滑阀运动；通过控制节流窗口大小和两级电反馈回路来实现对输出压力的伺服控制；该旋转直接驱动电液压力伺服阀去除了传统伺服阀前置级的射流管或喷嘴—挡板组件，具有结构简单、可靠性高、抗污染能力强、无前置级泄漏、控制精度和动态响应高、耐环境能力前的优点。

本发明的技术方案如下：

一种轴承式驱动接口的旋转直接驱动的电液压力伺服阀，包括：力矩电机3、无内圈式轴承4、从动推杆5、功率滑阀6、复位弹簧7、阀套8、阀体9；无内圈式轴承4、从动推杆5、功率滑阀6、复位弹簧7安装在阀体9内孔内；

力矩电机3的偏心转轴深入阀体9；无内圈式轴承4安装在力矩电机3的偏心转轴外侧，与力矩电机3的偏心转轴微间隙连接，无内圈式轴承4固定在从动推杆5的尾端，从动推杆5顶端固定有功率滑阀6；阀套8安装在阀体9内孔壁上；功率滑阀6在力矩电机3的偏心转轴和无内圈式轴承4的配合下，在阀套8上滑动；阀套8上设置有与阀体9进油口、回油口和负载油口连通的三个孔；功率滑阀6用于控制进油口、回油口的窗口大小；复位弹簧7一端固定在功率滑阀6，一端固定在阀体9。

还包括：电子控制器1、转角位移传感器2和压力传感器10；

转角位移传感器2安装在力矩电机3的顶部，用于检测力矩电机的转角；压力传感器10安装在阀体上；用于检测负载油口的压力；电子控制器1分别与转角位移传感器2和压力传感器10通信连接，用于接收转角位移传感器2和压力传感器10发送的数据，并根据这些数据生成PWM信号以驱动力矩电机3转动。

力矩电机3偏心转轴与无内圈式轴承4共同运动，无内圈式轴承4通过和从动推杆5相对运动，将电机的旋转运动转化为功率滑阀6的轴向直线运动。

电子控制器1采用内外两层电反馈闭环回路控制，以提高控制品质；转角位移传感器2处于内环控制回路，反馈电机转角；压力传感器10处于外环控制回路，反馈伺服阀的控制压力。

功率滑阀6与从动推杆5可采用一体化单一零件结构。

转角位移传感器2采用内嵌式旋转变压器型或粘贴于转子上的霍尔式传感元件。

电子控制器1与权利要求1所述的伺服阀体分离安装，避免恶劣环境对电子控制器1的干扰，提高可靠性，延长服役寿命。

电子控制器1将压力传感器10的压力信号进行微分，形成动压反馈，可提高整阀阻尼，利于伺服阀的稳定工作。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明采用力矩电机3直接驱动功率滑阀6，去除了传统伺服阀前置液压放大级的射流管或喷嘴—挡板组件，具有结构简单、可靠性高、抗污染能力强、前置级无泄漏无功损耗的优点。

2、本发明对力矩电机3的位置和伺服阀的输出压力进行电反馈，实现了内位置环、外压力环的多闭环串级控制；可以有效提高伺服阀的控制精度和动态响应，减小静态特性曲线的滞环、提高分辨率，极大提高了耐温度和机械应力环境能力。

3、本发明利用无内圈式轴承4，实现了滚动摩擦接触，减小了功率滑阀6的驱动阻力矩、简化结构、提高控制品质和工作寿命。

4、本发明中的复位弹簧7可以实现在控制系统掉电时阀芯复位的功能，保证掉电状态下伺服阀输出压力为零，确保设备安全。

5、本发明中的转角位移传感器2通过与力矩电机3的集成化设计，减小了压力伺服阀的空间尺寸。

6、本发明的电子控制器1与伺服阀体分离安装，可以避免恶劣环境对电子控制器1的干扰，提高可靠性，延长服役寿命。

7、本发明的电子控制器1将压力传感器10的压力信号进行微分，形成动压反馈，可以提高整阀阻尼，有利于伺服阀的稳定工作。

8、本发明与直线型直接驱动电液流量伺服阀相比，具有耐更高且符合国内外标准要求的回油压力的能力。

附图说明

图1是本发明的轴承式驱动接口的旋转直接驱动电液压力伺服阀原理图。

图2是本发明的轴承式驱动接口的旋转直接驱动电液压力伺服阀无内圈式轴承。

其中：1为电子控制器、2为转角位移传感器、3为力矩电机、4为无内圈式轴承、5为从动推杆、6为功率滑阀、7为偏置弹簧、8为阀套、9为阀体、10为压力传感器、11为无内圈式轴承接口的外圈、12为滚珠保持架、13为轴承滚珠、14为电机转轴末端的偏心轴。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本发明提供了一种轴承式驱动接口的旋转直接驱动电液压力伺服阀，如图1所示，该伺服阀包括电子控制器1、转角位移传感器2、力矩电机3、无内圈式轴承4、从动推杆5、功率滑阀6、复位弹簧7、阀套8、阀体9和压力传感器10；当电子控制器1不供电或指令信号为零时，在复位弹簧7作用下，功率滑阀6位于最右侧，此时负载口pc接通回油口T，伺服阀输出压力为零；当伺服阀输入非零指令信号时，电子控制器1接受指令，输出PWM信号驱动力矩电机3转动；力矩电机3偏心转轴接有共同运动的无内圈式轴承4，通过无内圈式轴承4和从动推杆5的相对运动，将力矩电机3的旋转运动转化为功率滑阀6的直线运动，功率滑阀6向左运动后，负载口pc接通进油口ps，通过控制功率滑阀6的开口量控制伺服阀的输出压力。转角位移传感器2和压力传感器10分别将力矩电机3的旋转角度和伺服阀的输出压力反馈至电子控制器1。

图1是本发明的轴承式驱动接口的旋转直接驱动电液压力伺服阀原理图。当电子控制器1不供电或指令信号为零时，在偏置弹簧7作用下，功率滑阀6位于最右侧，此时负载口pc接通回油口T，伺服阀输出压力为零；当伺服阀输入非零指令信号时，电子控制器1接受指令，输出PWM信号驱动力矩电机3转动；电机转轴偏心部分接有共同运动的无内圈式轴承4，通过无内圈式轴承4和从动推杆5的相对复合运动，将力矩电机3的旋转运动转化为功率滑阀6的直线运动，功率滑阀6向左运动后，负载口pc接通进油口ps，通过控制功率滑阀6的开口量控制伺服阀的输出压力。转角位移传感器2和压力传感器10分别将力矩电机的旋转角度和伺服阀的输出压力反馈至电子控制器1。

图2是本发明的轴承式驱动接口的旋转直接驱动电液压力伺服阀无内圈式轴承结构。轴承滚珠13和保持架12安装在轴承外圈11和偏心轴14之间，使得偏心轴14与滚珠13之间以及滚珠13与轴承外圈11之间均为滚动摩擦接触，减小了偏心轴14与轴承外圈11之间相对运动的摩擦阻力。

上述的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，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种轴承式驱动接口的旋转直接驱动的电液压力伺服阀，其特征在于，包括：力矩电机(3)、无内圈式轴承(4)、从动推杆(5)、功率滑阀(6)、复位弹簧(7)、阀套(8)、阀体(9)；无内圈式轴承(4)、从动推杆(5)、功率滑阀(6)、复位弹簧(7)安装在阀体(9)内孔内；

力矩电机(3)的偏心转轴深入阀体(9)；无内圈式轴承(4)安装在力矩电机(3)的偏心转轴外侧，与力矩电机(3)的偏心转轴微间隙连接，无内圈式轴承(4)固定在从动推杆(5)的尾端，从动推杆(5)顶端固定有功率滑阀(6)；阀套(8)安装在阀体(9)内孔壁上；功率滑阀(6)在力矩电机(3)的偏心转轴和无内圈式轴承(4)的配合下，在阀套(8)上滑动；阀套(8)上设置有与阀体(9)进油口、回油口和负载油口连通的三个孔；功率滑阀(6)用于控制进油口、回油口的窗口大小；复位弹簧(7)一端固定在功率滑阀(6)，一端固定在阀体(9)。

2.根据权利要求1所述的电液压力伺服阀，其特征在于，还包括：电子控制器(1)、转角位移传感器(2)和压力传感器(10)；

转角位移传感器(2)安装在力矩电机(3)的顶部，用于检测力矩电机的转角；压力传感器(10)安装在阀体上；用于检测负载油口的压力；电子控制器(1)分别与转角位移传感器(2)和压力传感器(10)通信连接，用于接收转角位移传感器(2)和压力传感器(10)发送的数据，并根据这些数据生成PWM信号以驱动力矩电机(3)转动。

3.根据权利要求2所述的电液压力伺服阀，其特征在于，力矩电机(3)偏心转轴与无内圈式轴承(4)共同运动，无内圈式轴承(4)通过和从动推杆(5)相对运动，将电机的旋转运动转化为功率滑阀(6)的轴向直线运动。

4.根据权利要求2所述的电液压力伺服阀，其特征在于，电子控制器(1)采用内外两层电反馈闭环回路控制，以提高控制品质；转角位移传感器(2)处于内环控制回路，反馈电机转角；压力传感器(10)处于外环控制回路，反馈伺服阀的控制压力。

5.根据权利要求1所述的电液压力伺服阀，其特征在于，功率滑阀(6)与从动推杆(5)可采用一体化单一零件结构。

6.根据权利要求2所述的电液压力伺服阀，其特征在于，转角位移传感器(2)采用内嵌式旋转变压器型或粘贴于转子上的霍尔式传感元件。

7.根据权利要求2所述的电液压力伺服阀，其特征在于，电子控制器(1)与权利要求1所述的伺服阀体分离安装，避免恶劣环境对电子控制器(1)的干扰，提高可靠性，延长服役寿命。

8.根据权利要求2所述的电液压力伺服阀，其特征在于，电子控制器(1)将压力传感器(10)的压力信号进行微分，形成动压反馈，提高整阀阻尼，利于伺服阀的稳定工作。

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