CN111075785B - 基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀 - Google Patents

基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀 Download PDF

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Abstract

基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀,大流量二维半桥式电液比例换向阀本体是由阀芯和阀体所组成的2D阀，阀体的左端安装有一个双向比例电磁铁，阀芯的左端装有一个双向磁悬浮联轴节，阀芯通过双向磁悬浮联轴节连接双向比例电磁铁；磁悬浮联轴节的轭铁极靴表面以及相对应的斜翼动子两侧翼面的上表面和下表面上都贴有极性相同的磁片，使得斜翼动子依靠磁力“悬浮”在轭铁中间；阀芯的右端台肩上开设了一对分别与P口和T口相通的矩形高、低压槽(c和f)，同时在阀体右端的内孔壁上相应地也开设一条与右敏感腔h相通的感受通道e，左端高压孔b、右端矩形高、低压槽(c和f)和感受通道构成四通转阀，并串联形成液压阻力半桥。

Description

基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀
技术领域
本发明属于流体传动及控制领域中电液比例控制技术用的流量和换向控制阀，尤其涉及一种基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀。
背景技术
电液伺服控制技术自上世纪四十年代出现以来，便以其功率重量比高、输出力(力矩)大和静动态特性优异等显著特点在机电传动与控制技术中占据了高端位置，重点应用于航空航天、军用武器、船舶、大型电站、钢铁等各种战略工业场合，从而取得了巨大成功。但电液伺服阀对油液污染极其敏感、应用和维护条件苛刻，加上追求零位特性以满足闭环控制的要求，对关键零部件的加工和装配精度要求十分严苛，较难被工业界接受，人们普遍希望能有一种性能可靠、物美价廉、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的控制技术，在此背景下电液比例控制技术应运而生。1967年瑞士布林格尔(Beringer)公司首次将比例式电-机械转换器(比例电磁铁)用于工业液压阀，生产出的KL型比例换向阀被认为是世界上最早的比例阀。到了二十世纪七、八十年代，由于压力、流量、位移和动压等各种反馈和电校正手段的应用，比例阀的静动态特性大大提高，加之与最新的插装技术深度融合，电液比例控制技术进入了一个黄金时代。发展到今天，几乎所有的传统流量、压力和换向阀，都可以找到对应的电液比例阀产品，其在工业生产中获得了越来越广泛的应用。
比例换向阀要求实现对阀芯的位移(位置)进行连续的比例定位控制，最简单的方式就是通过弹簧将比例电磁铁输出的推力线性地转换为阀芯的位移，这也是单级或直动比例换向阀或流量阀的基本工作原理。然而，油液流经阀口由于伯努利效应，会对阀芯作用一个液动力(也称为伯努利力)，该力的大小与阀口的开口面积和压降乘积成正比，因而直动比例阀随着阀口压差的增大，阀的比例特性明显变差，甚至出现随着阀口压差增加通过比例阀的流量反而减小的不正常现象。因而，按照电磁铁推力与弹簧力相平衡控制阀芯位置的原理只适用于小流量的比例阀，实际应用的最大工作流量一般在15L/min(最大工作压力为21MPa)以下。此外，为了实现轴向静压力的平衡，直动式比例换向阀或流量阀皆采用滑阀结构，容易受到摩擦力及油液污染的影响出现“卡滞”现象。直动式比例换向阀或流量阀如果要获得较好比例特性，阀芯与阀芯孔之间的配合必须达到较高精度，尤其是对摩擦力较为敏感的圆柱度。比如国外某公司φ6通径比例阀阀芯的精度，圆柱度在1微米以内，如此高的圆柱度已同伺服阀阀芯的精度要求相近，国内普通液压件生产厂家难以做到，这也是国产的直动比例换向阀性能不理想的主要原因之一。采用线性位移传感器(LVDT)对阀芯位置进行测量和闭环控制，构成电反馈型直动比例换向阀，可以在很大程度上提高阀芯的定位刚度和控制精度，最终使电反馈直动比例阀可以像伺服阀那样应用于液压系统的闭环控制(这种阀称为比例伺服阀)，但终因受到磁饱和限制，比例电磁铁输出力有限，无法从根本上解决高压、大流量下液动力的影响问题，在高压(压差大)和大流量的工作状态下仍然会出现流量饱和现象。
消除液动力影响、提高液压阀的过流能力，最根本的办法是采用导控(先导控制)技术。早在1936年美国工程师Harry Vickers为了解决因液动力影响直动溢流阀无法实现高压、大流量系统的压力控制问题发明了导控溢流阀，其基本思想是采用一通径较小的导阀控制静压力，驱动主阀芯运动，因该液压推力比油液流经阀口时所产生液动力大得多，足以消除其对主阀芯运动与控制产生的不利影响。导控的思想后来被广泛地应用于其它液压阀的设计，使液压系统高压、大流量控制成为了现实。后来的各种电液伺服控制元件也是沿用了先导控制的设计思想，其中也包括了电液比例阀。
在众多的导控级结构创新之中，基于阀芯双运动自由度(Two Dimensional，2D或二维)设计的流量放大机构将原本分立的导控级和功率级合二为一，集成于单个阀芯上，不但结构简单、动态响应快，更重要的是阀的抗污染能力得到了极大的提高。阮健等提出一种直动-导控一体化的2D电液比例换向阀，通过压扭放大技术将2D阀与比例电磁铁相结合，使其兼具直动和导控电液比例换向阀各自的优点，加之抗污染能力强，对加工精度无特殊的高要求，具有很好的大规模生产与应用的前景。该阀的主要问题在于起到压扭放大作用的压扭联轴节为一滚轮斜面机械机构，其存在摩擦力和装配间隙等非线性环节，对于电液比例阀的线性度、重复度和滞环等静态特性会造成较大的影响。
另外，根据电液伺服控制理论，增大电液比例阀流量的途径有两种，一种是增大阀芯的位移，这样做的好处是可以采用较小控制面积的阀芯来获得大流量，但是这会显著降低阀的动态响应，还会带来流量饱和的问题；另一种是增大阀芯直径以增加开口的面积梯度，这种方法可以在较小阀芯位移下取得大流量，其代价是阀芯的惯性力、液动力和阀芯阀套之间的摩擦阻力等也会随阀芯尺寸增加而增加，整个阀的动态响应就成了问题，所以，大流量的获得并不困难，困难的是如何在获得大流量的同时能保持高的动态响应，这就对阀芯的驱动力/力矩提出了很高的要求。传统的电-机械转换器由于受到磁饱和限制，大驱动力/力矩的获得较为困难，由电-机械转换器直接驱动功率级滑阀阀芯显然不怎么现实。
发明内容
为了解决传统的2D电液比例换向阀的机械式压扭联轴器对其线性度、重复度和滞环等静态特性所造成的影响以及无法实现大流量的问题，本发明提供一种基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀。
一种基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀，包括大流量二维半桥式电液比例换向阀本体，大流量二维半桥式电液比例换向阀本体是由阀芯8和阀体9所组成的2D阀，阀体9的左端安装有一个双向比例电磁铁2，阀芯8的左端装有一个双向磁悬浮联轴节，阀芯8通过双向磁悬浮联轴节连接双向比例电磁铁2；
双向磁悬浮联轴节包括直线轴承5、轭铁6、固定销7、斜翼动子13、磁片14和弹簧卡圈15，其中直线轴承5套在固定销7上并安装于轭铁6的上下两端，使得轭铁6只能作水平直线运动。轭铁6前后侧各有两个极靴，且均呈以垂直于轭铁6平面、竖直向上的轴为中心轴的180°阵列特征；轭铁6的极靴表面以及相对应斜翼动子13的上下两侧翼面上都贴有极性相同的磁片14，从而形成磁排斥力，使得斜翼动子13无须借助任何机械结构，纯粹靠磁力“悬浮”在轭铁6中间。轭铁6的极靴表面和斜翼动子13的翼面都有相同的倾角β，且均呈以垂直于水平面、竖直向上的轴为中心轴的180°阵列特征，以此形成前后各两个相同高度的倾斜工作气隙，斜翼动子13可旋转地置于轭铁6的中间位置，可旋转一定角度。
本发明所称“以某轴为中心轴的180°阵列特征”是一种三维结构的特征描述。该三维结构的特征是机械工程领域的公知常识，在申请日前公开使用的常规设计软件、公开出版的文献中都有介绍。2015版本的SolidWorks软件中“圆周阵列”功能就可以完成180°阵列特征。另外，孟彬等发表的《浆翼式力矩马达反馈特性研究》(出处“孟彬,申屠胜男,林琼,阮健.浆翼式力矩马达反馈特性研究[J].农业机械学报,2017,48(01):361-367.”)中有对“以某轴为中心轴的180°阵列特征”的三维结构描述。
斜翼动子13无须借助任何机械结构，纯粹靠磁力“悬浮”在轭铁6中间，其所需磁力大小的计算方法参考赵凤桐等发表的《永磁体间作用力的计算》(出处“赵凤桐,王淑文.永磁体间作用力的计算[J].吉林工学院学报,1991(01):9-13.”)中所提到的两块整体式永久磁片间处于有间隙状态下的最大排斥力和吸引力的计算公式：
式中：Bg——永磁体的磁化强度；
Ag——永磁体的磁极面积Ag＝x×y；
Lg——两块整体式永久磁片间的间隙；
a——修正系数，通常取a＝3～5，间隙大时取大值，间隙小时取小值；
本发明中双向磁悬浮联轴节磁片所采用的材料为钕铁硼永磁材料。烧结钕铁硼磁体(Nd-Fe-B)的剩余磁感应强度Br＝1.555T、内禀矫顽力Hcj＝653kA/m、最大磁能积(BH)max＝474kJ/m3。
轭铁6的极靴表面以及相对应斜翼动子13的上下两侧翼面上都贴有极性相同的磁片14。斜翼动子13贴有的的磁片与轭铁6极靴表面贴有的磁片之间产生了磁排斥力，该磁排斥力使得斜翼动子13悬浮于轭铁6中间，这是一个典型的磁力排斥结构。侯军兴发表的《履带式电动车辆磁悬浮系统的设计》(出处“侯军兴.履带式电动车辆磁悬浮系统的设计[D].河南农业大学,2006.”)中提到了磁力排斥结构，基体固定，悬浮体经导向后沿垂直方向上下移动，磁极间距变化，磁力线被压缩或舒张，磁力线密度增加或减小，从而磁力大小也发生变化。
大流量二维半桥式电液比例换向阀本体是由阀芯8和阀体9所组成的2D阀，且阀芯8可转动并可轴向移动地设置在阀芯9内孔中。双向比例电磁铁2固定在左侧端盖4上。阀体9内孔上依次开有T口、A口、P口、B口、T口，其中P口为进油口，此处压力为系统压力，阀芯8中部上设有两个台肩，两个中部台肩分别位于A口和B口上方。2D阀的阀芯8和双向磁悬浮联轴节的斜翼动子13通过键进行连接，并用弹簧卡圈进行轴向固定。此外，在阀芯8的中部开设一个与P口相通的第一高压孔a，在阀芯8的左端各开设一个左侧敏感腔g相通的第二高压孔b，使得左侧敏感腔g恒通高压，阀芯8的右端台肩上开设了一对分别与P口和T口相通的矩形高、低压槽(c和f)，同时在阀体9右端的内孔壁上相应地也开设一条与右敏感腔h相通的感受通道e，左端的第二高压孔b、右端的矩形高、低压槽(c和f)和感受通道构成四通转阀，并串联形成液压阻力半桥，控制阀芯8两端的左敏感腔g和右敏感腔h的压力。左敏感腔g是由左端的双向比例电磁铁2、阀体9的左端部和左侧端盖4所形成的密闭容腔，右敏感腔h是由阀芯8、阀体9的内孔和端板12所形成的密闭容腔，双向磁悬浮联轴节置于敏感腔内。两弹簧3分别安装于双向磁悬浮联轴节的两侧，其主要实现双向比例电磁铁2的输出力与位移的转换，并起消除间隙和零位对中(双向比例电磁铁2不通电时，导控桥路转动对中，主阀轴向开口处于零位对中状态)的作用。
优选地，左侧端盖(4)则通过螺钉(10)固定在2D阀的阀体(9)上；环塞11置于阀体(9)右侧内孔中，防止2D阀中的油液从阀体(9)右侧泄露，并用盖板(12)盖板(12)通过螺钉(10)固定在阀体(9)的右端。
本发明的有益效果主要表现在：
1、本发明所设计的大流量二维半桥式电液比例换向阀，其双向磁悬浮联轴节采用了非接触式的“磁悬浮”设计，从而从根本上避免了压扭联轴节固有的间隙、摩擦磨损对阀的线性度、重复度和滞环等静态特性带来的影响。
2、本发明所设计的大流量二维半桥式电液比例换向阀，其双向磁悬浮联轴节可以实现双向压扭，与双向的线性电-机械转换器配合使用，可以实现双向比例控制的功能。
3、本发明所设计的大流量二维半桥式电液比例换向阀，失压后阀腔内无油液流动，阀芯不受液动力和卡紧力的作用，使得电-机械转换器通电后产生的电磁推力可以直接驱动阀芯运动，此时其工作原理与直驱阀相同，从而实现所谓的先导与直驱一体化控制；而对于传统的先导级电液控制元件而言，功率级主阀芯的动作依赖于稳定的先导压力，一旦系统失压，则无法通过敏感腔压力的变化驱动主阀芯轴向移动，此时阀是不能工作的。
4、本发明所设计的大流量二维半桥式电液比例换向阀，采用阀芯双自由度的二维流量放大机构，将导控级与功率级集成于单个阀芯上，在简化结构、降低加工成本的同时大大提高了功率重量比。
5、本发明所设计的大流量二维半桥式电液比例换向阀，采用了高响应型的液压伺服螺旋机构，用矩形的高、低压槽来增大先导级的面积梯度(高、低压槽与感受通道的重叠面积)，从而使得比例阀在工作过程中所能提供的导控流量能够很好的满足阀芯轴向运动对旋转运动快速响应的要求，具备在大流量状态下工作的能力。
附图说明
图1为基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀的装配示意图；
图2为双向磁悬浮联轴节的装配示意图；
图3为双向磁悬浮联轴节与阀芯8的装配示意图；
图4为轭铁6的结构示意图；
图5为斜翼动子13的结构示意图；
图6a～图6d为大流量二维半桥式电液比例换向阀的驱动力与运动分解示意图，其中，图6a为大流量二维半桥式电液比例换向阀初始平衡状态的示意图，图6b为大流量二维半桥式电液比例换向阀通电后阀芯转动的示意图，图6c为大流量二维半桥式电液比例换向阀阀芯轴向移动的示意图，图6d为大流量二维半桥式电液比例换向阀达到新平衡状态的示意图；
图7a～图7b为圆形高、低压孔和感受通道零遮盖示意图，其中，图7a为圆形高、低压孔和感受通道零遮盖初始位置的示意图，图7b为圆形高、低压孔和感受通道零遮盖转动一定角度时的示意图；
图8为圆形高、低压孔和感受通道正遮盖示意图；
图9a～图9b为本发明采用的矩形高、低压槽和感受通道遮盖示意图，其中，图9a为矩形高、低压槽和感受通道零遮盖初始位置的示意图，图9b为矩形高、低压槽和感受通道零遮盖转动一定角度时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1～图5所示，一种基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀，包括大流量二维半桥式电液比例换向阀本体，大流量二维半桥式电液比例换向阀本体是由阀芯8和阀体9所组成的2D阀，阀体9的左端安装有一个双向比例电磁铁2，阀芯8的左端装有一个双向磁悬浮联轴节，阀芯8通过双向磁悬浮联轴节连接双向比例电磁铁2。
双向磁悬浮联轴节包括直线轴承5、轭铁6、固定销7、斜翼动子13、磁片14和弹簧卡圈15，其中直线轴承5套在固定销7上并安装于轭铁6的上下两端，使得轭铁6只能作水平直线运动。轭铁6前后侧各有两个极靴，且均呈以垂直于轭铁6平面、竖直向上的轴为中心轴的180°阵列特征；轭铁6的极靴表面以及相对应斜翼动子13的上下两侧翼面上都贴有极性相同的磁片14，从而形成磁排斥力，使得斜翼动子13无须借助任何机械结构，纯粹靠磁力“悬浮”在轭铁6中间。轭铁6的极靴表面和斜翼动子13的翼面都有相同的倾角β，且均呈以垂直于水平面、竖直向上的轴为中心轴的180°阵列特征，以此形成前后各两个相同高度的倾斜工作气隙，斜翼动子13置于轭铁6的中间位置，可旋转一定角度。
大流量二维半桥式电液比例换向阀本体是由阀芯8和阀体9所组成的2D阀，且阀芯8可转动并可轴向移动地设置在阀芯9内孔中。双向比例电磁铁2利用螺钉1固定在左侧端盖4上，而左侧端盖4则通过螺钉10固定在2D阀的阀体9上。环塞11置于阀体9右侧内孔中，防止2D阀中的油液从阀体9右侧泄露，并用盖板12通过螺钉10固定在阀体9的右端。阀体9内孔上依次开有T口、A口、P口、B口、T口，其中P口为进油口，此处压力为系统压力，阀芯8中部上设有两个台肩，两个中部台肩分别位于A口和B口上方。2D阀的阀芯8和双向磁悬浮联轴节的斜翼动子13通过键进行连接，并用弹簧卡圈进行轴向固定。此外，在阀芯8的中部开设一个与P口和g相通的第一高压孔a，在阀芯8的左端开设一个左侧敏感腔g相通的第二高压孔b，使得左侧敏感腔g恒通高压，阀芯8的右端台肩上开设了一对分别与P口和T口相通的矩形高、低压槽(c和f)，同时在阀体9右端的内孔壁上相应地也开设一条与右侧敏感腔h相通的感受通道e，左端的第二高压孔b、右端的矩形高、低压槽(c和f)和感受通道e构成四通转阀，并串联形成液压阻力半桥，控制阀芯8两端的左敏感腔g和右敏感腔h的压力。左敏感腔g是由左端的双向比例电磁铁2、阀体9的左端部和左侧端盖4所形成的密闭容腔，右敏感腔h是由阀芯8、阀体9的内孔和端板12所形成的密闭容腔，双向磁悬浮联轴节置于敏感腔内。两弹簧3分别安装于双向磁悬浮联轴节的两侧，其主要实现双向比例电磁铁2的输出力与位移的转换，并起消除间隙和零位对中(双向比例电磁铁2不通电时，导控桥路转动对中，主阀轴向开口处于零位对中状态)的作用。
大流量二维半桥式电液比例换向阀的双向比例电磁铁2所选用的是目前市场上成熟的商用产品，双向磁悬浮联轴节的主要作用是将双向比例电磁铁2产生的轴向推力转换为切向力，并放大，驱动阀芯8转动，使得其转角在±2°以内，平动位移在±2.5mm之内。
如图7～图9所示，本发明所述的大流量实现方式是将传统的2D电液比例换向阀中的圆形高、低压孔改成矩形高、低压槽，虽然两者从表面上看基本相似，但却有本质上的差异。
由于液压伺服螺旋机构的特点所决定，敏感腔的体积可以取得很小，使得由敏感腔体积和阀芯质量所决定的液压固有频率可以高达10～100KHz的数量级，在如此高的液压固有频率下，整个阀的动态响应基本上就决定于油液从高、低压孔和感受通道相交的通流面积进出并调制敏感腔内的混合压力直到阀芯两端的液压力之差失去平衡从而驱动阀芯运动的时间，显然，2D阀的面积梯度(仿照滑阀面积梯度的定义，此处面积梯度可以定义为单位阀芯径向转角下的通流面积。滑阀的面积梯度：根据电液伺服控制理论，对于功率级为滑阀形式且全周开口的电液伺服阀来说，此时的通流面积S为一环形面，S＝π×d×Xv，其中d为阀芯直径，Xv为阀芯的轴向位移，面积梯度W被定义为单位阀芯轴向位移下的通流面积，很明显，W＝π×d。)越大，通流面积增加的越迅速，这个时间就越短，整个阀的动态响应越快。
下面来看“圆形高、低压孔”方案是否适用于大流量场合。若图1中的矩形高、低压槽改成圆形高、低压孔，即高压孔(c)、低压孔(f)和开设于阀体9右端内壁上的感受通道(e)构成了液压阻力半桥。高、低压孔和感受通道的遮盖方式有两种选择：零遮盖或者正遮盖。零遮盖的方案如图7a和图7b所示，分别表示为圆形高、低压孔和感受通道零遮盖初始位置和转动一定角度时的示意图。零遮盖的好处是满弓形高低压孔和感受通道保持点对边的零遮盖的状态，如图7a所示，基本不会有高压孔漏到低压孔随后再回到T口的那部分油液泄漏，避免了无谓的功率损耗；缺点是过流的面积梯度太小，如此一旦阀芯8开始旋转，如图7b所示，通流面积的增加不够迅速，油液从高、低压孔和感受通道相交的通流面积进出并调制敏感腔(g和h)内的混合压力直到阀芯8两端的液压力之差失去平衡从而驱动阀芯8运动，就需要花费较长的时间，从而影响了阀的动态性能，当要求输出大流量，也就是阀芯8直径较大时，敏感腔(g和h)的体积也随着增大，阀动态响应滞后的情况会更加严重。显然，这种零遮盖的方式用于传统的换向阀是可以的，因为传统换向阀的动态响应并不是十分的苛刻；然而绝不适用于构成大流量的电液比例换向阀。要在输出大流量(阀芯8直径较大时)还能有较高的动态响应，办法就是增加面积梯度，增大单位时间内油液进出的流量，对于圆形高、低压孔来讲，就是做成图8所示的高、低压孔和感受通道的正遮盖的方式，然而这种方式带来的问题就是泄漏量很大(高压孔漏到低压孔随后再回到T口的那部分泄漏)，随着阀流量的增大，阀芯8直径加大，这部分泄漏会增长到无可忍受的水平。
显然，“圆形高、低压孔”方案无法做到在增加面积梯度的同时保持极小的泄漏量，因而无法构成大流量的2D电液比例换向阀。
然后来看“矩形高、低压槽”方案，图9a和图9b分别表示为矩形高、低压槽和感受通道零遮盖初始位置和转动一定角度时的示意图。通过将原本圆形的高、低压孔改为矩形高、低压槽，增大过流的面积梯度，如此在不工作时，矩形高、低压槽和感受通道保持边对边的零遮盖的状态，此时基本无泄漏，避免无谓的功率损耗；工作时一旦阀芯8开始旋转，由于较大的面积梯度，矩形高、低压槽和感受通道相交的通流面积将迅速增大，油液进出并调制敏感腔(g和h)内的混合压力直到阀芯8两端的液压力之差失去平衡从而驱动阀芯8运动需要花费的时间大大缩短，从而提升了阀的动态性能，当要求输出大流量，也就是阀芯8直径较大，敏感腔(g和h)的体积也随着增大时，这是同时能保证阀的高速动态响应和微小泄漏的唯一方法。
本发明实施的工作原理，如图6a～图6d所示。当二维电液比例换向阀的双向比例电磁铁2不通电时，如图6a所示，由于其结构对称，轭铁6的极靴表面以及与轭铁6的极靴表面相对应的斜翼动子13的上下两侧翼面上都贴有极性相同的磁片14，并且前后两侧的上下两个倾斜气隙高度相等(气隙高度为d)，使得斜翼动子13前后两侧的上下翼面所受的斥力相等(大小相等，方向相反)，即阀芯8处于平衡状态。当二维电液比例换向阀的双向比例电磁铁2向右输出一个Fm的推力时，如图6b所示，使得双向磁悬浮联轴节的轭铁6在固定销7的周向约束下向右滑动；同时，右端弹簧3的压缩量增加，所增加的弹簧力与双向比例电磁铁2的推力Fm相平衡。此时，双向磁悬浮联轴节的倾斜气隙高度发生变化(d1和d2，d1>d，d2<d)，导致斜翼动子13前侧下翼面所受的磁排斥力增大而上翼面的磁排斥力减小，后侧下翼面所受的磁排斥力减小而上翼面的磁排斥力增大。因此，阀芯8不再处于平衡状态，阀芯8受到向右的轴向驱动力和逆时针的转矩(从左往右看)。此轴向驱动力相当于直动式比例阀的驱动力，在高压大流量的工况下，由于液动力的影响不能直接驱动阀芯8轴向运动，但是，阀芯8能逆时针转动，阀芯8的转动角度为Δθ。如图6c所示，在这过程中，由于阀芯8逆时针转动，右端矩形高、低压槽(c和f)与感受通道e的沟通面积发生变化，使得阀右敏感腔h的压力降低，因此，阀芯8向右轴向移动Δx，油液从P口流向B口，A口流向T口。如图6d所示，在右移过程中，由于轭铁6的浆翼结构，双向磁悬浮联轴节的倾斜气隙高度再度发生变化(d3和d4，d3<d，d4>d)，导致斜翼动子13前侧下翼面所受的磁排斥力减小而上翼面的磁排斥力增大；后侧下翼面所受的磁排斥力增大而上翼面的磁排斥力减小。由前述受力分析可知，这会使得阀芯8同步往回转动(即顺时针转动)。往回转动的结果是，阀右敏感腔h的压力升高，直至阀芯8两端敏感腔(g和h)的压力又重新恢复为以前的平衡值，阀芯8到达一个与双向比例电磁铁2推力Fm相对应的新的平衡位置。当二维电液比例换向阀的双向比例电磁铁2向左输出一个Fm的推力时，情况正好相反。需要特别指出的是，在阀的P口的压力为零(与T口压力相等)的工况下，将无法借助二维换向阀控制两端敏感腔(g和h)压力从而驱动阀芯轴向移动。但此时，由于阀腔内无油液流动，阀芯8不受液动力和卡紧力的影响，阀芯8可由双向比例电磁铁2所产生的电磁推力直接驱动，这时，二维电液比例换向阀的工作原理与直动式比例阀一致。
斜翼动子13驱动阀芯8转动的机理可以简化为罗方赞等发表的《斜槽型2D伺服阀的阀芯高低压孔设计与实验研究》(出处“罗方赞,金丁灿.斜槽型2D伺服阀的阀芯高低压孔设计与实验研究[J].机床与液压,2017,45(07):51-53+6.”)中滚轮销轴驱动阀芯转动的工作原理。双向磁悬浮斜翼节的轭铁6轴向移动，导致双向磁悬浮斜翼节的4个倾斜工作气隙的高度相应的发生改变，从而使得双向磁悬浮斜翼节的斜翼动子13输出一个磁力矩和一个轴向力，由于斜翼动子和阀芯固连，液动力的存在使得阀芯无法轴向移动，所以驱动阀芯转动的力矩为斜翼动子输出的磁力矩。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀，包括大流量二维半桥式电液比例换向阀本体，大流量二维半桥式电液比例换向阀本体是由阀芯（8）和阀体（9）所组成的2D阀，阀体（9）的左端安装有一个双向比例电磁铁（2），阀芯（8）的左端装有一个双向磁悬浮联轴节，阀芯（8）通过双向磁悬浮联轴节连接双向比例电磁铁（2）；
双向磁悬浮联轴节包括直线轴承（5）、轭铁（6）、固定销（7）、斜翼动子（13）、磁片（14）和弹簧卡圈（15），其中直线轴承（5）套在固定销（7）上并安装于轭铁（6）的上下两端，使得轭铁（6）只能作水平直线运动；轭铁（6）前后侧各有两个极靴，且均呈以垂直于轭铁（6）平面、竖直向上的轴为中心轴的180°阵列特征；轭铁（6）的极靴表面以及相对应斜翼动子（13）的上下两侧翼面上都贴有极性相同的磁片（14），从而形成磁排斥力，使得斜翼动子（13）靠磁力“悬浮”在轭铁（6）中间；轭铁（6）的极靴表面和斜翼动子（13）的翼面都有相同的倾角b，且均呈以垂直于水平面、竖直向上的轴为中心轴的180°阵列特征，形成前后各两个相同高度的倾斜工作气隙，斜翼动子（13）可旋转地置于轭铁（6）的中间位置；
双向比例电磁铁（2）利用螺钉（1）固定在左侧端盖（4）上，而左侧端盖（4）则通过螺钉（10）固定在2D阀的阀体（9）上；环塞（11）置于阀体（9）右侧内孔中，防止2D阀中的油液从阀体（9）右侧泄露，盖板（12）通过螺钉（10）固定在阀体（9）的右端；
阀芯（8）可转动并可轴向移动地设置在阀体（9）内孔中；双向比例电磁铁（2）固定在左侧端盖（4）上；阀体（9）内孔上依次开有T口、A口、P口、B口、T口，其中P口为进油口，此处压力为系统压力，阀芯（8）中部上设有两个台肩，两个中部台肩分别位于A口和B口上方；2D阀的阀芯（8）和双向磁悬浮联轴节的斜翼动子（13）通过键进行连接，并用弹簧卡圈进行轴向固定；此外，在阀芯（8）的中部开设一个与P口相通的第一高压孔（a），在阀芯（8）的左端各开设一个左侧敏感腔g相通的第二高压孔（b），使得左敏感腔（g）恒通高压，阀芯（8）的右端台肩上开设了一对分别与P口和T口相通的矩形高、低压槽(c和f)，同时在阀体（9）右端的内孔壁上相应地也开设一条与右敏感腔（h）相通的感受通道（e），左端的第二高压孔（b）、右端的矩形高、低压槽(c和f)和感受通道构成四通转阀，并串联形成液压阻力半桥，控制阀芯（8）两端的左敏感腔（g）和右敏感腔（h）的压力；左敏感腔（g）是由左端的双向比例电磁铁（2）、阀体（9）的左端部和左侧端盖（4）所形成的密闭容腔，右敏感腔（h）是由阀芯（8）、阀体（9）的内孔和端板（12）所形成的密闭容腔，双向磁悬浮联轴节置于敏感腔内；两弹簧（3）分别安装于双向磁悬浮联轴节的两侧。
2.如权利要求1所述的一种基于双向磁悬浮联轴节的大流量二维半桥式电液比例换向阀，其特征在于：左侧端盖（4）则通过螺钉（10）固定在2D阀的阀体（9）上；环塞11置于阀体（9）右侧内孔中，防止2D阀中的油液从阀体（9）右侧泄露，并用盖板（12）通过螺钉（10）固定在阀体（9）的右端。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112065797B (zh) * 2020-08-12 2024-06-11 浙江工业大学 基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀
CN112984198B (zh) * 2021-03-15 2022-03-18 浙江工业大学 基于推杆中置式滚子联轴节的二维半桥电液比例换向阀
CN113513511B (zh) * 2021-04-15 2023-09-26 浙大城市学院 一种压电堆叠驱动电液比例阀
CN113236620A (zh) * 2021-04-15 2021-08-10 中国矿业大学 一种三位四通电液比例换向阀
CN113107918B (zh) * 2021-04-22 2023-05-23 浙江工业大学 基于间隙补偿位移放大联轴节的二维半桥电液比例换向阀
CN113775586B (zh) * 2021-08-18 2024-07-19 浙江工业大学 基于钳形位移放大联轴节的二维全桥电液比例换向阀

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08306527A (ja) * 1995-04-27 1996-11-22 Keihin Seiki Mfg Co Ltd リニアソレノイドバルブ
KR20060028496A (ko) * 2004-09-24 2006-03-30 엘지전자 주식회사 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브
CN104534124A (zh) * 2014-12-01 2015-04-22 浙江工业大学 位移可放大2d电液比例换向阀
CN105465085A (zh) * 2016-01-25 2016-04-06 浙江大学城市学院 位移缩小式压扭联轴器型2d电液比例换向阀
CN211116881U (zh) * 2019-09-10 2020-07-28 浙江工业大学 大流量二维半桥式电液比例换向阀

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08306527A (ja) * 1995-04-27 1996-11-22 Keihin Seiki Mfg Co Ltd リニアソレノイドバルブ
KR20060028496A (ko) * 2004-09-24 2006-03-30 엘지전자 주식회사 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브
CN104534124A (zh) * 2014-12-01 2015-04-22 浙江工业大学 位移可放大2d电液比例换向阀
CN105465085A (zh) * 2016-01-25 2016-04-06 浙江大学城市学院 位移缩小式压扭联轴器型2d电液比例换向阀
CN211116881U (zh) * 2019-09-10 2020-07-28 浙江工业大学 大流量二维半桥式电液比例换向阀

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