CN111894924A - 手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀 - Google Patents

手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，包含ECU控制单元、压力感知元件、先导阀与主阀，可实现进液比例控制，回液开关控制并兼有手动进/回液开关控制功能，所述先导级由两位三通开关阀和两位两通高速开关阀构成。所发明的比例方向阀具有内置位移感知功能、阀口流量计算功能，通过压力感知元件监测进液、回液、工作口压力，再经过电子控制单元ECU计算即可推断阀芯位移、阀口流量，整体采用插装式结构可方便集成为阀组形式，具有结构简单、紧凑、耐污染且可完成智能感知与控制的特点。

Description

手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀
技术领域
本发明涉及液压控制技术领域，更具体地说，涉及一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀。
背景技术
煤炭是我国的最主要能源，当前智能化开采是国际煤炭开采领域的发展方向，也是我国煤矿实现安全、高效、绿色目标和煤炭生产转型升级的必由之路。液压支架的智能化是煤炭开采智能化的重要组成部分，换向阀是液压支架液压控制部分的核心元件。当前煤矿使用的换向阀是两位三通结构的开关阀，突出体现为以下问题：一，液压支架系统供液压力高(31.5MPa)、流量大(目前多为400L/min)，换向阀在高速开关换向的同时，带来了巨大的液压冲击，这种液压冲击会造成设备和管路振动，产生噪声，破坏密封，甚至产生误动作，是大多数液压系统和液压元件产生故障的根源；二，液压支架的智能化要求液压支架姿态能够进行精准定位调节，但是开关式换向阀无法调节阀口流量，是限制液压支架姿态精准控制的主要因数之一；三，现有的开关式电液换向阀适应性差，其一般只有两种通径，无法匹配液压支架十几种控制功能的流量需求。
由于安全及工况条件限制，煤矿支架液压系统采用高水基工作介质(95％～97％的水，3％～5％的乳化油)，其粘度低、易泄漏；系统压力高、流量大、执行元件多、负载工况复杂；系统复杂、分散度大，易污染；在前期安装铺设或者采煤过程中的特殊情况下，要求能够手动对换向阀进行操作。因此，其比例控制阀研制难度大，迄今为止，尚无在煤矿使用先例。
授权公告号CN 102121487 B，先导型水液压数字比例方向阀，可用于高水基溶液，主阀部分采用三位四通滑阀结构，这种结构存在的缺点是：由于介质粘度低，因此想要保证阀的泄漏量在允许范围内，势必要减小阀芯和阀套的配合间隙，在换向时会带来摩擦力增大，阀芯与阀套磨损严重以及增大了阀芯蹩卡的风险；其先导级共有两组锥阀，共8个锥阀与8个固定阻尼孔，结构相对复杂，固定阻尼孔增大了阻塞风险；主阀阀芯的移动方向和位移量是由左右两侧先导阀控制口的压力差控制，没有反馈纠正环节，阀芯抗负载能力差；最大流量仅为87L/min。Hauhinco公司推出有C3系列水压比例阀产品，产品规格从DN25～DN100，最高控制压力为32MPa，额定流量为250L/min～4000L/min(Δp＝0.5MPa)，虽然其压力和流量满足要求，但是采用的结构为两位两通式，无法应用于液压支架系统。
目前还没有能够应用于煤矿井下液压支架系统的比例换向阀产品，本发明针对液压支架特殊工况及需求提出了一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，其功能要求是在断电情况下可以进行手动开关控制；在通电情况下，能够对进液阀口进行比例调节、可以进行手动干预开关控制；通过阀口压力感知和智能控制可以得到较为精确的阀芯位移和阀口流量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有开关换向阀对阀口开度及阀口流量不能连续比例控制以及现有高水基比例阀结构与功能上的不足，设计提供一种新型的高水基高压大流量数字比例方向阀。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，包括：主阀、先导阀和电子控制单元；
其中，主阀包括进液阀套、进液阀芯、阀座、回液阀芯和回液阀套；回液阀芯呈环状，套置于进液阀芯的外侧，回液阀套套置于回液阀芯的外侧，且进液阀芯、回液阀芯及回液阀套之间形成第一容腔；进液阀套一端设置第二容腔，进液阀芯套置于进液阀套的第二容腔内；阀座套置于进液阀芯外侧，并分别与进液阀套及回液阀套接触，阀座与进液阀芯、进液阀套之间形成第三容腔；主阀外侧套设阀体，回液阀套和阀体之间形成第四容腔；进液阀芯外侧设置两个凸肩，第三容腔设置于第一凸肩背离第二凸肩的一端，第一容腔设置于第二凸肩背离第一凸肩的一端；第一凸肩和第二凸肩之间形成环形沟槽；阀座上对应第一凸肩的位置设置进液压力测量位，进液压力测量位向外连接至供液流道，向内通过第一流道与第三容腔联通，同时设置比例节流口，与环形沟槽联通，且在进液阀芯处于常位时，比例节流口通过第一凸肩封闭；在正对环形沟槽的阀座上设置工作压力测量位，在阀座上相对工作压力测量位的位置设置主阀流量输出接口；回液阀套和阀体之间设置回液压力测量位，回液压力测量位连接回液流道；
先导阀包括第一先导阀和第二先导阀，第一先导阀为二位三通阀，设置有手动开关；常位时沟通第一容腔和回液流道，导通时沟通第一容腔和供液流道；第二先导阀为高速开关阀，常位时处于关闭状态，连接供液流道和第二容腔；第三容腔连接至供液流道，第四容腔连接至回液流道；
电子控制单元分别连接第一先导阀的二位三通阀和第二先导阀的高速开关阀进行控制。
其中，在进液压力测量位、工作压力测量位及回液压力测量位的连接流道上分别对应设置进液压力传感器、工作压力传感器及回液压力传感器，进行压力测量。
其中，进液压力传感器、工作压力传感器及回液压力传感器均连接至电子控制单元，以将感应到的压力数据传输至电子控制单元。
其中，主阀与各容腔之间通过密封圈进行密封；其中，密封圈分为静密封和动密封；进液阀芯与进液阀套、回液阀芯、回液阀套之间的密封，以及回液阀芯与回液阀套之间的密封采用动密封，进液阀套与阀体、阀座之间的密封，阀座与阀体之间的密封，以及回液阀套与阀体之间的密封采用静密封。
其中，第二容腔内设置复位弹簧，用于进液阀芯的复位移动。
其中，进液阀套上设置的第二容腔内壁设置矩形位移反馈槽，通过进液阀芯在第二容腔内相对矩形位移反馈槽的移动，实现对进液阀芯的移动位移反馈；其中，矩形位移反馈槽联通回液流道，过流面积随着进液阀芯的移动而变化。
本发明具有以下有益效果：
1)该阀采用新结构设计，既能进行手动开关控制，又可进行电液比例控制，解决了现有开关型换向阀无法调节阀芯位移或流量的不足以及现有水压比例阀结构上的缺憾，是一款适用于煤矿液压支架的比例方向阀。
2)主阀进液阀套上设有位移反馈阻尼，可在不安装位移传感器的前提下通过理论分析和试验标定得到阀芯位移，这大大简化了阀的结构复杂度。
3)主阀采用插装结构，可进行集成化设计构成阀组，可灵活设计阀组功能数量，由于采用在阀组总供液/总回液处检测压力，这大大减小了压力传感器的数量。
4)先导级采用高速开关阀，抗污染能力强，由于高速开关阀的高速开关动作，主阀进液阀芯势必处于振荡状态，这样可以有效减小密封圈带来的控制死区和换向爬行等问题。
5)通过ECU电子控制单元，输入和压力传感器的反馈信号可以计算出阀芯位移和阀口流量。
6)比例方向流量阀阀组采用插装式结构，内部嵌入压力传感器，阀组各部分实现高度集成，在保证性能的前提下大大减小了阀组体积。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀的结构示意图。
图2是本发明提供的一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀的手动控制模式时序图。
图3是本发明提供的一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀的比例控制模式时序图。
图4是本发明提供的一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀的主阀进液阀套三维示意图。
图5是本发明提供的一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀的比例控制原理图。
图6是本发明提供的一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀的16功能阀组正视图。
图7是本发明提供的一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀的16功能阀组轴侧视图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1，本发明提供了一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，包括：主阀、先导阀和电子控制单元e；
其中，主阀包括进液阀套1、进液阀芯2、阀座4、回液阀芯5和回液阀套6；回液阀芯5呈环状，套置于进液阀芯2的外侧，回液阀套6套置于回液阀芯5的外侧，且进液阀芯2、回液阀芯5及回液阀套6之间形成第一容腔a；进液阀套1一端设置第二容腔b，进液阀芯2套置于进液阀套1的第二容腔b内；阀座4套置于进液阀芯2外侧，并分别与进液阀套1及回液阀套6接触，阀座4与进液阀芯2、进液阀套1之间形成第三容腔c；主阀外侧套设阀体15，回液阀套6和阀体15之间形成第四容腔d；进液阀芯2外侧设置两个凸肩21和22，第三容腔c设置于第一凸肩21背离第二凸肩22的一端，第一容腔a设置于第二凸肩22背离第一凸肩21的一端；第一凸肩21和第二凸肩22之间形成环形沟槽23；阀座4上对应第一凸肩21的位置设置进液压力测量位41，进液压力测量位41向外连接至供液流道p，向内通过第一流道42与第三容腔c联通，同时设置比例节流口43，与环形沟槽23联通，且在进液阀芯2处于常位时，比例节流口43通过第一凸肩21封闭；在正对环形沟槽23的阀座4上设置工作压力测量位44，在阀座4上相对工作压力测量位的位置设置阀组输出接口；回液阀套6和阀体15之间设置回液压力测量位45，回液压力测量位45连接回液流道o；
先导阀包括第一先导阀7和第二先导阀3，第一先导阀7为二位三通阀，设置有手动开关；常位时沟通第一容腔a和回液流道o，导通时沟通第一容腔a和供液流道p。即两位三通先导阀在常位时(失电状态)第一容腔a连通回液流道o，得电时第一容腔a连通供液流道p。
第二先导阀3为高速开关阀，常位时处于关闭状态，连接供液流道p和第二容腔b；第三容腔c连接至供液流道p，第四容腔d连接至回液流道o。所即高速开关阀3一端连接主阀容腔2，另外一端连接高压供液流道，常位时处于关闭状态，得电时处于开启状态。第二先导阀3的高速开关阀采用PWM(Pulse width modulation)信号驱动，通过调整PWM的占空比D来调整其平均开口量。
第二先导阀3的高速开关阀可以是1个大流量常闭型高速开关阀，也可以是一组并联的小流量常闭型高速开关阀组成的同步启闭的高速开关阀组。该高速开关阀采用本安型电路及电机械转换装置进行驱动。
电子控制单元e分别连接第一先导阀7的二位三通阀和第二先导阀3的高速开关阀进行控制。
其中，在进液压力测量位41、工作压力测量位44及回液压力测量位45的连接流道上分别对应设置进液压力传感器10、工作压力传感器8及回液压力传感器9，进行压力测量。
其中，进液压力传感器20、工作压力传感器8及回液压力传感器9均连接至电子控制单元e，以将感应到的压力数据传输至电子控制单元e。
结合图6，压力传感器8、9、10分别用于监测工作压力pA、回液压力po、入口压力p，监测入口压力、回液压力的传感器10、9安装于阀组的总供液/回液处，监测工作压力的传感8安装于每个主阀的工作出口处，一个阀组可任意搭配多个插装主阀，若一个阀组包含有n个插装主阀，则需要安装n+2个压力传感器。
其中，主阀与各容腔之间通过密封圈进行密封；其中，密封圈分为静密封12和动密封；静密封12均采用O型圈密封方式，动密封分为动密封13和动密封14，其中动密封13采用格莱圈的密封方式，动密封14采用O型圈密封方式。进液阀芯2与进液阀套1、回液阀芯5以及回液阀套6之间的密封采用动密封13，回液阀芯5与回液阀套6之间的密封采用动密封14，进液阀套1与阀体15、阀座4之间的密封，阀座4与阀体15之间的密封，以及回液阀套6与阀体15之间的密封采用静密封12。
其中，第二容腔b内设置复位弹簧11，用于进液阀芯2的复位移动。
其中，进液阀套1上设置的第二容腔b内壁设置矩形位移反馈槽Rc，通过进液阀芯2在第二容腔b内相对矩形位移反馈槽Rc的移动，实现对进液阀芯2的移动位移反馈；其中，矩形位移反馈槽Rc联通回液流道o，过流面积随着进液阀芯2的移动而变化。
在具体实施过程中，本发明的手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀拥有手动先导控制和电液比例控制两种工作模式。
手动控制按钮集成安装于第一先导阀7的两位三通阀当中，手动先导控制的时序图，如图2所示。由于第二先导阀3的高速开关阀没有动作，因此高速开关阀输入信号等于0，同时控制第二容腔b压力也等于0，控制第一容腔a中的压力随着两位三通阀7的手动操作而升高，此时主阀回液阀芯5向阀座4移动，进液阀芯2远离阀座4，当松开手动操作按钮后，两位三通阀7恢复常位，此时控制第一容腔a中的压力下降，进液阀芯2向阀座4移动，回液阀芯5由于不受液压力处于悬浮状态，当回液口有流量流出时回液阀芯5复位。
手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀比例先导控制的时序图，如图3所示，初始状态高速开关阀3处于关闭状态，两位三通阀7接回液流道o，第一容腔a和第二容腔b处于低压状态，回液阀芯5初始时处于开启状态(远离阀座4)，进液阀芯2初始时处于关闭状态(与阀座4接触)；t1时刻，高速开关阀3占空比为1(全开)，第一容腔a处于低压，第二容腔b处于高压，进液阀芯2、回液阀芯5均无动作；t2时刻，高速开关阀3占空比为1，两位三通阀7导通，第一容腔a高压，第二容腔b高压，此时回液阀芯5向阀座4运动关闭，进液阀芯2不动作；t3～t4时，两位三通阀7处于导通状态，高速开关阀3占空比逐渐减小(平均开口量减小)，第一容腔a为高压状态，第二容腔b压力逐渐降低，回液阀芯5处于关闭位置，进液阀芯2逐渐开启，随着进液阀芯2的开启，反馈槽Rc逐渐减小，第二容腔b的压力有上升的趋势，当进液阀芯2受力平衡时，运动停止，进液阀芯2的位移量与输入信号一一对应；t4～t5表示的为进液阀芯2在比例调节下达到平衡位置的状态；t5～t6时，两位三通阀7处于导通状态，高速开关阀3占空比逐渐增大(平均开口量增大)，第一容腔a处于高压，第二容腔b压力逐渐升高，此时回液阀芯5处于关闭位置，进液阀芯2逐渐关闭，随着进液阀芯2位移的减小，反馈槽Rc逐渐增大，第二容腔b压力有下降的趋势，进液阀芯2的位移量与输入信号一一对应；t6～t7时，两位三通阀7处于导通状态，高速开关阀3占空比为1，第一容腔a为高压，第二容腔b也为高压，回液阀芯5处于关闭位置，进液阀芯2处于关闭位置；t7～t8时，两位三通阀7关闭，高速开关阀3占空比为1，第一容腔a低压，第二容腔b高压；回液阀芯5处于浮动状态，进液阀芯2处于关闭位置；t8时刻，两位三通阀7关闭，高速开关阀3占空比为0，第一容腔a为低压，第二容腔b也为低压，回液阀芯5处于浮动状态，进液阀芯2在第三容腔c高压的作用下始终处于关闭位置；浮动状态的回液阀芯5会在有回油时自行复位。
主阀进液阀套1设计位移反馈槽如图4所示，此反馈槽与进液阀芯2在第二容腔b内形成与进液阀芯2位移相关的位移反馈液阻Rc，高速开关阀3与位移反馈液阻Rc构成A型半桥来控制第二容腔b的压力。当高速开关阀3占空比减小时，进入第二容腔b的流量减小，第二容腔b压力也同时降低，进液阀芯2开启，位移反馈液阻Rc过流面积减小，当通过高速开关阀3的平均流量等于通过位移反馈液阻Rc时，进液阀芯2停止移动(事实上，进液阀芯2会在稳定位置附近进行轻微振荡，这是由于高速开关阀3的高速开关动作引起的)。输入占空比信号D与阀芯位移成反比关系，即x＝x0-kD，当阀各尺寸确定之后，系数k仅与入口压力p、工作压力pA、回液压力po相关，可通过试验进行标定。
如图5所示，电子控制单元e采集传感器和输入信号并进行运算放大。根据阀口流量公式
Figure BDA0002547668970000091
并结合进液阀芯位移关系可知，主阀阀口流量q仅与入口压力p、工作压力pA、回液压力po有关，电子控制单元e中存有全工况下：p-pA-po-q的矩阵关系，只需实时测得p、pA、po通过查表及二次差值算法即可得出任意p、pA、po条件下的主阀阀口流量q。
如图6与图7所示，主阀以插装形式相互平行地布置于阀体15上，先导阀布置于阀体15上方，其中第一先导阀7(两位三通阀)和第二先导阀3(高速开关阀)相互交错布置。主供液流道p和主回液流道o相互平行，并位于主阀布置面侧面，所有主阀共享供液流道p和回液流道o；主阀工作口位于阀体15下方，工作口对应的负载流道相互平行且空间上同时垂直于主阀轴线和主供液/主回液流道，每个主阀拥有一个工作口。传感器8，9，10集成内嵌于阀体15中，传感器布置于阀体15的主阀安装面且位于接近先导阀的位置，主阀入口压力监测传感器9和出口压力监测传感器10位于接近于主供液口和主回液口位置，主阀工作口压力监测传感器8通过阀体15内部流道与主阀工作口监测位置沟通。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，其特征在于，包括：主阀、先导阀和电子控制单元；
其中，主阀包括进液阀套、进液阀芯、阀座、回液阀芯和回液阀套；回液阀芯呈环状，套置于进液阀芯的外侧，回液阀套套置于回液阀芯的外侧，且进液阀芯、回液阀芯及回液阀套之间形成第一容腔；进液阀套一端设置第二容腔，进液阀芯套置于进液阀套的第二容腔内；阀座套置于进液阀芯外侧，并分别与进液阀套及回液阀套接触，阀座与进液阀芯、进液阀套之间形成第三容腔；主阀外侧套设阀体，回液阀套和阀体之间形成第四容腔；进液阀芯外侧设置两个凸肩，第三容腔设置于第一凸肩背离第二凸肩的一端，第一容腔设置于第二凸肩背离第一凸肩的一端；第一凸肩和第二凸肩之间形成环形沟槽；阀座上对应第一凸肩的位置设置进液压力测量位，进液压力测量位向外连接至供液流道，向内通过第一流道与第三容腔联通，同时设置比例节流口，与环形沟槽联通，且在进液阀芯处于常位时，比例节流口通过第一凸肩封闭；在正对环形沟槽的阀座上设置工作压力测量位，在阀座上相对工作压力测量位的位置设置主阀流量输出接口；回液阀套和阀体之间设置回液压力测量位，回液压力测量位连接回液流道；
先导阀包括第一先导阀和第二先导阀，第一先导阀为二位三通阀，设置有手动开关；常位时沟通第一容腔和回液流道，导通时沟通第一容腔和供液流道；第二先导阀为高速开关阀，常位时处于关闭状态，连接供液流道和第二容腔；第三容腔连接至供液流道，第四容腔连接至回液流道；
电子控制单元分别连接第一先导阀的二位三通阀和第二先导阀的高速开关阀进行控制。
2.根据权利要求1所述的手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，其特征在于，在进液压力测量位、工作压力测量位及回液压力测量位的连接流道上分别对应设置进液压力传感器、工作压力传感器及回液压力传感器，进行压力测量。
3.根据权利要求2所述的手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，其特征在于，进液压力传感器、工作压力传感器及回液压力传感器均连接至电子控制单元，以将感应到的压力数据传输至电子控制单元。
4.根据权利要求1所述的手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，其特征在于，主阀与各容腔之间通过密封圈进行密封；其中，密封圈分为静密封和动密封；进液阀芯与进液阀套、回液阀芯、回液阀套之间的密封，以及回液阀芯与回液阀套之间的密封采用动密封，进液阀套与阀体、阀座之间的密封，阀座与阀体之间的密封，以及回液阀套与阀体之间的密封采用静密封。
5.根据权利要求1所述的手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，其特征在于，第二容腔内设置复位弹簧，用于进液阀芯的复位移动。
6.根据权利要求1所述的手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，其特征在于，进液阀套上设置的第二容腔内壁设置矩形位移反馈槽，通过进液阀芯在第二容腔内相对矩形位移反馈槽的移动，实现对进液阀芯的移动位移反馈；其中，矩形位移反馈槽联通回液流道，过流面积随着进液阀芯的移动而变化。
7.根据权利要求1所述的手自一体控制的高水基高压大流量数字比例方向阀，其特征在于，整体结构采用插装式，可集成阀组形式，阀组中集成主阀的数量可根据需求灵活配置，压力传感器内嵌于阀体之中；监测主阀入口/回液压力的传感器分别位于阀组的主供液通道和主回液通道，监测工作的压力传感器通过阀体内部流道与主阀工作口相连，且一个阀组各配置有一个入口/回液压力的传感器，一个主阀配置有一个工作口压力传感器。
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