CN112065794B - 一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀 - Google Patents

一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀，属于伺服阀领域。包括：下端盖、阀体、阀芯、碟簧、推力球轴承、压盖、上端盖和旋转执行机构；下端盖小端上均匀分布四种油口，大端与阀体底端固定连接；阀体与阀芯间隙配合，阀体上端与上端盖固定连接；阀芯粗端上均匀分布四种油口，与下端盖上油口对应；阀芯粗端上具有环形凹槽，用于安装碟簧；阀芯细端与旋转执行机构输出轴间隙配合；碟簧与上端盖之间装有推力球轴承和压盖；压盖与推力球轴承、推力球轴承与碟簧紧密接触，碟簧与阀芯之间形成预压力，使得阀芯与下端盖小端紧密结合，补偿两者的间隙；下端盖和阀体之间、阀体和压盖之间、阀体和上端盖之间形成静密封，阀芯与压盖之间形成动密封。

Description

一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀
技术领域
本发明属于伺服阀领域，更具体地，涉及一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀。
背景技术
常用的伺服阀有喷嘴挡板式伺服阀、射流管式伺服阀等。喷嘴挡板式伺服阀与射流管式伺服阀都属于先导式伺服阀，其功率级均为滑阀结构。滑阀结构简单，但是其抗污染能力较差，当污染颗粒进入到滑阀的间隙中时，极易造成阀芯(20)的卡死现象。滑阀的密封形式为间隙配合密封，会存在一定的泄漏，难以实现可靠的密封，当采用海水为工作介质时，水中的悬沙以及水本身的低粘度特性会使得卡死现象与泄漏现象更加明显。
现有伺服阀多用于陆地上的液压伺服系统，在深海环境下，伺服阀要实现正常的工作，那么就必须保证伺服阀的电驱动部分具有耐高压以及良好的密封特性。随着海水深度不断改变，环境压力也在不断改变，采用不同耐高压材料的方式实现伺服阀电驱动部分的设计需要耗费大量材料，而且随着海深的变化，材料也需要做出相应的改变，因此伺服阀的电驱动部分需要对深海压力做出自适应补偿。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀，其目的在于实现伺服阀在任何深度以及采用海水为工作介质时，均能精确地实现伺服系统的流量控制，不会出现阀芯卡死现象以及泄漏现象，同时解决了深海高压环境对伺服阀驱动部分的影响。
为实现上述目的，本发明提供了一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀，所述水下旋转伺服阀包括：下端盖、阀体、阀芯、碟簧、推力球轴承、压盖、上端盖和旋转执行机构；
下端盖的小端上均匀分布油口A、B、P、T，下端盖的大端与阀体底端固定连接；
阀体与阀芯间隙配合，阀体的顶端与上端盖固定连接；
阀芯的粗端上均匀分布油口A、B、P、T，并与下端盖上的四个油口对应，使得当伺服阀处于零位时，油口A、B、P、T相互隔离，当阀芯逆时针旋转时，油口P与A连通，油口B与T连通，当阀芯顺时针旋转时，油口P与B连通，油口A与T连通；阀芯的粗端上具有环形凹槽，用于安装碟簧；阀芯的细端与旋转执行机构的输出轴间隙配合；碟簧与上端盖之间装有推力球轴承和压盖；
压盖与推力球轴承紧密接触，推力球轴承与碟簧紧密接触，碟簧与阀芯之间形成预压力，使得阀芯与下端盖的小端紧密结合，补偿了阀芯与下端盖之间的配合间隙；
下端盖和阀体之间形成静密封，阀体和压盖之间形成静密封，阀体和上端盖之间形成静密封，阀芯与压盖之间形成动密封。
优选地，旋转执行结构包括：减速器、电机、电机封装壳体、旋转变压器、电机封装端盖、水密接插件和充油接口；电机前端与减速器固连，电机后端与旋转变压器固连；电机、减速器以及旋转变压器整体装入电机封装壳体中，减速器前端具有螺纹孔，通过螺钉与上端盖小端固定；电机封装端盖通过螺钉与电机封装壳体固定；水密接插件与电机封装端盖螺纹连接，安装于电机封装端盖上端；充油接口与电机封装端盖螺纹连接，安装于电机封装端盖上端，用于往封装壳体里面注油，并与外部的压力平衡器相连，从而保证电机内压力与外部环境压力一致，并且随着海深的改变实现对深海压力的自适应补偿。
优选地，阀体的内腔为圆柱形台阶孔，分为底端段和密封段。
优选地，阀芯的粗端与阀体内腔圆柱面之间形成环形配合间隙。
优选地，下端盖为三阶台阶轴，包括大端、中端和小端；大端通过螺钉与阀体的底端面螺纹孔固定，中端与底端段相配合；小端的端面上具有对称均匀分布的第一回油口、第一换向油口、第二换向油口和第一进油口，其中，第一回油口和第一进油口关于小端的端面中心对称，第一换向油口和第二换向油口关于大端端面中心为对称，小端中心具有第二回油口；中端端面上具有环形槽，环形槽内具有第三回油口；第一回油口、第一换向油口、第二换向油口和第一进油口的结构尺寸完全相同，均为直孔加斜孔的结构；第一回油口、第二回油口和第三回油口通过内部流道相连，使得泄露的流量从第三回油口和第二回油口流入第一回油口。
优选地，阀芯为二阶台阶轴，包括粗端和细端，粗端的端面上具有对称均匀分布的第四回油口、第三换向油口、第四换向油口和第二进油口，且分别与下端盖的小端上的四个油口相对应；第三换向油口和第二进油口通过第一V形孔相连，第四换向油口和第四回油口通过第二V形孔相连；细端的端面上具有通孔与减速器的输出轴间隙配合；细端的圆柱面上具有螺纹孔，通过紧定螺钉将阀芯与减速器固定。
优选地，压盖内腔为多阶圆柱孔，第一端与阀体密封段的端面紧密贴合，第二端与推力球轴承紧密接触，第三端与上端盖紧密接触；阀芯的细端穿过压盖的中间孔，在阀芯与压盖之间装有推力球轴承和碟簧。
优选地，上端盖为二阶圆柱轴，下端通过螺钉与阀体顶端固定，上端通过螺钉与电机密封壳体固定。
优选地，下端盖中端表面具有环形凹槽用于安装下端盖密封圈，通过下端盖密封圈与阀体底端段配合形成静密封；阀体密封段具有环形凹槽，用于安装压盖密封圈，通过压盖密封圈与阀体密封段配合形成静密封；压盖内部具有圆柱形台阶腔，用于安装骨架油封，通过骨架油封与阀芯细端配合形成动密封；压盖上部具有矩形窗口，用于安装固定阀芯与减速器输出轴的紧定螺钉；阀体的顶端具有环形凹槽，用于安装阀体密封圈，通过阀体密封圈与上端盖配合形成静密封；上端盖的上端具有环形凹槽，用于安装上端盖密封圈，通过上端盖密封圈与电机封装壳体配合形成静密封；电机封装端盖的小圆柱面具有环形凹槽，用于安装电机端盖密封圈，通过电机端盖密封圈与电机封装壳体配合形成静密封。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)针对伺服阀采用海水作为工作介质时严重泄漏问题，本发明采用碟簧对阀芯形成一定大小的预压力，使得阀芯与下端盖的小端贴合紧密，补偿了因为设计或加工造成的初始间隙，从而减小了伺服阀的泄漏。同时，碟簧还可以补偿阀芯与下端盖因为摩擦磨损而导致的间隙，实现配合间隙的自动补偿，进而减小了泄漏量。
(2)针对伺服阀的驱动部分无法承受深海高压环境的问题，本发明采用封装壳体将电机、减速器以及旋转变压器整体封装起来，压盖处的骨架油封实现了旋转轴的动密封，封装端盖的密封圈实现了封装结构的静密封。通过充油接口往封装壳体里面注油，并将充油接口与外部的压力平衡器相连，从而保证电机内压力与外部环境压力一致，并且随着海深的改变实现对深海压力的自适应补偿。
(3)针对伺服阀采用海水作为工作介质时极易出现卡死的问题，本发明采用电机直接驱动阀芯旋转，从而改变下端盖与阀芯之间不同油路的通断，进一步实现对流量的大小以及方向进行控制。经过减速器输出的电机扭矩较大，可以更加轻松地控制阀芯旋转。同时阀芯的大端与阀体内腔圆柱面之间的环形配合间隙较大，使得阀芯不会因为海水中悬沙的存在而卡死。
附图说明
图1为本发明提供的一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀结构示意图；
图2为本发明提供的阀体结构示意图；
图3(a)为本发明提供的下端盖结构示意图；
图3(b)为本发明提供的下端盖俯视图；
图4(a)为本发明提供的阀芯结构示意图；
图4(b)为本发明提供的阀芯俯视图；
图5为本发明提供的压盖结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀，该水下旋转伺服阀包括下端盖10、阀芯20、阀体30、推力球轴承40、压盖50、上端盖60、减速器70、电机80、电机封装壳体90、旋转变压器100、电机封装端盖110、水密接插件120和充油接口130。
如图2所示，所述阀体30内腔为圆柱形台阶孔，自左向右依次为底端段31和密封段32。
如图3(a)和图3(b)所示，下端盖10为三阶台阶轴，由大端11、中端12和小端13组成。大端11通过螺钉与所述阀体30的底端面螺纹孔固定，中端12与所述底端段31相配合。小端13的端面上具有对称均匀分布的第一回油口13T、第一换向油口13A、第二换向油口13B、第一进油口13P，其中第一回油口13T和第一进油口13P关于小端的端面中心对称，第一换向油口13A和第二换向油口13B关于大端端面中心为对称，小端中心具有第二回油口13D；中端12端面上具有环形槽12E，环形槽12E内具有第三回油口12F；所述第一回油口13T、第一换向油口13A、第二换向油口13B和第一进油口13P的结构尺寸完全相同，均为直孔加斜孔的结构。所述第一回油口13T、第二回油口13D和第三回油口12F通过内部流道相连；所述下端盖中端12表面具有环形凹槽14用于安装下端盖密封圈140，通过下端盖密封圈140与所述阀体底端段31配合形成静密封。
如图4(a)和图4(b)所示，所述阀芯20为二阶台阶轴，由粗端21和细端22构成，粗端21的端面上具有对称均匀分布的第四回油口21T、第三换向油口21A、第四换向油口21B、第二进油口21P，且分别与所述下端盖的小端面13上的四个油口相对应。第三换向油口21A和第二进油口21P通过第一V形孔21C相连，第四换向油口21B和第四回油口21T通过第二V形孔21D相连。细端22的端面上具有通孔与所述减速器70的输出轴间隙配合。细端22的圆柱面上具有螺纹孔，通过紧定螺钉将阀芯与所述减速器70固定；所述阀芯20的粗端上端面具有环形凹槽23用于安装碟簧150。通过碟簧150与推力球轴承40紧密接触形成预压力，用于补偿初始配合间隙和摩擦磨损导致的配合间隙。
如图5所示，所述压盖50内腔为多阶圆柱孔，第一端面51与所述阀体30中部的端面紧密接触，第二端面52与所述推力球轴承40紧密接触，第三端面55与所述上端盖60紧密接触。阀芯20的小端穿过压盖50的中间孔，在阀芯20与压盖50之间装有推力球轴承40；所述阀体密封段32具有环形凹槽，用于安装压盖密封圈160，通过压盖密封圈160与阀体密封段32配合形成静密封。压盖50内部具有圆柱形台阶腔53，用于安装骨架油封170，通过骨架油封170与阀芯20细端22配合形成动密封。所述电机80前端与减速器70固连，电机80后端与旋转变压器100固连；电机80、减速器70以及旋转变压器100集成为一体，整体装入电机封装壳体90中，减速器70前端具有螺纹孔，通过螺钉与上端盖60小端面固定；电机封装端盖110通过螺钉与电机封装壳体90固定；水密接插件120与电机封装端盖110螺纹连接，安装于电机封装端盖110上端面；充油接口130与电机封装端盖110螺纹连接，安装于电机封装端盖110上端面；所述阀体的上端面具有环形凹槽，用于安装阀体密封圈，通过阀体密封圈与上端盖配合形成静密封；所述上端盖的小端面具有环形凹槽，用于安装上端盖密封圈，通过上端盖密封圈与电机封装壳体配合形成静密封；所述电机封装端盖的小端圆柱面具有环形凹槽，用于安装电机端盖密封圈，通过电机端盖密封圈与电机封装壳体配合形成静密封。
该水下旋转伺服阀的工作过程如下：使用前，通过充油接口向电机封装壳体内注油，并将充油接口与压力平衡器相连，实现驱动部分的内外压力平衡。初始状态下，第一换向油口13A和第一进油口13P通过第一V形孔21C相连通，第二换向油口13B和出油口13T通过第二V形孔21D相连通。当电机旋转时，通过减速器的输出轴带动阀芯旋转，从而改变各油口的连通面积，从而对流量大小进行精确控制。当控制阀芯旋转一定角度后，第一换向油口13A和出油口13T通过第一V形孔21C相连通，第二换向油口13B和第一进油口13P通过第二V形孔21D相连通，从而改变油路的连通状态，对流量的方向进行控制。
本发明结构紧凑，能够对深海的环境压力进行自适应补偿，对运动副接触表面的配合间隙和摩擦磨损具有良好的补偿效果，密封性能可靠，能够对液压系统的流量精确控制，可用于水下机器手液压伺服系统的流量控制。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种间隙自动补偿型水下旋转伺服阀，其特征在于，所述水下旋转伺服阀包括：下端盖(10)、阀体(30)、阀芯(20)、碟簧(150)、推力球轴承(40)、压盖(50)、上端盖(60)和旋转执行机构；
下端盖(10)的小端(13)上均匀分布油口A、B、P、T，下端盖(10)的大端(11)与阀体(30)底端固定连接；
阀体(30)与阀芯(20)间隙配合，阀体(30)的顶端与上端盖(60)固定连接；
阀芯(20)的粗端(21)上均匀分布油口A、B、P、T，并与下端盖(10)上的四个油口对应，使得当伺服阀处于零位时，油口A、B、P、T相互隔离，当阀芯逆时针旋转时，油口P与A连通，油口B与T连通，当阀芯顺时针旋转时，油口P与B连通，油口A与T连通；阀芯(20)的粗端(21)上具有环形凹槽(23)，用于安装碟簧(150)；阀芯(20)的细端(22)与旋转执行机构的输出轴间隙配合；碟簧(150)与上端盖(60)之间装有推力球轴承(40)和压盖(50)；
压盖(50)与推力球轴承(40)紧密接触，推力球轴承(40)与碟簧(150)紧密接触，碟簧(150)与阀芯(20)之间形成预压力，使得阀芯与下端盖的小端紧密结合，补偿了阀芯与下端盖(10)之间的配合间隙；
下端盖(10)和阀体(30)之间形成静密封，阀体(30)和压盖(50)之间形成静密封，阀体(30)和上端盖(60)之间形成静密封，阀芯(20)与压盖(50)之间形成动密封；
阀体(30)的内腔为圆柱形台阶孔，分为底端段(31)和密封段(32)；
下端盖(10)为三阶台阶轴，包括大端(11)、中端(12)和小端(13)；大端(11)通过螺钉与阀体(30)的底端面螺纹孔固定，中端(12)与底端段(31)相配合；小端(13)的端面上具有对称均匀分布的第一回油口(13T)、第一换向油口(13A)、第二换向油口(13B)和第一进油口(13P)，其中，第一回油口(13T)和第一进油口(13P)关于小端的端面中心对称，第一换向油口(13A)和第二换向油口(13B)关于大端端面中心为对称，小端中心具有第二回油口(13D)；中端(12)端面上具有环形槽(12E)，环形槽(12E)内具有第三回油口(12F)；第一回油口(13T)、第一换向油口(13A)、第二换向油口(13B)和第一进油口(13P)的结构尺寸完全相同，均为直孔加斜孔的结构；第一回油口(13T)、第二回油口(13D)和第三回油口(12F)通过内部流道相连，使得泄露的流量从第三回油口(12F)和第二回油口(13D)流入第一回油口(13T)。
2.如权利要求1所述的水下旋转伺服阀，其特征在于，旋转执行结构包括：减速器(70)、电机(80)、电机封装壳体(90)、旋转变压器(100)、电机封装端盖(110)、水密接插件(120)和充油接口(130)；电机(80)前端与减速器(70)固连，电机(80)后端与旋转变压器(100)固连；电机(80)、减速器(70)以及旋转变压器(100)整体装入电机封装壳体(90)中，减速器(70)前端具有螺纹孔，通过螺钉与上端盖(60)小端固定；电机封装端盖(110)通过螺钉与电机封装壳体(90)固定；水密接插件(120)与电机封装端盖(110)螺纹连接，安装于电机封装端盖(110)上端；充油接口(130)与电机封装端盖(110)螺纹连接，安装于电机封装端盖(110)上端，用于往封装壳体里面注油，并与外部的压力平衡器相连，从而保证电机内压力与外部环境压力一致，并且随着海深的改变实现对深海压力的自适应补偿。
3.如权利要求1或2所述的水下旋转伺服阀，其特征在于，阀芯(20)的粗端与阀体(30)内腔圆柱面之间形成环形配合间隙。
4.如权利要求2所述的水下旋转伺服阀，其特征在于，阀芯(20)为二阶台阶轴，包括粗端(21)和细端(22)，粗端(21)的端面上具有对称均匀分布的第四回油口(21T)、第三换向油口(21A)、第四换向油口(21B)和第二进油口(21P)，且分别与下端盖(10)的小端(13)上的四个油口相对应；第三换向油口(21A)和第二进油口(21P)通过第一V形孔(21C)相连，第四换向油口(21B)和第四回油口(21T)通过第二V形孔(21D)相连；细端(22)的端面上具有通孔与减速器(70)的输出轴间隙配合；细端(22)的圆柱面上具有螺纹孔，通过紧定螺钉将阀芯与减速器(70)固定。
5.如权利要求1或2所述的水下旋转伺服阀，其特征在于，压盖(50)内腔为多阶圆柱孔，第一端(51)与阀体密封段的端面紧密贴合，第二端(52)与推力球轴承(40)紧密接触，第三端(55)与上端盖(60)紧密接触；阀芯(20)的细端穿过压盖(50)的中间孔，在阀芯(20)与压盖(50)之间装有推力球轴承(40)和碟簧(150)。
6.如权利要求2所述的水下旋转伺服阀，其特征在于，上端盖(60)为二阶圆柱轴，下端通过螺钉与阀体(30)顶端固定，上端通过螺钉与电机密封壳体(90)固定。
7.如权利要求2所述的水下旋转伺服阀，其特征在于，下端盖(10)中端(12)表面具有环形凹槽(14)用于安装下端盖密封圈(140)，通过下端盖密封圈(140)与阀体(30)底端段(31)配合形成静密封；阀体(30)密封段(32)具有环形凹槽，用于安装压盖密封圈(160)，通过压盖密封圈(160)与阀体(30)密封段(32)配合形成静密封；压盖(50)内部具有圆柱形台阶腔(53)，用于安装骨架油封(170)，通过骨架油封(170)与阀芯(20)细端(22)配合形成动密封；压盖(50)上部具有矩形窗口(54)，用于安装固定阀芯(20)与减速器输出轴的紧定螺钉；阀体(30)的顶端具有环形凹槽，用于安装阀体密封圈(180)，通过阀体密封圈(180)与上端盖(60)配合形成静密封；上端盖(60)的上端具有环形凹槽，用于安装上端盖密封圈(190)，通过上端盖密封圈(190)与电机封装壳体(90)配合形成静密封；电机封装端盖(110)的小圆柱面具有环形凹槽，用于安装电机端盖密封圈(200)，通过电机端盖密封圈(200)与电机封装壳体(90)配合形成静密封。
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