CN113236818B - 一种低能耗高频响的控制阀及控制方法 - Google Patents

一种低能耗高频响的控制阀及控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及控制阀技术领域，具体的涉及一种低能耗高频响的控制阀。本发明公开了一种低能耗高频响的控制阀，包括阀体，阀体内设置阀芯，阀芯的一端与第一阀芯控制机构连接，另一端与旋转电机的输出轴连接；旋转电机通过电机座上的导轨滑动连接于电机座上；阀体上位于阀芯下方置设置第一曲线流道和第二曲线流道；第一曲线流道上方沿水平方向两侧对称设置有自动调节叶片组；自动调节叶片组包括叶片，叶片底面固定于转轴上，转轴铰接连接于阀体上用以带动叶片相对阀体转动；弹簧一端连接于叶片，另一端固定连接于阀体上；阀体内部采用了流线型流道可以降低流体流阻，减小流体压力损失。阀芯处于缓慢旋转，换向阻力更低，响应更快，控制更加灵敏。

Description

一种低能耗高频响的控制阀及控制方法
技术领域
本公开涉及控制阀技术领域，具体的涉及一种低能耗高频响的控制阀。
背景技术
换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同，来变换阀体上各油口的通断关系，从而改变液流方向的阀类。
油液流经滑阀时，油液速度的大小和方向发生改变，其动量的急剧变化不仅会使局部油路的压力急剧上升，产生冲击噪声，而且会影响滑阀的操纵性，还会干扰信号引起阀芯动作紊乱，从而影响滑阀的稳定性和可靠性。当切换油路时，由于阀芯与阀座之间静摩擦力的存在，会使阀芯动作迟于信号的控制，导致换向不灵敏。
发明内容
针对现有的技术方案的不足，本发明旨在提供一种低能耗高频响的控制阀，降低了压力冲击，减小换向响应时间。
为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例提供了下述技术方案：
第一方面，本发明公开了一种低能耗高频响的控制阀，包括阀体，阀体内设置阀芯，阀芯的一端与第一阀芯控制机构连接，另一端与旋转电机的输出轴连接；旋转电机通过电机座上的导轨滑动连接于电机座上；阀体上位于阀芯下方置设置第一曲线流道和第二曲线流道；
所述第一曲线流道上方沿水平方向两侧对称设置有自动调节叶片组；自动调节叶片组包括叶片，叶片底面固定于转轴上，转轴铰接连接于阀体上用以带动叶片相对阀体转动；弹簧一端连接于叶片，另一端固定连接于阀体上。
作为进一步的技术方案，第一阀芯控制机构安装于机座上，机座一端与阀体的一端连接。
作为进一步的技术方案，第一阀芯控制机构一端穿过阀体的一端与阀体内的阀芯的一端连接，控制阀芯的启闭。
作为进一步的技术方案，阀体的另一端与电机座连接，电机座与机座处于同一水平线上。
作为进一步的技术方案，机座上的导轨与阀芯轴线方向平行设置。
作为进一步的技术方案，导轨的两端分别与机座的两端连接。
作为进一步的技术方案，机座上设置有顶盖，旋转电机和导轨均位于顶盖内。
作为进一步的技术方案，第二阀芯控制机构位于旋转电机的输入轴一侧，旋转电机输入轴与第二阀芯控制机构连接。
作为进一步的技术方案，第一曲线流道位于阀体正下方，第二曲线流道设置两处，以第一曲线流道为中心呈对称分布。
作为进一步的技术方案，第一曲线流道的轮廓由抛物线与椭圆曲线进行拟合。
作为进一步的技术方案，第二曲线流道的轮廓由抛物线与抛物线进行拟合。
做为进一步的技术方案，曲线流道端部的油口作为工作油口分别与执行元件相连接。
作为进一步的技术方案，直道端部的油口与系统供油路连接。
作为进一步的技术方案，阀体上还开设有直道，直道位于阀体靠近旋转电机的一侧，直道端部的油口与回油路连接。
第二方面，本申请还公开了一种低能耗高频响的控制阀的控制方法，具体步骤如下：
S1：通过阀体的第一曲线流道将油液输入至阀体的空腔内；
S2：旋转电机带动阀芯旋转；
S3：第二阀芯控制机构通过推动旋转电机向阀芯连接有第一阀芯控制机构的一侧移动；第一阀芯控制机构推动阀芯向第一阀芯控制机构所在一侧移动；油液通过靠近第一阀芯控制机构一侧的第二曲线流道控制与靠近第一阀芯控制机构一侧的第二曲线流道相连通的执行机构运动；
S4：第一阀芯控制机构通过推动旋转电机向阀芯连接有第二阀芯控制机构的一侧移动；第二阀芯控制机构推动阀芯向第二阀芯控制机构所在一侧移动；油液通过靠近第二阀芯控制机构一侧的第二曲线流道第二曲线流道控制与靠近第二阀芯控制机构一侧的第二曲线流道相连通的执行机构运动。
以上一个或多个技术方案的有益效果是：
1.阀芯与旋转电机相连，旋转电机装在导轨上可随着阀芯左右移动，这使得阀芯可以绕轴旋转，这样将阀芯与阀座间的静摩擦变为动摩擦，由于动摩擦比静摩擦小很多，阀芯始终处于运动状态，可克服静摩擦对阀芯响应速度的影响。
2.阀体内部采用了流线型流道可以降低流体流阻，减小流体压力损失。阀芯处于缓慢旋转，换向阻力更低，响应更快，控制更加灵敏。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明整体结构示意图。
图2是实施方式中的各流道曲线示意图。
图3是旋转电机所在导轨的截面图。
图4是阀芯运动的控制示意图。
图5是调节叶片组放大结构示意图。
图6是P口与A口接通时压力油从P口进入后会冲击右侧叶片的示意图。
图7是增加调节叶片组后的流体流经控制阀的压力和流速变化示意图。
图8是未设置调节叶片组的流体在流道中的状态示意图。
图中，1、阀体，2、阀芯，3、机座，4、电机座，5、导轨，6、旋转电机，7、顶盖，8、电机控制机构，9、第一阀芯控制机构，10、第二阀芯控制机构，11、液压缸/液压马达，12、被控变量，13、第一曲线流道，14、第二曲线流道，15、PID1，16、PID2，17、调节叶片组，18、叶片，19、弹簧，20、转轴。
具体实施方式
现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
请参阅如图1-6，本发明公开了一种低能耗高频响的控制阀，包括阀体1，阀体1内设置阀芯2，阀芯2的一端与第一阀芯控制机构9连接，另一端与旋转电机6连接。
阀体1上左右两侧分别设置通孔，左侧的通孔用于将第一阀芯控制机构9的一端与位于阀体1内的阀芯2一端连接，第一阀芯2控制机构9用于控制阀芯2的左右移动。
第一阀芯控制机构9底部安装于机座3上，机座3一端与阀体1的侧面连接。机座3用于支撑第一阀芯控制机构9。
如图1所示，阀芯2一端与第一阀芯控制机构9连接，另一端与旋转电机6的输出轴连接，旋转电机6可带动阀芯2一起旋转。阀芯2可以绕轴旋转，这样将阀芯2与阀座间的静摩擦变为动摩擦，由于动摩擦比静摩擦小很多，阀芯2始终处于运动状态，可克服静摩擦对阀芯2响应速度的影响。
旋转电机6是设置于电机座4之上的，电机座4的一端与阀体1固定连接，也可是通过螺栓的可拆卸方式进行连接。电机座4和机座3分别位于阀体1的两端同一水平线上布设。
电机座4内设置导轨5，导轨5位于电机座4的顶面上，导轨5的两端分别设置在电机座4的两端，旋转电机6底部与导轨5配合，实现旋转电机6可在导轨5上左右滑动；旋转电机6可与阀芯2一起在第一阀芯控制机构9和第二阀芯控制机构10的控制下左右移动。旋转电机6还可带动阀芯2套着旋转电机6的输出轴旋转运动。如图3所示，给出了导轨5的截面图。从图中可得出，导轨5呈工字型结构，底部宽度大于顶部的宽度，底部固定安装于电机座43上。
电机座4上固定安装有顶盖7，顶盖7呈两边直角的L型结构，顶盖7一端与电机座4固定连接呈一体化结构，顶盖7另一端与阀体1可拆卸连接。顶盖7上开设有通孔，电机控制机构8的一端穿过该通孔与位于顶盖7内的旋转电机6连接，电机输入轴与电机控制机构8相连，用PID进行控制，通过电机控制机构8控制电机的启停与转速。当旋转电机6启动带动阀芯2转动。顶盖7的右侧设置有通孔，旋转电机6的输入轴穿过该通孔与第二阀芯控制机构10连接，第二阀芯控制机构10控制旋转电机6沿着导轨5左右移动，从而带动阀芯2左右移动。可将阀芯2与阀座间的静摩擦变为动摩擦，由于动摩擦比静摩擦小很多，阀芯2始终处于微动状态，可克服静摩擦对阀芯2响应速度的影响。
阀体1上位于阀芯2的下方开设有流道，其中第一曲线流道13位于阀芯2的正下方，位于竖直面内。第一曲线流道13其与系统供油路连接的油口用P表示，由于P与系统供油路连接，此处压力较大，因此P口流入流道曲线采用抛物线+椭圆曲线进行拟合，能有效减小冲击。
如图5所示，第一曲线流道13上方沿水平方向的两侧对称设置自动调节叶片组17，自动调节叶片组17包括叶片18、弹簧19和转轴20；为便于描述清楚，将图5所示的叶片的左右两侧标记为端面，底部标记为底面，上部标记为顶面；
弹簧的一端与叶片的端面连接，另一端与阀体连接；叶片的底面固定于转轴上，转轴铰接连接于阀体上，叶片通过转轴相对阀体转动；即叶片的端面通过弹簧与阀体连接，，叶片的底面通过转轴转动连接于阀体上，通过转轴实现叶片相对阀体在竖直平面内转动一定角度。通过弹簧与转轴的共同作用实现叶片相对阀体的移动。
叶片18对称设置在第一曲线流道13上方的两侧，叶片18的呈曲线形状，其形状与第一曲线流道的曲线形状相对应，即叶片18的曲线在第一曲线流道的上方沿着第一曲线流道的曲线方向延伸。
自动调节叶片组安装在进油口流道上方端口左右两侧，阀芯处于中位时，由于流道关闭，没有流体流动，弹簧未被压缩，叶片处于竖直状态。
如图6所示，若阀门工作，如阀芯向右移动，P口与A口接通时，压力油从P口进入后会冲击右侧叶片，使得右侧叶片弹簧被压缩，叶片抵到右侧壁上，进而形成一个光滑的流道。
如图7所示，通过增加自动调节叶片组，可以实现，在流体流过控制阀时，其压力和流速会发生变化。控制阀上游入口压力为P1，在流经阀门节流处，由于流通面积的缩小，使该出的流速增到最大，静压力下降到P3，然后，随着阀内流通面积的增大，流速变缓，压力回升到P2。
如图8所示，未设置叶片时，会在流道的拐角处产能生旋涡。由于旋涡的产生及流体的摩擦，使得压力能转化为流体的动能最终变为内能散失，从而使静压力P2远远不能恢复到阀前的压力P1，造成了压力损失。
调节叶片的设置可消除进油口内的拐角，消除旋涡的产生，从而减小调节阀的压力损失，减小调节阀上的节流能耗。
第二曲线流道14位于阀芯2下方以第一曲线流道13为中心呈对称分布；第二曲线流道14为与执行元件相连接的工作油口，本实施例中分别标记为A、B表示，A、B口流道采用抛物线+抛物线进行拟合。
位于阀体1下方阀芯2的下方靠近旋转电机6的一侧设置有直道，直道端部油口标记为T，T为与回油路连接的油口。
A、B口流入流道及与T口的阀体1内部流道也均为流线型，流道为由曲线拟合的流线型流道，有效降低流体流阻，使流速变化平缓。拟合曲线的参数可由不同的使用条件进行确定。
在图2所示坐标系中，A口流道与B口流道通过两段抛物线拟合而成，3点确定一条抛物线方程，C1C2C3表示的抛物线和C3C4C5表示的抛物线在点C3处连续。其中C1C2C3段的曲率设置小于C3C4C5的曲率，这使得外径与内径的差别不大，使得不同截面上的流线相差较小，不会发生二次回流的现象。C3点为两条曲线的交界点，此处为两条曲线曲率的改变处，根据此处的压力与流量来调整曲线参数，以减小压力损失。T口流道通过抛物线+椭圆拟合而成，D1D2D3表示为抛物线，D4D5表示为椭圆，D1D2D3表示的抛物线和D4D5表示的椭圆在点D3处连续并且平滑过渡连接。
由于T口为进油口，液压油压力较大，所以流入时流道开口较大，减小流体阻力。流入流道剖面曲线具体方程如表1所示。其中曲线方程中的参数均为不确定值，其具体数值由控制阀的具体使用要求来确定。
表1
Figure GDA0003470305620000091
图4所示是阀芯2运动控制示意图，流道之间的通断由阀芯2的左右移动实现，阀芯2的左右移动由第一阀芯控制机构9和第二阀芯控制机构10来控制，其中第一阀芯控制机构9和第二阀芯控制机构10可有手动、液动、电磁、电液等多种操纵方式。旋转电机6在电机控制机构8的操控下旋转，实现阀芯2的轴向转动。
控制系统形成闭环控制，通过测量执行机构，即液压缸/液压马达11的被控变量12将其反馈给PID115和PID216，PID115控制旋转电机6旋转运动，PID216控制第一阀芯控制机构9和第二阀芯控制机构10左右位移，从而进一步继续对阀芯2的平动与旋转运动进行修正。
实施例2
第二方面，本申请还公开了一种低能耗高频响的控制阀的控制方法，具体步骤如下：
S1：通过阀体1的第一曲线流道13将油液输入至阀体1的空腔内；
S2：旋转电机6带动阀芯2旋转；
S3：第二阀芯控制机构10通过推动旋转电机6向阀芯2连接有第一阀芯控制机构9的一侧移动；第一阀芯控制机构9推动阀芯2向第二阀芯控制机构10所在一侧移动；油液通过阀芯2靠近第一阀芯控制机构9一侧的第二曲线流道14控制与第二曲线流道14相连通的执行机构运动；
S4：第一阀芯控制机构9通过推动旋转电机6向阀芯2连接有第二阀芯控制机构10的一侧移动；第二阀芯控制机构10推动阀芯2向第一阀芯控制机构9所在一侧移动；油液通过第二曲线流道14控制与第二曲线流道14相连通的执行机构运动。
如图1所示，当需要控制第一曲线流道13左侧的第二曲线流道14，即图中的A口连通的执行机构运动时，首先通过第一阀芯控制机构9推动阀芯2向左移动，第二阀芯控制机构10推动旋转电机6向左移动，第二阀芯控制机构10通过推动旋转电机6从而推动与旋转电机6连接的阀芯2向左移动，同时旋转电机6带动阀芯2绕着电机轴旋转，阀芯2始终移动同时也处于转动状态，阀芯2在整个阀体1内阀芯2与阀座间的静摩擦变为动摩擦，由于动摩擦比静摩擦小很多，阀芯2始终处于微动状态，可克服静摩擦对阀芯2响应速度的影响。
当需要控制第二曲线流道14即B口连通的执行机构运动时，通过第一阀芯控制机构9推动阀芯2向右移动，第二阀芯控制机构10推动旋转电机6向右移动，旋转电机6在第二阀芯控制机构10的向右推动下推动阀芯2向右移动，同时旋转电机6带动阀芯2绕着电机轴旋转，将阀体1内油液通过B口输出至与B口连通的执行机构中推动相应的执行机构执行相应的动作。
上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种低能耗高频响的控制阀，其特征在于，包括阀体，阀体内设置阀芯，阀芯的一端与第一阀芯控制机构连接，另一端与旋转电机的输出轴连接；旋转电机通过电机座上的导轨滑动连接于电机座上；阀体上位于阀芯下方置设置第一曲线流道和第二曲线流道；
所述第一曲线流道上方沿水平方向两侧对称设置有自动调节叶片组；自动调节叶片组包括叶片，叶片底面固定于转轴上，转轴铰接连接于阀体上用以带动叶片相对阀体转动；弹簧一端连接于叶片，另一端固定连接于阀体上。
2.如权利要求1所述的一种低能耗高频响的控制阀，其特征在于，第一阀芯控制机构安装于机座上，机座一端与阀体的一端连接。
3.如权利要求1所述的一种低能耗高频响的控制阀，其特征在于，第一阀芯控制机构一端穿过阀体的一端与阀体内的阀芯的一端连接，控制阀芯的启闭。
4.如权利要求2所述的一种低能耗高频响的控制阀，其特征在于，阀体的另一端与电机座连接，电机座与机座处于同一水平线上。
5.如权利要求1所述的一种低能耗高频响的控制阀，其特征在于，电机座上的导轨与阀芯轴线方向平行设置；电机座上设置有顶盖，旋转电机和导轨均位于顶盖内。
6.如权利要求1所述的一种低能耗高频响的控制阀，其特征在于，导轨的两端分别与电机座的两端连接。
7.如权利要求1所述的一种低能耗高频响的控制阀，其特征在于，第二阀芯控制机构位于旋转电机的输入轴一侧，旋转电机输入轴与第二阀芯控制机构连接。
8.如权利要求1所述的一种低能耗高频响的控制阀，其特征在于，第一曲线流道位于阀体正下方，第二曲线流道设置两处，以第一曲线流道为中心呈对称分布。
9.如权利要求1所述的一种低能耗高频响的控制阀，其特征在于，第一曲线流道的轮廓由抛物线与椭圆曲线进行拟合；第二曲线流道的轮廓由抛物线与抛物线进行拟合。
10.如权利要求7所述的一种低能耗高频响的控制阀的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1：通过阀体的第一曲线流道将油液输入至阀体的空腔内；
S2：旋转电机带动阀芯旋转；
S3：第二阀芯控制机构通过推动旋转电机向阀芯连接有第一阀芯控制机构的一侧移动；第一阀芯控制机构拉动阀芯向第一阀芯控制机构所在一侧移动；油液通过靠近第一阀芯控制机构一侧的第二曲线流道控制与靠近第一阀芯控制机构一侧的第二曲线流道相连通的执行机构运动；
S4：第一阀芯控制机构通过推动旋转电机向阀芯连接有第二阀芯控制机构的一侧移动；第二阀芯控制机构拉动阀芯向第二阀芯控制机构所在一侧移动；油液通过靠近第二阀芯控制机构一侧的第二曲线流道第二曲线流道控制与靠近第二阀芯控制机构一侧的第二曲线流道相连通的执行机构运动。
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