CN112377481A - 一种高频响电液伺服阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频响电液伺服阀，包括阀芯、阀体和阀套；所述阀体开设前后贯穿的通孔作为主油腔，在主油腔方向上自左至右的继续去除材料扩设圆环形的第一通油腔、第二通油腔和第三通油腔，阀体的下侧中部位置自左至右开设分别与第一通油腔、第二通油腔和第三通油腔相连通的P油口、A油口和T油口，阀体的下侧左右两端位置各开设一个与主油腔相连通的泄油口Y，本发明的有益效果：通过高频响的音圈电机代替力矩马达对伺服阀进行驱动，提高反应速度，缩短相应时间；伺服阀的结构采用在现有比例阀的阀芯的外面加一个伺服阀套，配合溢流口和节流器，构成反馈系统，代替喷嘴挡板结构，实现高频响应。

Description

一种高频响电液伺服阀

技术领域

本发明属于电液伺服阀技术领域，具体涉及一种高频响电液伺服阀。

背景技术

液压伺服系统是根据液压传动原理建立起来的一种自动控制系统。在这种系统中，执行元件能以一定的精度，自动的按照输入信号的变化规律运动。由于执行元件能自动的跟随控制元件运动而进行自动控制，所以称为液压伺服系统，也叫跟踪系统或随动系统。

伺服阀作为液压伺服系统的核心元件，目前常用的是电液伺服阀。电液伺服阀既是电液转换元件，也是功率放大元件，它能够将小功率的电信号输入转换为大功率的液压能（流量和压力）输出。液压伺服阀具有控制灵活、精度高、输出功率大等优点。因此，在航空、航天、冶金、实验设备、雷达、舰艇、兵器等领域具有重要而广泛的用途。

如图1所示，为一典型的电液伺服阀，由电磁和液压两部分所组成。第一部分：电磁部分是一个动铁式力矩马达，液压部分是一个两级液压放大器。第二部分：液压放大器的第一级是双喷嘴挡板阀，称前置放大器，第二级是四边滑阀，称功率放大级。

如今，航空航天和军用装备实验室平台需要一款电液伺服阀，并对其性能和参数提出了更高的要求：

通经6mm；

最大压力：35MPa；

最大流量50L/min；

响应时间：（0-100%，100%-0）不大于10ms；

滞环：不大于0.1%。

反观如图1所示的典型的电液伺服阀的一般频率为60HZ，0.2s，远远低于航空航天装备实验平台所要求的10ms。

分析其响应时间长的原因有两个：第一，驱动装置。驱动装置采用的是电磁铁与力矩马达，通过电流产生磁力来动作。本身由电流产生电磁力的过程需要时间长，限制了响应时间的缩短。第二，前置放大级的执行元件为弹性件，反应速度慢。现有伺服阀的前置放大级一般为喷嘴挡板式结构，输入的电信号产生的电磁力通过弹簧管带动挡板运动，使挡板与两个喷嘴的距离不一样，从而产生压力差，进而通过压差推动四通滑阀的阀芯运动。这样从输入信号到执行元件运动要通过一个弹性件（弹簧管）也难以实现高频响应。

发明内容

针对现有技术中典型的电液伺服阀的一般频率为60HZ，0.2s，远远低于航空航天装备实验平台所要求的10ms，无法使用的问题，提供了一种高频响电液伺服阀。

一种高频响电液伺服阀，包括阀芯、阀体和阀套；

所述阀体内部开设三个圆柱形腔体，自左至右依次为第一通油腔、第二通油腔和第三通油腔，三个圆柱形腔体互不连通，并同轴设置，所述阀体开设前后贯穿的圆形通孔作为主油腔，主油腔与第一通油腔同轴设置，并将第一通油腔、第二通油腔和第三通油腔连通，阀体的下侧中部位置自左至右开设分别与第一通油腔、第二通油腔和第三通油腔相连通的P油口、A油口和T油口，阀体的下侧左右两端位置各开设一个与主油腔相连通的泄油口Y，阀体上部开设控制油腔，控制油腔的左端位置开设第一节流孔与主油腔连通，控制油腔的右端位置开设第二节流孔与主油腔连通，阀体的上侧位置开设控制油进油口与控制油腔连通；

阀套设置于主油腔中，其中间开设第一通孔，外壁上具有第一圆柱面，第一圆柱面上中部向外形成第一圆环形凸起，第一圆柱面的两端分别向外形成第二圆环形凸起；

阀芯为一根轴，其设置于主油腔中，并插入第一通孔中，阀芯上中部为第二圆柱面，两端为第三圆柱面，第二圆柱面的直径小于第三圆柱面，阀芯上自左至右分别开设竖直设置的第一竖向通油孔、第二竖向通油孔、第三竖向通油孔、第四竖向通油孔，阀芯的两侧对称的开设第一横向通油孔、第二横向通油孔，第一横向通油孔的左端连通第一竖向通油孔，右端连通第二竖向通油孔，第二横向通油孔左端连通第三竖向通油孔，右端连通第四竖向通油孔；

所述第一竖向通油孔和阀体上的左侧泄油口Y连通；

所述第二竖向通油孔和阀体上的右侧泄油口Y连通。

优选的，所述高频响电液伺服阀，还包括音圈电机，所述音圈电机的输出轴与阀芯的左端同轴连接。

优选的，所述高频响电液伺服阀，所述音圈电机集成放大器和位移传感器。

优选的，还包括滑套，滑套设置于主油腔的左右两端位置，分别承载阀芯两端的第三圆柱面，滑套上开设通油孔，使第一竖向通油孔、第四竖向通油孔通过滑套上的通油孔与阀体上的左右两端的泄油口Y连通。

本发明的有益效果：

1. 通过高频响的音圈电机代替力矩马达对伺服阀进行驱动，提高反应速度，缩短相应时间；

2. 伺服阀的结构采用在现有比例阀的阀芯的外面加一个伺服阀套，配合溢流口和节流器，构成反馈系统，代替喷嘴挡板结构，实现高频响应。

附图说明

图1为本发明现有技术的电液伺服阀的结构原理图；

图2为本发明实施例的立体图；

图3为图2的剖视图；

图4为本发明实施例阀体的结构示意图；

图5为本发明实施例阀套的结构示意图；

图6为本发明实施例阀芯的结构示意图；

图7为本发明实施例平衡状态下控制油道流通方向示意图；

图8为图3的A部放大视图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步说明。

如图2、3所示，一种高频响电液伺服阀，包括音圈电机1、阀芯2、滑套3、阀体5和阀套6。

如图4所示，所述阀体5内部开设三个圆柱形腔体，自左至右依次为第一通油腔52、第二通油腔53和第三通油腔54，三个圆柱形腔体互不连通，并同轴设置，所述阀体5开设前后贯穿的圆形通孔作为主油腔51，主油腔51与第一通油腔52同轴设置，并将第一通油腔52、第二通油腔53和第三通油腔54连通，阀体5的下侧中部位置自左至右开设分别与第一通油腔52、第二通油腔53和第三通油腔54相连通的P油口、A油口和T油口，阀体的下侧左右两端位置各开设一个与主油腔51相连通的泄油口Y，阀体5上部开设控制油腔55，控制油腔55的左端位置开设第一节流孔56与主油腔51连通，控制油腔55的右端位置开设第二节流孔57与主油腔51连通，阀体5的上侧位置开设控制油进油口58与控制油腔55连通。

主油腔51为圆孔。第一通油腔52、第二通油腔53和第三通油腔54也为圆形空腔，与主油腔51同轴设置。

如图5所示，阀套6设置于主油腔51中，其中间开设第一通孔62，外壁上具有第一圆柱面64，第一圆柱面64上中部向外形成第一圆环形凸起63，第一圆柱面64的两端分别向外形成第二圆环形凸起61。

其中，第一圆环形凸起63的外径与主油腔51的孔径相适配，间隙很小但能左右滑动，液压油不能通过间隙。第一圆环形凸起63宽度尺寸与第二通油腔53相适配，能刚好将其封堵而关闭第二通油腔53口。第二圆环形凸起61，即圆柱体面，与主油腔51相适配，间隙很小但能左右滑动。

如图6所示，阀芯2为一根轴，其设置于主油腔51中，并插入第一通孔62中，阀芯2上中部为第二圆柱面26，两端为第三圆柱面25，第二圆柱面26的直径小于第三圆柱面25，阀芯2上自左至右分别开设竖直设置的第一竖向通油孔23、第二竖向通油孔24、第三竖向通油孔27、第四竖向通油孔29，阀芯2的两侧对称的开设第一横向通油孔22、第二横向通油孔28，第一横向通油孔22的左端连通第一竖向通油孔23，右端连通第二竖向通油孔24，第二横向通油孔28左端连通第三竖向通油孔27，右端连通第四竖向通油孔29。

其中，阀套6套装在阀芯2上，阀套6的长度与第二圆柱面26的长度相当。第一通孔62与第二圆柱面26之间有较大的间隙，液压油可以通过的间隙。第一通孔62与第三圆柱面25之间有较小的间隙，二者可以相互滑动，但液压油很难通过的间隙。阀套6的左右两端分别位于第二圆柱面26和第三圆柱面25衔接处的斜面上，阀套6与斜面之间形成微小的可供液压油通过的溢流口。阀套6的左右移动会导致溢流口的增大或缩小。

如图3所示，滑套3设置于主油腔51的左右两端位置，分别承载阀芯2两端的第三圆柱面25，滑套3上开设通油孔，使第一竖向通油孔23、第四竖向通油孔29通过滑套3上的通油孔与阀体5上的左右两端的泄油口Y连通。

如图3所示，音圈电机1的输出轴与阀芯2的左端同轴连接，音圈电机1集成放大器和位移传感器。

一款用于航空航天或军用实验平衡平台的高压、高频响的电液伺服阀。电—机械转换器采用音圈电机直接带动阀芯进行直线运动；功率放大级的前置级采用两个固定节流器和两个溢流口，代替现有的喷嘴挡板阀，通过阀芯的移动改变溢流口的大小从而在伺服芯套的两端产生压差，以提高相应速度，减少反馈时间。后置级采用伺服阀套结构取代现有的阀芯机构，伺服阀套在两端压差的作用下产生与阀芯同方向、同距离的移动，即随动运动，进而改变泵P口到执行元件A口或A口到油箱的油流方向，从而实现液压缸或液压马达的单方向运动。

音圈电机Voice Coil Motor是一种特殊形式的直接驱动电机。具有结构简单体积小、高速、高加速、响应快等特性。根据驱动、反馈、控制器和控制算法等配置高低，音圈电机可以达到500-1000HZ的运动频率，甚至更高。同时其驱动力较大，驱动力平稳，可以满足高压的要求。音圈电机直接驱动刚性件阀芯移动进而改变溢流口大小产生压差，使高频响得以实现。

工作原理说明：

P口接泵；A口接液压缸或液压马达的一个工作腔；T口接油箱；Y口是卸油口。

1、音圈电机不动作。如图7所示，阀芯2不动，控制油液通过两个同直径的节流孔56、57均等分流到主油腔51中，并位于伺服阀套6两端的油槽中。阀套6两端油液压力相等，这时伺服阀套6在两端控制油液的作用下处于中位，到达执行元件的A口被封住，这时泵口P、A口、油箱口T互相不通。执行元件不动，负载也不动。左侧控制油路流向为进油口-节流孔-主油腔-第一通孔62与第二圆柱面26之间的间隙-第二竖向通油孔24-第一横向通油孔22-第一竖向通油孔23-滑套通油孔-泄油口Y。同理，右侧控制油路。

2、当音圈电机1通入一定强度的电流，驱动阀芯2运动一定距离。假设向右运动，这时阀套6左端的溢流口变小，右端的溢流口变大，变小的一端压力增大，变大的一端压力变小，溢流量增大，从而在伺服阀套6两端产生压差，通过压差推动伺服阀套6向右移动一定距离，此时阀套6的第一圆环形凸起63与第二通油腔53错位，A口打开，这是泵P出口油液流向A口，实现执行元件带动负载进行运动。阀套6移动的同时又重新校正两端溢流口的开口，直到两端溢流口开口大小重新恢复到原始相等状态时，伺服阀套6的两端压差为零，又重新到达新的平衡位置，实现伺服阀的反馈控制，此时阀套6移动的距离与阀芯2移动的距离相等，保证A口打开的开口大小稳定。同理，如果阀芯2向左运动移动一定距离，这时阀套6也跟着向左移动相同的距离，这是实现A口油液流向油箱T口。

伺服阀在工作过程中，音圈电机1与阀芯2通过锥形销同轴连接，通过控制器向音圈电机输入脉冲信号，音圈电机1开始做往复直线运动，带动主阀芯2做往复直线运动，同时位移传感器检测阀芯移动的距离，如果实际距离与理论距离有误差就调整电流强度，直到准确到达理论位置，实现阀芯2移动的闭环控制。音圈电机1在输入信号控制下向右运动时，带动阀芯2向右运动，阀芯2与阀套6之间的左侧溢流口变小，右侧溢流口变大，因此左腔室压力变大，右腔室压力减小，这时在阀套6两端产生压力差，在压力差作用下阀套6向右移动，A口油道逐渐打开，这时泵口p向A腔供高压油，实现液压缸一个方向的运动。在伺服阀套6向右运动的过程中，左侧溢流口逐渐变大，当左右侧溢流口的大小一样时，左右腔室压力差完全消失。伺服阀套6与阀芯2停留在新的平衡位置，这时实现伺服阀套6跟随阀芯2的运动而运动，也就是伺服阀套跟随输入电信号的运动而运动，最终移动的距离，也就是A口打开的大小与电流强度成正比。通过溢流口与左右腔室压力差的调节实现伺服阀自身的反馈控制。

音圈电机1复位，基于同样原理，伺服阀套6与阀芯2回到起始位置，流道关闭。音圈电机1在输入信号控制下向左运动，带动阀芯2向左侧运动，阀芯与伺服阀芯之间的右侧溢流口变小，右腔室压力变大，阀套6在压力差下向左运动，A口油道逐渐打开，这时A口与油箱相通，实现液压缸回程，在阀套6向左运动的过程中右侧溢流口逐渐变大，当左右侧溢流口的大小一样时，左右腔室压力差为零，最终阀套6运动到新的平衡位置停止运动，实现伺服阀的反馈调节。

可理解的是，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种高频响电液伺服阀，其特征在于，包括阀芯、阀体和阀套；

所述阀体内部开设三个圆柱形腔体，自左至右依次为第一通油腔、第二通油腔和第三通油腔，三个圆柱形腔体互不连通，并同轴设置，所述阀体开设前后贯穿的圆形通孔作为主油腔，主油腔与第一通油腔同轴设置，并将第一通油腔、第二通油腔和第三通油腔连通，阀体的下侧中部位置自左至右开设分别与第一通油腔、第二通油腔和第三通油腔相连通的P油口、A油口和T油口，阀体的下侧左右两端位置各开设一个与主油腔相连通的泄油口Y，阀体上部开设控制油腔，控制油腔的左端位置开设第一节流孔与主油腔连通，控制油腔的右端位置开设第二节流孔与主油腔连通，阀体的上侧位置开设控制油进油口与控制油腔连通；

阀套设置于主油腔中，其中间开设第一通孔，外壁上具有第一圆柱面，第一圆柱面上中部向外形成第一圆环形凸起，第一圆柱面的两端分别向外形成第二圆环形凸起；

阀芯为一根轴，其设置于主油腔中，并插入第一通孔中，阀芯上中部为第二圆柱面，两端为第三圆柱面，第二圆柱面的直径小于第三圆柱面，阀芯上自左至右分别开设竖直设置的通孔第一竖向通油孔、第二竖向通油孔、第三竖向通油孔、第四竖向通油孔，阀芯的两侧对称的开设第一横向通油孔、第二横向通油孔，第一横向通油孔的左端连通第一竖向通油孔，右端连通第二竖向通油孔，第二横向通油孔左端连通第三竖向通油孔，右端连通第四竖向通油孔；

所述第一竖向通油孔和阀体上的左侧泄油口Y连通；

所述第二竖向通油孔和阀体上的右侧泄油口Y连通。

2.如权利要求1所述的高频响电液伺服阀，其特征在于，还包括音圈电机，所述音圈电机的输出轴与阀芯的左端同轴连接。

3.如权利要求2所述的高频响电液伺服阀，其特征在于，所述音圈电机集成放大器和位移传感器。

4.如权利要求1所述的高频响电液伺服阀，其特征在于，还包括滑套，滑套设置于主油腔的左右两端位置，分别承载阀芯两端的第三圆柱面，滑套上开设通油孔，使第一竖向通油孔、第四竖向通油孔通过滑套上的通油孔与阀体上的左右两端的泄油口Y连通。

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