CN111396385A - 二维力反馈式电液伺服阀 - Google Patents

二维力反馈式电液伺服阀 Download PDF

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CN111396385A CN202010161818.7A CN202010161818A CN111396385A CN 111396385 A CN111396385 A CN 111396385A CN 202010161818 A CN202010161818 A CN 202010161818A CN 111396385 A CN111396385 A CN 111396385A
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陈滨
孟彬
戴铭柱
刘备
徐豪
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Abstract

二维力反馈式电液伺服阀，包括液压放大机构和电‑机械转换器，电‑机械转换器包括转轴沿水平面设置的衔铁，衔铁包括两侧斜翼面，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；衔铁两侧对称地设置有第一轭铁、第二轭铁，两轭铁的内侧呈圆弧形、外侧分别绕有线圈，两轭铁的内侧壁面均开有与邻近的衔铁斜翼面的侧端相对于转轴的倾斜方向相同的斜槽；衔铁的斜翼侧端呈弧面，衔铁的斜翼侧端跨越所述的斜槽，并与第一轭铁被斜槽分割的两个弧面、第二轭铁被斜槽分割的两个弧面形成四个工作气隙；两轭铁的内侧的上、下部分别架设一个永磁体；衔铁上下脊面连接一个弹簧杆，其球头端则分别可活动地插入弹簧顶板的球窝中。

Description

二维力反馈式电液伺服阀
技术领域
本发明涉及电液伺服控制元件领域，尤其是一种二维力反馈式电液伺服阀。
背景技术
自四十年代出现以来，电液伺服控制技术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，被视为各国工业的核心竞争力，在航空航天、军用武器、船舶、大型电站、钢铁、材料试验机和振动台等各种关键场合均有重要应用。在电液伺服控制系统中，电液伺服阀起着机-电转换和信号放大的作用，在很大程度上对整个系统的性能具有决定性的影响。
为了获得理想的静动态特性，人们通常将伺服阀设计成导控式的多级结构。阮健等在哈尔滨工业大学攻读博士学位时提出了一种基于阀芯双自由度的二维流量放大机构设计思想：一般的滑阀阀芯具有径向旋转和轴向移动两个自由度，且不相互干涉，因而可以用这两个自由度分别实现导控级和功率级的功能，考虑到滑阀阀口的面积梯度可以做的很大，且阀芯在阀孔中也较容易与端盖等配合形成敏感腔，一般可用阀芯的旋转运动实现导控级的功能，而用直线运动来实现功率级的开口。
基于该原理，阮健等提出了一种位置直接反馈式二维电液伺服阀，通过开设在阀套内表面的一对螺旋槽和阀芯外圆面的一对高低压孔相交面积构成的液压阻力半桥来控制敏感腔的压力，当电-机械转换器带动阀芯转动时，阀套上螺旋槽和阀芯上高低压孔构成的弓型节流口面积差动变化，导致阀芯两端液压力失去平衡而轴向移动，在此过程中阀芯位移又反馈给螺旋槽和高低压孔构成的弓型节流口面积，最终使其逐渐趋向于相等，此时阀芯停止移动并处于新的平衡位置。该阀的主要优点是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，而且阀的抗污染能力得到了极大的提高。然而该阀也存在问题：其阀套上的空间螺旋槽结构一般需要三轴以上的进口电火花机床才能加工，成本较高，且加工效率很低，同时由于其处于阀套内表面，加工精度难于保证，检测时也较为困难。
为了降低加工成本，孟彬等提出一种基于阀芯双自由度的二维力反馈式电液伺服阀，其反馈方式由位置直接反馈式改为了位移-力矩反馈式(一般简称为位移-力反馈式或者力反馈式)，由此其阀芯由空间螺旋槽改为直槽，大大降低了加工成本，同时阀芯失去了位置直接反馈的功能；普通的力矩马达是喷嘴挡板伺服阀和射流管伺服阀常用的电-机械转换元件，其输出力矩大，动态响应高，但是衔铁为平翼结构，其只能绕旋转轴转动，并不具备反馈功能；该电液伺服阀的电-机械转换器采用一种桨翼式力矩马达，在保留了普通力矩马达优点的基础上，将阀芯直槽缺失的反馈能力集成在其中，实现了二维电液伺服阀位移-力反馈控制，且降低了加工难度。
桨翼式力矩马达采用了矩形气隙，使其衔铁倾角过大时，或是气隙距离过小时，限制了衔铁轴向位移行程以及转角的最大位置；由于倾角越大，气隙越小，力矩马达反馈的磁力矩就越大，矩形气隙的存在产生了衔铁位移和大倾角、小气隙的矛盾，无法达到最优设计。为解决这一矛盾，提出一种基于环形气隙的新型双自由度力矩马达。
发明内容
为了克服已有的位置直接反馈式二维电液伺服阀存在的阀套内表面空间螺旋槽结构加工成本高，精度难于保证，且加工效率低，以及传统的力矩马达无法同时满足带反馈，大倾角，小气隙，长行程的不足，本发明提供一种二维力反馈式电液伺服阀。
为了解决上述技术问题采用的技术方案为：
二维力反馈式电液伺服阀，包括液压放大机构和电-机械转换器，液压放大机构包括阀芯27、阀套11、阀体6、后盖板1、右塞环25、同心环13、堵头3；阀芯27与阀套11、后盖板1配合构成左敏感腔 h，靠近左敏感腔h的阀芯27左端台肩表面上开设有两对轴对称的低高压槽a和b，阀杆上还开有过流孔c和d，高压槽b、过流孔c和过流孔d通过开设于阀芯内部的过流通道相连接，低压槽a则直接和回油口连接；阀芯27装于阀套11中，阀套11和阀体6之间通过O型密封圈密封；阀芯27上装有同心环13和右塞环25以保证阀芯27、阀套11和阀体6之间的定位；阀套11的内表面上开设有一对轴对称的直槽感受通道f，感受通道的一端和敏感腔h相通，另一端与低高压槽a和b构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力，控制阀芯两端的压力差，实现阀芯轴向位移；
其特征在于：所述的电-机械转换器是双自由度力矩马达，包括转轴沿水平面设置的衔铁19，衔铁19包括两侧斜翼面，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，两侧斜翼面相当于转轴的倾斜角大小相同、方向相反；衔铁19两侧对称地设置有第一轭铁16、第二轭铁22，第一轭铁16和第二轭铁22以经过衔铁19 的转轴的垂直面呈镜像关系，以靠近衔铁19方向为内侧，反之为外侧，第一轭铁16和第二轭铁22的内侧呈圆弧形、外侧分别绕有第一线圈 18和第二线圈21，第一轭铁16和第二轭铁22的内侧壁面均开有与邻近的衔铁19斜翼面的侧端相对于转轴的倾斜方向相同的斜槽，所述的槽相对于转轴的倾斜角与侧斜翼面相对于转轴的倾斜角大小相同；衔铁19的斜翼侧端呈弧面，衔铁19的斜翼侧端跨越所述的斜槽，并与第一轭铁16被斜槽分割的两个弧面、第二轭铁22被斜槽分割的两个弧面形成四个工作气隙，四个气隙的径向距离始终不变，气隙面积会随衔铁19的旋转而改变；
第一轭铁16与第二轭铁22的内侧的上、下部分别架设第一永磁体29和第二永磁体30；第一永磁体29和第二永磁体30、第一轭铁 16和第二轭铁22围合成衔铁19的旋转内腔；
第一弹簧杆17、第二弹簧杆31作为弹性元件分别穿进衔铁19上下脊面的两个小孔并与其固连，其球头端则分别可活动地插入第一弹簧顶板20和第二弹簧顶板23的球窝中，第一弹簧顶板20和第二弹簧顶板23分别紧贴第一永磁体29和第二永磁体30。
优选地，衔铁19直接和阀芯27固连并由此被保持在马达的中位。
四个工作气隙面积的变化不仅受到衔铁19转动的影响，同时也受到阀芯27轴向位移的影响，以此实现阀芯位移对新型双自由度力矩马达的力反馈。不通电时新型双自由度力矩马达无力矩输出，衔铁位于中位；当线圈18、21通电时，永磁体29、30的极化磁势和线圈的控制磁势在四个工作气隙下相互差动叠加，从而产生电磁力矩带动衔铁 19旋转，直到电磁力矩与弹簧杆17、31的反力矩相互平衡，衔铁19 停止转动，此时衔铁19的输出力矩与控制电流成正相关，调节电流大小便可控制衔铁19的旋转角度。当衔铁19有轴向位移时，衔铁19 和第一轭铁16、第二轭铁22的工作气隙面积又发生变化，使得作用在衔铁19上的合力矩失去平衡，从而带动衔铁19和阀芯27在移动过程中同时作反向转动，直到衔铁19和第一轭铁16、第二轭铁22的工作气隙面积恢复到原值。在上述过程中，阀芯27的轴向位移是通过衔铁19的气隙变化来使得衔铁19输出的电磁力矩发生变化，从而实现位移-力反馈的。
液压放大机构包括阀芯27、阀套11、阀体6、后盖板1、右塞环 25、同心环13、堵头3；阀芯27与阀套11、后盖板1配合构成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的阀芯27左端台肩表面上开设有两对轴对称的低高压槽a和b，阀杆上还开有过流孔c和d，高压槽b、过流孔c 和过流孔d通过开设于阀芯内部的过流通道相连接，低压槽a则直接和回油口连接；阀芯27装于阀套11中，阀套11和阀体6之间通过O 型密封圈密封；阀芯27上装有同心环13和右塞环25以保证阀芯27、阀套11和阀体6之间的定位；阀套11的内表面上开设有一对轴对称的直槽感受通道f，感受通道的一端和敏感腔h相通，另一端与低高压槽a和b构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力，并由此控制阀芯两端的压力差，实现阀芯轴向位移。所述的新型双自由度力矩马达连接到阀体6的一端，所述的衔铁19的中心轴与阀芯27的中心轴位于同一直线上。
本发明的有益效果主要表现在：
1.结构简单，加工成本低。本发明将衔铁斜翼面和轭铁弧面斜槽设计成轴向180°阵列特征的新型双自由度力矩马达作为电-机械转换器，在驱动阀芯旋转的同时，还可以将阀芯位移反馈到衔铁力矩上，从而构成位移-力反馈机制。相比已有的位置直接反馈式二维伺服阀阀套内表面的空间螺旋槽结构，二维力反馈式电液伺服阀的结构明显比较容易加工。
2.反馈力矩大。新型力矩马达采用环形气隙的结构，相比矩形气隙，环形气隙能在保证衔铁位移行程的情况下缩小气隙距离的同时增大倾角，使得该新型力矩马达反馈力矩更大，且理论上具有更大的转角。
附图说明
图1为本发明的结构侧视图。
图2为本发明的结构后视图。
图3为本发明的衔铁的结构示意图。
图4(a)为本发明第一轭铁的结构示意图；图4(b)为第一轭铁另一个角度的示意图。
图5(a)为本发明的第二轭铁的结构示意图，图5(b)为第二轭铁另一个角度的示意图。
图6为本发明的第一弹簧杆的结构示意图；第二弹簧杆的结构与其完全相同。
图7为本发明的二维力反馈式电液伺服阀阀套的结构示意图。
图8为本发明的二维力反馈式电液伺服阀阀芯的结构示意图。
图9为本发明的结构示意图。
图10(a)～10(c)为本发明的工作原理示意图，图10(a)是本发明的初始衔铁旋转状态的示意图，图10(b)是本发明的旋转驱动阀芯位移状态的示意图，图10(c)是本发明的反馈复位状态的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图10(c)，二维力反馈式电液伺服阀，包括新型双自由度力矩马达和液压放大部分。新型双自由度力矩马达由第一轭铁16、第二轭铁22、衔铁19、第一永磁体29、第二永磁体30、第一弹簧杆 17、第二弹簧杆31、第一线圈18、第二线圈21、第一弹簧顶板20，第二弹簧顶板23和固定螺钉等组成。
衔铁19两侧对称地设置有第一轭铁16、第二轭铁22，第一轭铁 16和第二轭铁22以经过衔铁19的转轴的垂直面呈镜像关系，以靠近衔铁19方向为内侧，反之为外侧。
第一轭铁16、第二轭铁22及衔铁19均为导磁体；第一永磁体 29、第二永磁体30分别对称放置于第一轭铁和第二轭铁内侧的上部和下部，用来提供极化磁势；第一线圈18、第二线圈21分别对称缠绕于第一轭铁和第二轭铁外侧，用来提供控制磁势；第一弹簧杆17、第二弹簧杆31作为弹性元件穿进衔铁19上下脊面的两个小孔并与其固连，其球头端则分别可活动地插入第一弹簧顶板20和第二弹簧顶板 23的球窝中，第一弹簧顶板20和第二弹簧顶板23分别紧贴第一永磁体29和第二永磁体30，同样对称放置于第一轭铁16和第二轭铁22两侧，衔铁19直接和阀芯27固连并由此被保持在马达的中位。整个双自由度力矩马达装配完毕后,再通过螺钉固连到阀体的一端。
如图3、图4(a)、图4(b)、图5(a)和图5(b)所示。与用作喷嘴挡板阀和射流管阀电-机械转换器的普通新型双自由度力矩马达不同的是，对于新型双自由度力矩马达而言，衔铁19由水平设置的中心轴和两侧斜翼面构成，两侧斜翼面，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，即其中一侧斜翼沿轴向方向旋转180°后与另一侧斜翼重合，两侧斜翼面与轴向的倾斜角大小相同、方向相反；
第一轭铁16和第二轭铁22形状大小完全一致，沿轴向中心对称 180°布置，第一轭铁16和第二轭铁22的弧面上开有与轴向方向倾斜一定角度的槽，用于分割磁路；第一轭铁16、第二轭铁22和衔铁19 斜翼的倾斜角大小相同；衔铁19的斜翼侧端为弧面，与第一轭铁16 被斜槽分割的两个弧面、第二轭铁22被斜槽分割的两个弧面形成四个工作气隙，四个气隙的径向距离始终不变，气隙面积会随衔铁19的旋转而改变。
四个工作气隙面积的变化不仅受到衔铁19转动的影响，同时也受到阀芯27轴向位移的影响，以此实现阀芯位移对新型双自由度力矩马达的力反馈。不通电时新型双自由度力矩马达无力矩输出，衔铁位于中位；当线圈18、21通电时，永磁体29、30的极化磁势和线圈的控制磁势在四个工作气隙下相互差动叠加，从而产生电磁力矩带动衔铁 19旋转，直到电磁力矩与弹簧杆17、31的反力矩相互平衡，衔铁19 停止转动，此时衔铁19的输出力矩与控制电流成正相关，调节电流大小便可控制衔铁19的旋转角度。当衔铁19有轴向位移时，衔铁19 和第一轭铁16、第二轭铁22的工作气隙面积又发生变化，使得作用在衔铁19上的合力矩失去平衡，从而带动衔铁19和阀芯27在移动过程中同时作反向转动，直到衔铁19和第一轭铁16、第二轭铁22的工作气隙面积恢复到原值。在上述过程中，阀芯27的轴向位移是通过衔铁19的气隙变化来使得衔铁19输出的电磁力矩发生变化，从而实现位移-力反馈的。
如图1、图2、图7、图8和图9所示，液压放大部分包括阀芯27、阀套11、阀体6、后盖板1、右塞环25、同心环13、堵头3、O型密封圈4、5、7、8、9、10、12、15、26以及若干螺钉等。阀芯27与阀套11、后盖板1配合构成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的阀芯27 左端台肩表面上开设有两对轴对称的低高压槽a和b，阀杆上还开有过流孔c和d，高压槽b、过流孔c和过流孔d通过开设于阀芯内部的过流通道相连接，低压槽a则直接和回油口连接；阀芯27装于阀套 11中，阀套11和阀体6之间通过O型密封圈5、7、8、9、10密封；阀芯27上装有同心环13和右塞环25以保证阀芯27、阀套11和阀体 6之间的定位；阀套11的内表面上开设有一对轴对称的直槽感受通道 f，感受通道的一端和敏感腔h相通，另一端与低高压槽a和b构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力，并由此控制阀芯两端的压力差，实现阀芯轴向位移。
本实施例以阀芯直径为12.5mm的120L/min流量的二维力反馈式电液伺服阀为例，结合附图对本发明作进一步说明。
二维力反馈式电液伺服阀的工作原理如下：如图9所示，当液压泵打开，新型双自由度力矩马达未通电时，衔铁19在第一弹簧杆17 和第二弹簧杆31支撑下处于中位，其两侧斜翼弧面的上下工作气隙面积相等，面积可近似看作平行四边形的底乘以高(其中底相同，此时高均为g)，二维力反馈式电液伺服阀的右腔k通过过流孔d，经小孔 c和阀芯27杆内通道与进油P口(系统压力)相通，右腔k的承压面积为左敏感腔h面积的一半；左敏感腔h的压力由开设在阀芯27左端台肩上的一对低高压槽a和b与开设于阀套11内表面的一对直槽感受通道f相交的两个微小矩形窗串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及液动力的影响，左敏感腔h的压力为P口压力(系统压力)的一半，阀芯27轴向保持静压平衡，与直槽感受通道f相交的低高压槽两侧的遮盖面积相等。
如图10(a)、10(b)和10(c)所示，当新型双自由度力矩马达通电时，衔铁19驱动阀芯27作逆时针的转动(从左向右看)，直到输出力矩和第一弹簧杆17和第二弹簧杆31的阻力矩相等的平衡位置，如图10(a) 所示；此时衔铁19上下工作气隙高度发生变化(g1和g2，g1>g，g2<g)，阀芯低压槽a与直槽感受通道f构成的节流口面积减小，高压槽b与感受通道f构成的节流口面积增大，敏感腔h内的压力增大，阀芯27 轴向失去平衡向右移动；由于新型双自由度力矩马达的斜翼结构，阀芯27轴向移动导致衔铁19的上下工作气隙高度再度发生变化(g3和 g4，g3<g1，g4>g2)，如图10(b)所示，此时作用在衔铁19上的驱动力矩减小，小于弹簧杆反力矩，合力矩失去平衡，衔铁19和阀芯27在轴向移动的同时作反向的转动，直到感受通道f与低高压槽之间的两个节流口面积回复到相等，此时衔铁19停止转动，阀芯27停止轴向移动并处于一个新的平衡位置，其敏感腔h压力又恢复为系统压力的一半，如图10(c)所示。在上述过程中，阀芯27的轴向位移通过衔铁 19的气隙变化使衔铁19输出的电磁力矩发生变化来实现位移-力反馈，因此该阀实质上为两级的力反馈式电液伺服阀。
上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.二维力反馈式电液伺服阀，包括液压放大机构和电-机械转换器，液压放大机构包括阀芯(27)、阀套(11)、阀体(6)、后盖板(1)、右塞环(25)、同心环(13)、堵头(3)；阀芯(27)与阀套(11)、后盖板(1)配合构成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的阀芯(27)左端台肩表面上开设有两对轴对称的低高压槽a和b，阀杆上还开有过流孔c和d，高压槽b、过流孔c和过流孔d通过开设于阀芯内部的过流通道相连接，低压槽a则直接和回油口连接；阀芯(27)装于阀套(11)中，阀套(11)和阀体(6)之间通过O型密封圈密封；阀芯(27)上装有同心环(13)和右塞环(25)以保证阀芯(27)、阀套(11)和阀体(6)之间的定位；阀套(11)的内表面上开设有一对轴对称的直槽感受通道f，感受通道的一端和敏感腔h相通，另一端与低高压槽a和b构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力，控制阀芯两端的压力差，实现阀芯轴向位移；
其特征在于：所述的电-机械转换器是双自由度力矩马达，包括转轴沿水平面设置的衔铁(19)，衔铁(19)包括两侧斜翼面，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，两侧斜翼面相当于转轴的倾斜角大小相同、方向相反；衔铁(19)两侧对称地设置有第一轭铁(16)、第二轭铁(22)，第一轭铁(16)和第二轭铁(22)以经过衔铁(19)的转轴的垂直面呈镜像关系，以靠近衔铁(19)方向为内侧，反之为外侧，第一轭铁(16)和第二轭铁(22)的内侧呈圆弧形、外侧分别绕有第一线圈(18)和第二线圈(21)，第一轭铁(16)和第二轭铁(22)的内侧壁面均开有与邻近的衔铁(19)斜翼面的侧端相对于转轴的倾斜方向相同的斜槽，所述的槽相对于转轴的倾斜角与侧斜翼面相对于转轴的倾斜角大小相同；衔铁(19)的斜翼侧端呈弧面，衔铁(19)的斜翼侧端跨越所述的斜槽，并与第一轭铁(16)被斜槽分割的两个弧面、第二轭铁(22)被斜槽分割的两个弧面形成四个工作气隙，四个气隙的径向距离始终不变，气隙面积会随衔铁(19)的旋转而改变；衔铁(19)和阀芯(27)固连并由此被保持在马达的中位；
第一轭铁(16)与第二轭铁(22)的内侧的上、下部分别架设第一永磁体(29)和第二永磁体(30)；第一永磁体(29)和第二永磁体(30)、第一轭铁(16)和第二轭铁(22)围合成衔铁(19)的旋转内腔；
第一弹簧杆(17)、第二弹簧杆(31)作为弹性元件分别穿进衔铁(19)上下脊面的两个小孔并与其固连，其球头端则分别可活动地插入第一弹簧顶板(20)和第二弹簧顶板(23)的球窝中，第一弹簧顶板(20)和第二弹簧顶板(23)分别紧贴第一永磁体(29)和第二永磁体(30)。
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