CN113202930A - 一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀 - Google Patents

一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，包括阀体、阀芯、以及布置在阀体内的进油流道和回油流道，所述阀体内还设有与回油通道连通的补油腔，在补油腔上远离回油流道的一端还接有空气腔，所述空气腔的一端与补油腔之间采用弹性薄膜隔开，另一端采用可往复移动的活塞密封。与现有技术相比，本发明通过设置由薄膜与空气柱组成的空气腔，可以有效抑制不同开度下锥阀节流空化自激振荡导致的流量脉动问题，结构简单，安全可靠，易于维护更换。

Description

一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀
技术领域
本发明属于流体控制技术领域，涉及一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀。
背景技术
液压锥阀阀结构是液压阀的一种基本结构形式，和滑阀相比，锥阀可以做到密封面之间无间隙，能够完全切断油路；与球阀相比，其结构简单，制造容易；锥阀阀口处液流的方向突变小，流场分布均匀，对油液中杂质污染不敏感，使用场合广泛；锥阀具有许多优良特性的同时，也存在着一些严重的问题，锥阀中介质高速流经狭窄流道时容易出现旋涡和速度的重新分布，产生严重的空化现象。阀口空化、空化尺度与流量、压力的耦合自持变化，形成空化喘振现象，导致系统流量周期性脉动，影响液压系统的平稳运行。
为抑制液压系统流量脉动，通常在被保护结构前设置蓄能器。然而空化喘振不同于常见的系统流量压力波动，具有高频低幅的特点，故需要额外的结构加以处理。中国专利CN201920176330.4公开了一种低噪音防空化结构调节阀；中国专利CN200920011129.7公开了一种防空化高压差控制阀；中国专利ZL201320793666.8公开了一种防空化高温高压四级降压阀；以上专利均利用多级降压，从形成条件方面尽可能的削弱空化，导致结构复杂成本增加，甚至无法彻底消除空化。而本专利并非致力于消除空化，而是解决低背压锥阀的剧烈空化喘振对液压系统的影响。中国专利CN111577691A公开了一种基于阀后蓄能补偿的低脉动流量控制阀，该阀为比例滑阀，通过在阀体中设置蓄能器结构来消除空化喘振导致的执行器抖动现象。然而固定的结构对不同频率幅值空化喘振的抑制效果不尽相同，本专利利用锥阀开度与空化喘振频率幅值的相关关系设计了自适应弹性薄膜空气柱系统，能够在一定的幅值频率范围内达到最好的振荡抑制效果。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，以在一定的幅值频率范围内达到优异的振荡抑制效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，包括阀体、阀芯、以及布置在阀体内的进油流道和回油流道，所述阀体内还设有与回油通道连通的补油腔，在补油腔上远离回油流道的一端还接有空气腔，所述空气腔的一端与补油腔之间采用弹性薄膜隔开，另一端采用可往复移动的活塞密封。
进一步的，所述空气腔在其与补油腔的交界处壁面还设有凸台，所述弹性薄膜固定在凸台上。
进一步的，所述空气腔内充入有气体，并由气体给予弹性薄膜向补油腔运动的力。
进一步的，所述活塞的外侧表面还设有与阀体密封的的密封圈。
进一步的，在阀芯旁还设有带动其移动的第一驱动机构，在活塞的一侧还设有带动其往复移动的第二驱动机构。
更进一步的，所述第一驱动机构包括第一驱动动块、第一驱动电磁铁和第一驱动弹簧，其中，所述第一驱动动块与阀芯固定连接，所述第一驱动电磁铁围绕所述第一驱动动块布置，所述第一驱动弹簧的一端固定，另一端连接所述第一驱动动块。
更进一步的，所述第二驱动机构包括第二驱动动块、第二驱动电磁铁和第二驱动弹簧，其中，所述第二驱动动块与活塞固定连接，所述第二驱动电磁铁围绕所述第二驱动动块布置，所述第二驱动弹簧的一端固定，另一端连接所述第二驱动动块。
更进一步的，所述第二驱动机构与外部控制机构之间还设有一信号放大器，用于将经外部控制机构输入的控制信号处理后再传输给第二驱动机构。可选的，所述信号放大器的放大系数为0.5～1。
进一步的，所述进油通道上设有节流口。
与现有技术相比，本发明通过设置由弹性薄膜与空气柱组成的空气腔，可以有效抑制不同开度下锥阀节流空化自激振荡导致的流量脉动问题，结构简单，安全可靠，易于维护更换。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标记说明：
1-阀体，2-阀芯，3-第一驱动机构，4-第一驱动电磁铁，5-第一驱动动块，6-第一驱动弹簧，7-弹性薄膜，8-信号放大器，9-节流口，10-进油流道，11-回油流道，12-补油腔，13-凸台，14-空气腔，15-活塞，16-密封圈，17-第二驱动机构，18-第二驱动电磁铁，19-第二驱动动块，20-第二驱动弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或结构。
为有效抑制不同开度下锥阀节流空化自激振荡导致的流量脉动问题等，本发明提供了一种基于自适应弹性薄膜7空气柱的空化喘振抑制锥阀，其结构参见图1所示，包括阀体1、阀芯2、以及布置在阀体1内的进油流道10和回油流道11，所述阀体1内还设有与回油通道连通的补油腔12，在补油腔12上远离回油流道11的一端还接有空气腔14，所述空气腔14的一端与补油腔12之间采用弹性薄膜7隔开，另一端采用可往复移动的活塞15密封。
在一些具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述空气腔14在其与补油腔12的交界处壁面还设有凸台13，所述弹性薄膜7固定在凸台13上。
在一些具体的实施方式中，所述空气腔14内充入有气体，并由气体给予弹性薄膜7向补油腔12运动的力。同时，当回流流道11处于额定压力时，充入空气腔14中的气体使得弹性薄膜7处于向补油腔12胀起的状态。通过气体的充入，弹性薄膜7与活塞15之间存在空气柱，弹性薄膜7的两侧既不通油，也不通气，也就是说，空气腔14与外部是完全隔开的。
在一些具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述活塞15的外侧表面还设有与阀体1密封的的密封圈16。
在一些具体的实施方式中，在阀芯2旁还设有带动其移动的第一驱动机构3，在活塞15的一侧还设有带动其往复移动的第二驱动机构17。
更具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述第一驱动机构3包括第一驱动动块5、第一驱动电磁铁4和第一驱动弹簧6，其中，所述第一驱动动块5与阀芯2固定连接，所述第一驱动电磁铁4围绕所述第一驱动动块5布置，所述第一驱动弹簧6的一端固定，另一端连接所述第一驱动动块5。同时，第二驱动机构17的结构可以与第一驱动机构3相类似，其包括第二驱动动块19、第二驱动电磁铁18和第二驱动弹簧20，其中，所述第二驱动动块19与活塞15固定连接，所述第二驱动电磁铁18围绕所述第二驱动动块19布置，所述第二驱动弹簧20的一端固定，另一端连接所述第二驱动动块19。
本发明的弹性薄膜7一端所受到的压力取决于回油流道11的压力、另一端受力取决于空气腔14中气体的压力，两端受力与弹性薄膜7自身的弹性力平衡。回油流道11压力处于额定压力时，空气腔14有一定的预压缩量保证弹性薄膜7处于向补油腔12胀起状态。当压力小于额定压力时，即流量变小时，空气腔14的压缩量也变小，弹性薄膜7向补油腔12胀起幅度变大，同时补油腔12对流量进行补偿。反之当压力大于额定压力时，空气腔14的压缩量也变大，弹性薄膜7向补油腔12胀起幅度变小，补油腔12吸收多余流量。
具体的液压锥阀通过驱动锥阀的阀芯2延轴线的平移改变阀芯2锥面节流口9的开度来控制液压系统的执行与停止等控制行为。活塞15驱动装置(即第二驱动机构17)与第一驱动装置(即第一驱动机构3)原理相同。第一驱动装置与所述活塞15驱动装置内布置有动块、弹簧、电磁铁，动块一端与阀芯2或活塞15相固连，另一端通过弹簧与驱动器外壳相连，当输入不同大小的电信号时，电磁铁驱动所述动块以不同大小的力压紧弹簧，当弹簧力与电磁力平衡，动块静止到目标位置，从而达到位置可控的驱动目的。活塞15驱动装置与所述第一驱动装置内部的弹簧刚度比约为0.9。
本发明通过研究发现锥阀开度越大，空化越剧烈，喘振幅值越大，需要的调节刚度越低。当阀芯2驱动装置收到控制信号驱动阀芯2使锥阀开度增大，相同的控制信号经信号放大器8处理后输入至活塞15驱动装置驱动活塞15向外运动，空气腔14体积增大，空气柱刚度降低，弹性薄膜7-空气柱系统刚度降低；反之当锥阀开度减小，空气腔14体积减小，弹性薄膜7-空气柱系统刚度升高。本发明因此实现了自适应的的空化喘振抑制效果。
更进一步的，所述第二驱动机构17与外部控制机构之间还设有一信号放大器8，用于将经外部控制机构输入的控制信号处理后再传输给第二驱动机构17。可选的，所述信号放大器8的放大系数为0.5～1。
在一些具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述进油通道上设有节流口9。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
本发明提出了一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其结构参见图1所示，包括阀体1、阀芯2，以及布置在阀体1内的进油流道10和回油流道11，阀芯2在第一驱动装置3的驱动作用下改变节流口9的开闭状态，从而改变进油流道10和回油流道11的联通状态，当节流口9打开时，进油流道10和回油流道11通过阀体1内的连通流道连通，补油腔12则沿连通流道的走向布置。具体的，所述阀体1中在回油流道11前布置有补油腔12，所述补油腔12后接有空气腔14，所述空气腔14一端通过弹性薄膜7与补油腔12相隔，另一端由活塞15经密封圈16封闭。活塞15通过第二驱动机构17驱动从而改变空气腔14的体积，进而改变所述弹性薄膜-空气柱系统的刚度以达到自适应抑制空化喘振的效果。
具体的，本实施例中的空气腔14充入空气，装置通过弹性薄膜7两端的压力来控制弹性薄膜7胀起幅度，进而控制流量脉动，解决节流空化喘振，实现低脉动流量控制。弹性薄膜7一端通过补油腔12与回油流道11相连，另一端与空气腔14相连。弹性薄膜7一端的压力为回油流道11所给，另一端的压力由空气腔14所给。
当回油流道11处于额定压力时，空气腔14有一定的预压缩量，弹性薄膜7处于向补油腔12胀起状态，补油腔12中充满油液。
当压力小于额定压力时，流量会变小，空气腔14的压缩量会变小，此时，弹性薄膜7在空气腔14的压力作用下会向靠近回油流道11方向胀起，同时，在右侧压力作用下的油液会从补油腔12对回油流道11进行补偿。当压力大于额定压力时，流量会变大，弹性薄膜7右侧压力减小，空气腔14的压缩量会变大，此时，弹性薄膜7在左侧压力作用下胀起幅度减小，在左侧压力作用下油液会从回油流道11进入补油腔12。
第一驱动机构3内布置有第一驱动动块5、第一驱动弹簧6、第一驱动电磁铁4，第一驱动动块5一端与阀芯2相固连，另一端通过第一驱动弹簧6与第一驱动机构3外壳相连，当输入不同大小的电信号时第一驱动电磁铁4驱动第一驱动动块5以不同大小的力压紧第一驱动弹簧6，当弹簧力与电磁力平衡，第一驱动动块5静止到目标位置，从而达到位置可控的驱动目的。第二驱动机构17与第一驱动机构3原理相同。活塞驱动装置弹簧20与第一驱动弹簧6刚度比约为0.9。
当第一驱动装置3收到控制信号驱动阀芯2使锥阀开度增大，相同的控制信号经信号放大器8后变为原信号的0.5～1.0倍后输入至第二驱动机构17驱动活塞15向外运动，空气腔14体积增大，空气柱刚度降低，弹性薄膜-空气柱系统刚度降低；反之当锥阀开度减小，空气腔14体积减小，弹性薄膜-空气柱系统刚度升高。因此实现了自适应的的空化喘振抑制效果。
本发明的流量控制阀中，弹性薄膜7最大形变幅度取决于空气腔14的预压缩量以及弹性薄膜7本身的材料特性，调节流量的能力共同取决于弹性薄膜7与空气腔14的振动特性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，包括阀体、阀芯、以及布置在阀体内的进油流道和回油流道，其特征在于，所述阀体内还设有与回油通道连通的补油腔，在补油腔上远离回油流道的一端还接有空气腔，所述空气腔的一端与补油腔之间采用弹性薄膜隔开，另一端采用可往复移动的活塞密封。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其特征在于，所述空气腔在其与补油腔的交界处壁面还设有凸台，所述弹性薄膜固定在凸台上。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其特征在于，所述空气腔内充入有气体，并由气体给予弹性薄膜向补油腔运动的力。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其特征在于，所述活塞的外侧表面还设有与阀体密封的的密封圈。
5.根据权利要求1所述的一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其特征在于，在阀芯旁还设有带动其移动的第一驱动机构，在活塞的一侧还设有带动其往复移动的第二驱动机构。
6.根据权利要求5所述的一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其特征在于，所述第一驱动机构包括第一驱动动块、第一驱动电磁铁和第一驱动弹簧，其中，所述第一驱动动块与阀芯固定连接，所述第一驱动电磁铁围绕所述第一驱动动块布置，所述第一驱动弹簧的一端固定，另一端连接所述第一驱动动块。
7.根据权利要求5所述的一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其特征在于，所述第二驱动机构包括第二驱动动块、第二驱动电磁铁和第二驱动弹簧，其中，所述第二驱动动块与活塞固定连接，所述第二驱动电磁铁围绕所述第二驱动动块布置，所述第二驱动弹簧的一端固定，另一端连接所述第二驱动动块。
8.根据权利要求5所述的一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其特征在于，所述第二驱动机构与外部控制机构之间还设有一信号放大器，用于将经外部控制机构输入的控制信号处理后再传输给第二驱动机构。
9.根据权利要求8所述的一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其特征在于，所述信号放大器的放大系数为0.5～1。
10.根据权利要求1所述的一种基于自适应弹性薄膜空气柱的空化喘振抑制锥阀，其特征在于，所述进油通道上设有节流口。
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