CN111911216A - 一种具有流量连续调节功能的方向流量阀及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种用于液压支架的方向流量阀，具体是一种具有流量连续调节功能的方向流量阀及其控制方法。包括主阀、先导回路及控制部分。主阀包括回液阀套、进液阀芯、回液阀芯、阀座、进液阀套、复位弹簧，先导回路包括常闭高速开关阀、常开高速开关阀、单向阀、液控单向阀，控制部分包括压力传感器、位移传感器、流量计算单元和控制器。本发明不仅能够实现液压支架方向、流量的连续调节，对流量精准控制，提高液压支架姿态控制精度，还能实现主阀阀芯软启动，降低阀芯突然启闭造成的液压冲击。

Description

一种具有流量连续调节功能的方向流量阀及其控制方法

技术领域

本发明属于纯水或高水基方向流量控制阀技术领域，具体是一种具有流量连续调节功能的方向流量阀及其控制方法。

背景技术

煤矿井下液压支架通过对其姿态的调整对顶板进行支撑和管理，为井下人员和设备提供安全工作空间。但目前液压支架液压系统全部采用200-400升/分的大流量电液开关阀或手动操纵阀对液压支架姿态进行调节，由于电液开关阀或手动操纵阀不能对流量精确控制，导致液压支架姿态调节不精确，影响顶板支护状态，使生产过程存在极大安全隐患。另一方面，特别是大流量电液开关阀开或关的过程都是瞬时完成，阀口突然开到最大值或突然关闭，流量是突变的，给液压系统造成很强的液压冲击，冲击波会破坏管道、密封等结构件，甚至造成爆缸，也给井下造成极大的安全隐患，还影响生产效率。要实现煤矿井下安全高效生产，急需采用新型的电液控制系统及控制元件，达到流量连续调节的目的。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种具有流量连续调节功能的方向流量阀及其控制方法。

本发明采取以下技术方案：一种主阀，包括回液阀套、进液阀芯、回液阀芯、阀座、进液阀套和复位弹簧，进液阀芯插装于回液阀套内，进液阀芯左端面与回液阀套端面形成进液阀芯控制腔，进液阀芯控制腔与设置在回液阀套上的进出液口k₁连通；所述的回液阀套内部设有台阶，回液阀芯左端面与该台阶面形成回液阀芯控制腔，回液阀芯控制腔与设置在回液阀套上的进出液口k₂连通，进液阀芯控制腔与回液阀芯控制腔之间由密封圈阻隔，进液阀芯伸出回液阀套的一端从左到右依次套有阀座和进液阀套，阀座与回液阀套的右侧端面封闭，回液阀芯与阀座之间形成回液腔，回液腔与设置在回液阀套上的回液口O连通，进液阀芯环侧设有凸台，该凸台与进液阀套内部的腔体之间设置复位弹簧。阀座右端面与进液阀套内部之间的腔体封闭，形成进液腔，进液腔与设置在进液阀套锥形外表面处的进液口P连通。进液阀芯径向开设若干个径向孔，轴向开设轴向过液孔，径向过液口与轴向过液孔交叉连通，轴向过液孔右端部即为阀芯工作口A，通过A口向液压缸等执行机构供液。

一种具有流量连续调节功能的方向流量阀，包括主阀、先导回路及控制部分，主阀设置有两组，分别为一号主阀和二号主阀。

所述的控制部分包括位移传感器、压力传感器I、压力传感器II、流量计算单元和控制器，一号主阀和二号主阀的进液阀芯上设置有位移传感器，一号主阀和二号主阀的P口上设置压力传感器I，一号主阀和二号主阀的A口上设置压力传感器II，位移传感器、压力传感器I和压力传感器II分别与流量计算单元连接，流量计算单元与控制器连接。

所述的先导回路包括常闭高速开关阀I、常开高速开关阀I、单向阀I、液控单向阀I、常闭高速开关阀II、常开高速开关阀II、单向阀II和液控单向阀II，常闭高速开关阀I的进液口a与高压P口相连，常闭高速开关阀I出液口b与一号主阀的控制口k₁相连，常闭高速开关阀I的驱动端与控制器相连；所述的常开高速开关阀I的进液口c与一号主阀的控制口k₁相连，常开高速开关阀I的出液口d与一号主阀的回液口O相连，常开高速开关阀I的驱动端与控制器相连；所述的单向阀I的进液口e与一号主阀的控制口k₁相连，单向阀I的出液口f与一号主阀的控制口k₂相连；所述的液控单向阀I的进液口g与一号主阀的控制口k₂相连，液控单向阀I的出液口h与一号主阀的回液口O相连，液控单向阀I的控制口m与常闭高速开关阀II的出液口b^’相连。高压P口与主阀P口是同一个口，可以通过阀体内部管路或外部油管相连。

常闭高速开关阀II的进液口a^’与高压P口相连，常闭高速开关阀II出液口b^’与二号主阀的控制口k₁相连，常闭高速开关阀II的驱动端与控制器相连；所述的常开高速开关阀II的进液口c^’与二号主阀的控制口k₁相连，常开高速开关阀II的出液口d^’与二号主阀的回液口O相连，常开高速开关阀II的驱动端与控制器相连；所述的单向阀II的进液口e^’与二号主阀的控制口k₁相连，单向阀II的出液口f^’与二号主阀的控制口k₂相连；所述的液控单向阀II的进液口g^’与二号主阀的控制口k₂相连，液控单向阀II的出液口h^’与二号主阀的回液口O相连，液控单向阀II的控制口m^’连接到常闭高速开关阀I的出液口b。

一种具有流量连续调节功能的方向流量阀的控制方法，包括以下步骤。

S100～事先通过试验或仿真技术手段得出主阀P-A通道阀口流量-压力-位移关系，制作成表放入流量计算单元中。

S200～由压力传感器测量主阀进液口压力P_P，由压力传感器测量主阀工作口压力P_A，由位移传感器测量主阀进液阀芯的位移量x，即开口量。

S300～根据液压缸需要的流量Q、P口压力P_P与A口压力P_A，在流量计算单元中查表，得出相应的阀口开口量大小，将该值输送给控制器，控制器将目标开口量与当前开口量进行比较，得出差值，即阀芯需要移动的位移，计算出主阀进液阀芯移动所需的油液体积。

S400～由控制器对常闭高速开关阀或常闭高速开关阀发送PWM波信号，通过调节PWM波的占空比，调节常闭高速开关阀或常闭高速开关阀的流量，从而实现对主阀进液阀芯移动速度的控制；流量对时间的积分是油液体积，从而实现阀芯位置的控制，从而控制P-A口流量和液压缸速度。

本发明不仅能够实现液压支架方向、流量的连续调节，对流量精准控制，提高液压支架姿态控制精度，还能实现主阀阀芯软启动软停止，降低阀芯突然启闭造成的液压冲击和机械冲击。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）既可以作为开关阀使用，又可以作为流量连续可控的方向流量阀使用，可以满足多种不同工况要求，只需改变相应的控制算法即可。

（2）采用高速开关阀、单向阀、液控单向阀组合而成的先导回路，避免了因全部采用高速开关阀带来的协同控制难的问题；且这种先导回路能分别控制进液阀芯和回液阀芯，使该阀具有二位三通流量可调功能。

（3）既可以对进液阀芯实现点-点位置控制，又可以对其移动速度进行跟踪控制，这样液压缸既可以达到需要的流量，又能保证流量连续变化，不产生突变，极大降低流量突变带来的液压冲击。

附图说明

图1为一种具有流量连续调节功能的方向流量阀结构原理图；

图2为作流量连续可控的方向流量阀时的时序图；

图3为作开关阀使用时的时序图；

图中1-常闭高速开关阀I，2-常开高速开关阀I ，3-单向阀I ，4-液控单向阀I ，5-位移传感器，6-回液阀套，7-进液阀芯，8-回液阀芯，9-阀座，10-压力传感器I ，11-进液阀套，12-复位弹簧，13-压力传感器II ，14-流量计算单元，15-控制器，16-常闭高速开关阀II ，17-常开高速开关阀II ，18-单向阀II ，19-液控单向阀II。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

一种主阀，包括回液阀套6、进液阀芯7、回液阀芯8、阀座9、进液阀套11和复位弹簧12，进液阀芯7插装于回液阀套6内，进液阀芯7左端面与回液阀套6端面形成进液阀芯控制腔，液阀芯控制腔与设置在回液阀套6上的进出液口k₁连通；所述的回液阀套6内部设有台阶，回液阀芯8左端面与该台阶面形成回液阀芯控制腔，回液阀芯控制腔与设置在回液阀套6上的进出液口k₂连通，进液阀芯控制腔与回液阀芯控制腔之间由密封圈阻隔，进液阀芯7伸出回液阀套6的一端从左到右依次套有阀座9和进液阀套11，阀座9与回液阀套6的右侧端面封闭，回液阀芯8与阀座9之间形成回液腔，回液腔与设置在回液阀套6上的回液口O连通，进液阀芯7环侧设有凸台，该凸台与进液阀套11内部的腔体之间设置复位弹簧12。阀座9右端面与进液阀套11内部之间的腔体封闭，形成进液腔，进液腔与设置在进液阀套11锥形外表面处的进液口P连通。进液阀芯7径向开设若干个径向孔，轴向中心开设轴向过液孔，径向过液口与轴向过液孔交叉连通，轴向过液孔右端部即为阀芯工作口A，通过A口向液压缸等执行机构供液。

如图1所示，一种具有流量连续调节功能的方向流量阀，包括所述的主阀、先导回路及控制部分，主阀设置有两组，分别为一号主阀和二号主阀。

所述的控制部分包括位移传感器5、压力传感器I10、压力传感器II13、流量计算单元14和控制器15，一号主阀和二号主阀的进液阀芯7上设置有位移传感器5，一号主阀和二号主阀的P口上设置压力传感器I10，一号主阀和二号主阀的A口上设置压力传感器II13，位移传感器5、压力传感器I10和压力传感器II13分别与流量计算单元14连接，流量计算单元14与控制器15连接。

所述的先导回路包括常闭高速开关阀I1、常开高速开关阀I2、单向阀I3、液控单向阀I4、常闭高速开关阀II16、常开高速开关阀II17、单向阀II18和液控单向阀II19，常闭高速开关阀I1的进液口a与高压P口相连，常闭高速开关阀I1出液口b与一号主阀的控制口k₁相连，常闭高速开关阀I1的驱动端与控制器15相连；所述的常开高速开关阀I2的进液口c与一号主阀的控制口k₁相连，常开高速开关阀I2的出液口d与一号主阀的回液口O相连，常开高速开关阀I2的驱动端与控制器15相连；所述的单向阀I3的进液口e与一号主阀的控制口k₁相连，单向阀I3的出液口f与一号主阀的控制口k₂相连；所述的液控单向阀I4的进液口g与一号主阀的控制口k₂相连，液控单向阀I4的出液口h与一号主阀的回液口O相连，液控单向阀I4的控制口m与常闭高速开关阀II16的出液口b^’相连；高压P口与主阀P口是同一个口，可以通过阀体内部管路或外部油管相连。

常闭高速开关阀II16的进液口a^’与高压P口相连，常闭高速开关阀II16出液口b^’与二号主阀的控制口k₁相连，常闭高速开关阀II16的驱动端与控制器15相连；所述的常开高速开关阀II17的进液口c^’与二号主阀的控制口k₁相连，常开高速开关阀II17的出液口d^’与二号主阀的回液口O相连，常开高速开关阀II17的驱动端与控制器15相连；所述的单向阀II18的进液口e^’与二号主阀的控制口k₁相连，单向阀II18的出液口f^’与二号主阀的控制口k₂相连；所述的液控单向阀II19的进液口g^’与二号主阀的控制口k₂相连，液控单向阀II19的出液口h^’与二号主阀的回液口O相连，液控单向阀II19的控制口m^’连接到常闭高速开关阀I1的出液口b。

一种具有流量连续调节功能的方向流量阀的控制方法，包括以下步骤。

S100～事先通过试验或仿真技术手段得出主阀P-A通道阀口流量-压力-位移关系，制作成表放入流量计算单元14中；例如，在CFD软件fluent中，可以将P口设置为压力入口，将A口设置为压力出口，在模型中设置好进液阀芯开口度，这样，根据大量不同P口压力、A口压力、阀芯开口度的组合，得出P-A通道阀口流量-压力-位移关系。

S200～由压力传感器10测量主阀进液口压力P_P，由压力传感器13测量主阀工作口压力P_A，由位移传感器5测量主阀进液阀芯7的位移量x，即开口量。

S300～根据液压缸需要的流量Q、P口压力P_P与A口压力P_A，在流量计算单元14中查表，得出相应的阀口开口量大小，将该值输送给控制器，控制器将目标开口量与当前开口量进行比较，得出差值，即阀芯需要移动的位移，计算出主阀进液阀芯移动所需的油液体积。

S400～由控制器对常闭高速开关阀1或常闭高速开关阀2发送PWM波信号，通过调节PWM波的占空比，调节常闭高速开关阀1或常闭高速开关阀2的流量，从而实现对主阀进液阀芯移动速度的控制；流量对时间的积分是油液体积，从而实现阀芯位置的控制，从而控制P-A口流量和液压缸速度。

本发明工作原理可以用时序图来表示：

作为流量连续可控的方向流量阀时，

在t1时刻由控制器15同时向高速开关阀1和高速开关阀2发送通电指令，常闭型高速开关阀1开启，常开型高速开关阀2关闭，从t1-t2时间段，高速开关阀1一直处于开启状态，高压油液经高速开关阀1后分两路，一路达到控制口k1，进入进液阀芯控制腔，一路推开单向阀3，达到控制口k2,进入回液阀芯控制腔。由于回液阀芯8受到的阻力小，回液阀芯8的开启压力低，因此回液阀芯8先向右移动，关闭回液阀口O，当回液阀芯8移动到最右端后，回液阀芯控制腔在单向阀3和液控单向阀4的作用下被锁死，回液阀芯8移动至右端所需时间为t2-t1，这段时间内，进液阀芯控制腔压力低于其开启压力，进液阀芯7一直处于静止状态。在t2时刻，进液阀芯控制腔压力达到其开启压力，进液阀芯7开始右移，这样P-A连通，液压缸一腔开始进液，另一腔回液经过二号阀A口，由于液控单向阀19的控制口m连接于高速开关阀1的出液口，为高压，这样，液控单向阀19反向开启，二号阀回液阀芯控制腔油液能反向经过液控单向阀19至回油口O，二号阀回液阀芯在液压缸回液压力作用下返回至左端，A-O口连通，完成回液。从t2-t3阶段，是一号阀进液阀芯7从零开口到最大开口的运动过程，这个过程中可以通过调节高速开关阀1的PWM波占空比来调节高速开关阀1的输出流量，从而达到控制主阀进液阀芯7的开启速度和位置。t2-t3是主阀流量缓慢增大阶段。t3-t4是主阀进液阀芯7停留在最大开口位置时的状态。

返回过程调节原理：在t4时刻，由控制器15向高速开关阀1发送断电指令，同时向高速开关阀2发送PWM波，通过改变PWM波占空比达到调节进液阀芯控制腔的回油流量，从而控制主阀进液阀芯7缓慢关闭，达到液压缸精确定位和降低液压冲击的目的。这个过程中，一号阀回液阀芯8在单向阀3和液控单向阀4的作用下被锁死，一直紧贴阀座9，保证进液阀芯7在返回过程中一直是P-A相通，而不会使P-0连通，这样就能使主阀流量缓慢减小。

作为开关阀使用

开启时：在t1时刻由控制器同时向高速开关阀1和高速开关阀2发送通电指令，常闭型高速开关阀1开启，常开型高速开关阀2关闭，由于回液阀芯8受到的阻力小，回液阀芯8的开启压力低，进液阀芯7开启压力高，高压油液经高速开关阀1，推开单向阀3，达到控制口k2,进入回液阀芯控制腔，推动回液阀芯8先向右移动，关闭回液阀口O后，回液阀芯移动至右端所需时间为t2-t1，这段时间内，进液阀芯控制腔压力低于其开启压力，进液阀芯7一直处于静止状态。在t2时刻，进液阀芯控制腔压力达到其开启压力，进液阀芯7开始右移，这样P-A连通，液压缸其中一腔开始进液，另一腔回液经过二号阀A口，由于液控单向阀19的控制口m连接于高速开关阀1的出液口，为高压，这样，液控单向阀19反向开启，二号阀回液阀芯控制腔油液能反向经过液控单向阀19至回油口O，二号阀回液阀芯在液压缸回液压力作用下返回至左端，A-O口连通，完成回液。进液阀芯7在t3时刻完全开启，P-A阀口开口量达到最大。

关闭时：控制器同时向高速开关阀1和高速开关阀2发送断电指令，高速开关阀1恢复至常闭位置，高压油路停止向主阀进液阀芯控制腔供液，同时，高速开关阀2恢复至常开位置，进液阀芯控制腔油液从k1口流经高速开关阀2至回液口O，主阀进液阀芯在复位弹簧12的作用下复位，关闭P-A通道。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (3)

1.一种主阀，其特征在于：包括回液阀套（6）、进液阀芯（7）、回液阀芯（8）、阀座（9）、进液阀套（11）和复位弹簧（12），进液阀芯（7）插装于回液阀套（6）内，进液阀芯（7）左端面与回液阀套（6）端面形成进液阀芯控制腔，液阀芯控制腔与设置在回液阀套（6）上的进出液口k₁连通；所述的回液阀套（6）内部设有台阶，回液阀芯（8）左端面与该台阶面形成回液阀芯控制腔，回液阀芯控制腔与设置在回液阀套（6）上的进出液口k₂连通，进液阀芯控制腔与回液阀芯控制腔之间由密封圈阻隔，进液阀芯（7）伸出回液阀套（6）的一端从左到右依次套有阀座（9）和进液阀套（11），阀座（9）与回液阀套（6）的右侧端面封闭，回液阀芯（8）与阀座（9）之间形成回液腔，回液腔与设置在回液阀套（6）上的回液口O连通，阀座（9）右端面与进液阀套（11）内部之间的腔体封闭，形成进液腔，进液腔与设置在进液阀套（11）锥形外表面处的进液口P连通，进液阀芯（7）径向开设若干个径向孔，轴向开设轴向过液孔，径向过液口与轴向过液孔交叉连通，轴向过液孔右端部为阀芯工作口A，进液阀芯（7）环侧设有凸台，该凸台与进液阀套（11）内部的腔体之间设置复位弹簧（12）。

2.一种具有流量连续调节功能的方向流量阀，其特征在于：包括如权利要求1所述的主阀、先导回路及控制部分，主阀设置有两组，分别为一号主阀和二号主阀，

所述的控制部分包括位移传感器（5）、压力传感器I（10）、压力传感器II（13）、流量计算单元（14）和控制器（15），一号主阀和二号主阀的进液阀芯（7）上设置有位移传感器（5），一号主阀和二号主阀的P口上设置压力传感器I（10），一号主阀和二号主阀的A口上设置压力传感器II（13），位移传感器（5）、压力传感器I（10）和压力传感器II（13）分别与流量计算单元（14）连接，流量计算单元（14）与控制器（15）连接；

所述的先导回路包括常闭高速开关阀I（1）、常开高速开关阀I（2）、单向阀I（3）、液控单向阀I（4）、常闭高速开关阀II（16）、常开高速开关阀II（17）、单向阀II（18）和液控单向阀II（19），常闭高速开关阀I（1）的进液口a与高压P口相连，高压P口与主阀P口是同一个口，可以通过阀体内部管路或外部油管相连，常闭高速开关阀I（1）出液口b与一号主阀的控制口k₁相连，常闭高速开关阀I（1）的驱动端与控制器（15）相连；所述的常开高速开关阀I（2）的进液口c与一号主阀的控制口k₁相连，常开高速开关阀I（2）的出液口d与一号主阀的回液口O相连，常开高速开关阀I（2）的驱动端与控制器（15）相连；所述的单向阀I（3）的进液口e与一号主阀的控制口k₁相连，单向阀I（3）的出液口f与一号主阀的控制口k₂相连；所述的液控单向阀I（4）的进液口g与一号主阀的控制口k₂相连，液控单向阀I（4）的出液口h与一号主阀的回液口O相连，液控单向阀I（4）的控制口m与常闭高速开关阀II（16）的出液口b^’相连；

常闭高速开关阀II（16）的进液口a^’与高压P口相连，常闭高速开关阀II（16）出液口b^’与二号主阀的控制口k₁相连，常闭高速开关阀II（16）的驱动端与控制器（15）相连；所述的常开高速开关阀II（17）的进液口c^’与二号主阀的控制口k₁相连，常开高速开关阀II（17）的出液口d^’与二号主阀的回液口O相连，常开高速开关阀II（17）的驱动端与控制器（15）相连；所述的单向阀II（18）的进液口e^’与二号主阀的控制口k₁相连，单向阀II（18）的出液口f^’与二号主阀的控制口k₂相连；所述的液控单向阀II（19）的进液口g^’与二号主阀的控制口k₂相连，液控单向阀II（19）的出液口h^’与二号主阀的回液口O相连，液控单向阀II（19）的控制口m^’连接到常闭高速开关阀I（1）的出液口b。

3.一种如权利要求2所述的具有流量连续调节功能的方向流量阀的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

S100～事先通过试验或仿真技术手段得出主阀P-A通道阀口流量-压力-位移关系，制作成表放入流量计算单元（14）中；

S200～由压力传感器（10）测量主阀进液口压力P_P，由压力传感器（13）测量主阀工作口压力P_A，由位移传感器（5）测量主阀进液阀芯（7）的位移量x，即开口量；

S300～根据液压缸需要的流量Q、P口压力P_P与A口压力P_A，在流量计算单元（14）中查表，得出相应的阀口开口量大小，将该值输送给控制器，控制器将目标开口量与当前开口量进行比较，得出差值，即阀芯需要移动的位移，计算出主阀进液阀芯移动所需的油液体积；

S400～由控制器对常闭高速开关阀（1）或常闭高速开关阀（2）发送PWM波信号，通过调节PWM波的占空比，调节常闭高速开关阀（1）或常闭高速开关阀（2）的流量，从而实现对主阀进液阀芯移动速度的控制；流量对时间的积分是油液体积，从而实现阀芯位置的控制，从而控制P-A口流量和液压缸速度。

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