CN114017410B - 一种高耐污超高频响数字液压开关阀及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高耐污超高频响数字液压开关阀及工作方法，该液压开关阀包括电磁励磁单元、电磁球体作动单元及液压通断单元，电磁励磁单元沿电磁球体作动单元轴向外围设置，通过螺帽与电磁球体作动单元相固定，电磁球体作动单元通过固定螺母与液压通断单元相固定；本发明具有结构简单紧凑、制造工艺性好、动作灵敏、寿命长、密封性能好、无运动摩擦力、惯性力小、面积梯度大、动静态性能好且高耐污染能力、超高频率响应等显著优势。

Description

一种高耐污超高频响数字液压开关阀及工作方法

技术领域

本发明涉及一种液压阀，特别是一种具有高耐污、超高频率响应特性的数字液压开关阀及工作方法。

背景技术

传统液压领域的位置与力精确控制通常采用伺服阀、比例阀或开关阀作为主控制元件。其中，伺服阀控制性能最高，但结构复杂，且滑阀式的阀芯阀套对油液清洁度敏感，系统故障率高、能耗大，后期运维要求及成本高；比例阀控制性能次之，较伺服阀结构适中，电气控制系统相对简单且对油液敏感度大大降低，系统工作较为可靠，但维护成本较高；开关阀控制性能较低，通常是采用电磁阀对液压缸的位置或者力进行控制，由于电磁阀的滑阀式结构造成较大的内泄漏，为了实现液压缸的位置或者力闭环控制，必须在液压缸控制回路上设置其他具有通断功能的液压元件，这样造成液压系统复杂；同时，由于电磁阀的响应频率较低，通常为几十甚至上百毫秒，为了实现液压缸的位置或者力闭环的精准控制，还必须在液压缸控制回路上设置其他具有节流功能的液压元件，由于节流元件的差异性及负载的变化，容易导致位置及力控制系统的超调甚至震荡等现象；再者，电磁阀通过电磁线圈的励磁直接驱动衔铁，有衔铁推动阀芯运动，阀体结构复杂。上述因素造成液压控制系统复杂、功耗大且阀的使用寿命短等技术难题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种结构简单紧凑、适应超高频响应动作、高耐污染、低能耗及零泄漏的数字液压开关阀及工作方法，以满足液压系统的位置或者力控制要求。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高耐污超高频响数字液压开关阀，包括电磁励磁单元、电磁球体作动单元及液压通断单元；其中，电磁励磁单元沿电磁球体作动单元轴向外围设置，通过螺帽与电磁球体作动单元相固定，电磁球体作动单元通过固定螺母与液压通断单元相固定。

电磁励磁单元由轭铁、励磁线圈、导磁壳体以及螺帽组成，为整体式结构。其中，励磁线圈置于轭铁与导磁壳体之中。

电磁球体作动单元包括沿轴向设置的导磁套管、非导磁套管、静衔铁、密封球体以及导磁本体，导磁套管设置有第一O形圈；其中，导磁套管一端与非导磁套管一端焊接，非导磁套管另一端与静衔铁焊接，静衔铁一部分置于非导磁套管内；静衔铁与密封球体接触处加工有球形导磁槽，球形导磁槽镀有缓冲镀层，球形导磁槽中部内凹槽中设置有第一弹；导磁本体与密封球体接触处设置有耐磨镀层；

液压通断单元包括阀体和设置在阀体内的阀座，阀座设置有第二O形圈，小球体经第二弹簧并由弹簧座通过螺纹固定在阀座中。其中，阀座与密封球体接触处加工有球形密封槽，球形密封槽镀有密封镀层；阀座与密封球体接触处加工有球形导向槽；

固定螺母套接在导磁本体和阀座端部用于连接电磁球体作动单元与液压通断单元；

阀体端部上方开有主压力油口，阀体内部开有与主压力油口连通的主压力油孔，阀座外周圈开有与主压力油孔连通的通油环，导磁本体内部开有通油环依次连通的通油槽和通油道，静衔铁与密封球体、导磁本体和阀座间形成与通油道连通的密封腔；阀座中部依次开有与密封腔连通的注油孔和通油孔；

阀体端部下方开有次压力油口，阀体内部开有与次压力油口依次连通的次压力油孔和底部油腔；

所述密封球体的两侧加工成平面，密封球体的两侧平面与与导磁本体端部的导磁本体平面间的间隙为非工作气隙；密封球体与静衔铁的缓冲镀层(14)间的间隙为工作气隙。

所述密封球体的材料为导磁材料，两侧加工成平面，密封球体的密封球体两侧平面半径与导磁本体端部的导磁本体导磁半径相等，能实现良好导磁功能的同时，减少漏磁的发生。

所述密封球体中心加工有减重孔，减小球体重量，减小球体的惯性力，提高密封球体的响应时间，实现超高频率响应，解决了“电磁作用力越大反而动衔铁加速度越小”的矛盾。

所述耐磨镀层实现密封球体的超低摩擦力运行，以及防止密封球体与导磁本体的磨损。

所述阀座的材料为非导磁合金材料。

所述导磁本体、静衔铁的材料为软磁材料。

所述非导磁套管采用非导磁可焊接材料。

所述球形导向槽的球形导向槽球面半径大于密封球体的密封球体半径，其作用是使密封球体在第一弹簧的作用下，沿球形导向槽快速复位，并起自对中作用。

所述密封镀层的密封镀层球面半径与密封球体的密封球体半径相等，且接触部分成环形密封带状结构，保证良好的密封性能的同时，大幅延长密封镀层及密封球体的寿命。

所述静衔铁的缓冲镀层球面半径与密封球体的密封球体半径相等，保证良好的电磁力。所述静衔铁设置的第一弹簧在预紧力作用下，使密封球体压紧在密封镀层的环形密封带上，形成可靠的无泄漏截止功能。

所述本发明电磁稳态时产生的电磁吸力：

式中，μ₀为真空磁导率，N/A²；S为工作气隙截面积，m²；

为漏磁系数；b为工作气隙长度，m；N为线圈匝数；I为电磁铁电流，A。

所述密封球体所受的液动力：

F_s＝2C_vC_dωx_vΔpcosθ

式中，C_v为速度系数，一般取0.95～0.98；C_d为阀口流量系数；ω为面积梯度，m；Δp为阀口压降，P_a；θ为射流角，°；

所述密封球体受力平衡方程式：

式中：F_e为电磁力，F_s为液动力，m为密封球体的质量，kg；B为黏性阻尼系数，Ns/m；K为弹簧刚度，N/m；x₀为工作点处阀芯位移；x_v为阀芯移动位移，m；F_h为液压力。

流经注油孔的油流量：

式中，ρ为油液密度，kg/m³；A为阀开口面积，m²。

本发明的有益技术效果是：

本发明不需要经过D/A转换器就能实现与计算机的直接连接，通过计算机简单的对励磁线圈进行通/断电数字信号的持续控制，直接转换为超高频率的流体脉冲信号，从而实现精准的控制。

由于本发明可动部件采用了球体形式，既作为液压密封部件又作为电磁动力部件，与传统的衔铁-阀芯式电磁阀相比，减少了运动部件数量及质量；同时，密封球体采用中空结构、球形导向槽自对中结构及采用耐磨镀层技术，密封球体质量小，惯性力小、反应灵敏，频响宽；再者，液压通断控制采用了球体密封结构，使用压力高，无内泄漏，可实现位置及力的长时间保持功能，且系统抗污染能力强且结构简单紧凑，同样也降低了电磁系统的功耗。

与传统高速电磁阀相比较，本发明结构简单，价格低廉，且由于运动部件少，运动质量小，响应迅速，可以实现超高频率响应，具有良好的动静态特性。本发明具有结构简单紧凑、制造工艺性好、动作灵敏、寿命长、密封性能好、无运动摩擦力、惯性力小、面积梯度大、动静态性能好且高耐污染能力、超高频率响应等显著优势。

附图说明

图1为高耐污超高频响数字液压开关阀的结构示意图。

图2为图1的C-C剖视结构示意图。

图3为线圈励磁下的高耐污超高频响数字液压开关阀的结构示意图。

图4为图3的D-D剖视结构示意图。

图5为本发明的局部三维结构爆炸示意图。

图6为本发明的局部三维结构反向爆炸示意图。

附图标记为：

1-阀体，2-阀座，3-固定螺母，4-导磁本体，5-轭铁，6-导磁套管，7-密封球体，8-非导磁套管，9-励磁线圈，10-导磁壳体，11-静衔铁，12-螺帽，13-第一弹簧，14-缓冲镀层，15-密封镀层，16-第一O形圈，17-小球体，18-第二弹簧，19-弹簧座，20-第二O形圈，21-耐磨镀层，22-球形密封槽，23-球形导向槽，24-球形导磁槽，25-减重孔，26-主压力油孔，27-通油环，28-通油槽，29-通油道，30-密封腔，31-注油孔，32-通油孔，33-次压力油孔，34-底部油腔，φ-磁力线回路，μ0-工作气隙，μ1-非工作气隙,SR1-密封球体半径，SR2-缓冲镀层球面半径，SR3-密封镀层球面半径，SR4-球形导向槽球面半径，R1-密封球体平面半径，R2-导磁本体导磁半径。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示，一种高耐污超高频响数字液压开关阀，包括由电磁励磁单元、电磁球体作动单元及液压通断单元。其中，电磁励磁单元沿电磁球体作动单元轴向外围设置，通过螺帽12与电磁球体作动单元相固定，电磁球体作动单元通过固定螺母3与液压通断单元相固定。

电磁励磁单元由轭铁5、励磁线圈9、导磁壳体10以及螺帽12组成，为整体式结构。其中，励磁线圈9置于轭铁5与导磁壳体10之中。

电磁球体作动单元包括沿轴向设置的导磁套管6、非导磁套管8、静衔铁11、密封球体7以及导磁本体4，导磁套管6设置有第一O形圈16，其中，导磁套管6右端与非导磁套管8左端焊接，非导磁套管8右端与静衔铁11焊接，静衔铁11一部分置于非导磁套管8内。静衔铁11与密封球体7接触处加工有球形导磁槽24，球形导磁槽24镀有缓冲镀层14，球形导磁槽24中部内凹槽中设置有第一弹簧13；导磁本体4与密封球体7接触处设置有耐磨镀层21。

液压通断单元包括阀体1和设置在阀体1内的阀座2，阀座2设置有第二O形圈20，小球体17经第二弹簧18并由弹簧座19通过螺纹固定在阀座2中。其中，阀座2与密封球体7接触处加工有球形密封槽22，球形密封槽22镀有密封镀层15；阀座2与密封球体7接触处加工有球形导向槽23。

固定螺母3套接在导磁本体4和阀座2端部用于连接电磁球体作动单元与液压通断单元。

阀体1端部上方开有主压力油口P，阀体1内部开有与主压力油口P连通的主压力油孔26，阀座2外周圈开有与主压力油孔26连通的通油环27，导磁本体4内部开有通油环27依次连通的通油槽28和通油道29，静衔铁11与密封球体7、导磁本体4和阀座2间形成与通油道29连通的密封腔30；阀座2中部依次开有与密封腔30连通的注油孔31和通油孔32。

阀体1端部下方开有次压力油口A，阀体1内部开有与次压力油口A依次连通的次压力油孔33和底部油腔34。

如图2所示，所述密封球体7的两侧加工成平面，密封球体7的两侧平面与与导磁本体4端部的导磁本体平面间的间隙为非工作气隙μ1；密封球体7与静衔铁11的缓冲镀层14间的间隙为工作气隙μ0。

如图5所示，所述密封球体7为导磁材料，两侧加工成平面，密封球体7的密封球体两侧平面半径R1与导磁本体4端部的导磁本体导磁半径R2相等，能实现良好导磁功能的同时，减少漏磁的发生。

所述密封球体7中心加工有减重孔25，减小球体重量，减小球体的惯性力，提高密封球体7的响应时间，实现超高频率响应，解决了“电磁作用力越大反而动衔铁加速度越小”的矛盾。

所述耐磨镀层21实现密封球体7的超低摩擦力运行，以及防止密封球体7与导磁本体4的磨损。

所述阀座2为非导磁合金材料。

所述导磁本体4、静衔铁11为软磁材料。

所述非导磁套管8采用非导磁可焊接材料。

如图5所示，所述球形导向槽23的球形导向槽球面半径SR4大于密封球体7的密封球体半径SR1，其作用是使密封球体7在第一弹簧13的作用下，沿球形导向槽23快速复位，并起自对中作用。

如图5所示，所述密封镀层15的密封镀层球面半径SR3与密封球体7的密封球体半径SR1相等，且接触部分成环形密封带状结构，保证良好的密封性能的同时，大幅延长密封镀层15及密封球体7的寿命。

如图6所示，所述静衔铁11的缓冲镀层球面半径SR2与密封球体7的密封球体半径SR1相等，保证良好的电磁力。所述静衔铁11设置的第一弹簧13在预紧力作用下，使密封球体7压紧在密封镀层15的环形密封带上，形成可靠的无泄漏截止功能。

本发明由于可动部件采用了密封球体形式，既作为液压密封部件又作为电磁动力部件，与传统的衔铁-阀芯式电磁阀相比，减少了运动部件数量及质量；同时，密封球体采用中空结构、球形导向槽自对中结构及采用耐磨镀层技术，密封球体质量小，惯性力小、反应灵敏，频响宽；再者，液压通断控制采用了球体密封结构，使用压力高，无内泄漏，可实现位置及力的长时间保持功能，且系统抗污染能力强且结构简单紧凑，同样也降低了电磁系统的功耗。

与传统高速电磁阀相比较，本发明结构简单，价格低廉，且由于运动部件少，运动质量小，响应迅速，可以实现超高频率响应，具有良好的动静态特性。本发明具有结构简单紧凑、制造工艺性好、动作灵敏、寿命长、密封性能好、无运动摩擦力、惯性力小、面积梯度大、动静态性能好且高耐污染能力、超高频率响应等显著优势。

本发明的工作原理如下：

如图1和图4所示，当励磁线圈9失电时，主压力油液从主压力油口P进入主压力油孔26、通油环27、通油槽28、通油道29进入密封腔30，由于密封球体7在第一弹簧13的预紧力作用下压紧在球形密封槽22的密封镀层15的环形密封带上，所以主压力油液被密封在密封腔30，从而实现与次压力油口A的无泄漏截止功能。同时次压力油液从次压力油口A经次压力油孔33进入底部油腔34，由于小球体17在第二弹簧18的预紧力作用下压紧在阀座2上，所以次压力油液被密封在底部油腔34，从而实现与主压力油口P的无泄漏截止功能。即主压力油液与次压力油液实现了双向无泄漏截止功能。

如图2、图3、图4、图5和图6所示，当励磁线圈9通电时，产生的磁力回路φ经导磁壳体10、轭铁5、导磁套管6、导磁本体4、非工作气隙μ1、密封球体7、工作气隙μ0由静衔铁11进入导磁壳体10形成闭环磁通；密封球体7在与静衔铁11的磁力回路φ形成的电磁力作用下，克服第一弹簧13的预紧力，向球形导磁槽24方向运动，直至与缓冲镀层14相接触。在密封球体7离开球形密封槽22的密封镀层15过程中，主压力油液从密封腔30进入注油孔31、通油孔32后推动小球体17克服第二弹簧18的预紧力注入底部油腔34，并经次压力油孔33进入次压力油口A，从而实现了主压力油液到次压力油液的流通功能，同时由于次压力油液在小球体17在第二弹簧18的预紧力作用下压紧在阀座2上，所以次压力油液被密封在底部油腔34，从而实现主压力油液到次压力油液的单向流通功能。

本发明不需要经过D/A转换器就能实现与计算机的直接连接，通过计算机简单的通/断电数字信号的持续控制，以及运用强大的数据处理和构建有逻辑性的控制数据策略，直接转换为超高频率的流体脉冲信号，从而实现精准的控制。

本发明借助在油口P和油口A之间的超高频率快速接通和快速关闭功能，可以实现液压领域位置及力的精准控制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (8)

1.一种高耐污超高频响数字液压开关阀，其特征在于：包括电磁励磁单元、电磁球体作动单元及液压通断单元；其中，电磁励磁单元沿电磁球体作动单元轴向外围设置，通过螺帽(12)与电磁球体作动单元相固定，电磁球体作动单元通过固定螺母(3)与液压通断单元相固定；

电磁励磁单元由轭铁(5)、励磁线圈(9)、导磁壳体(10)以及螺帽(12)组成，为整体式结构；其中，励磁线圈(9)置于轭铁(5)与导磁壳体(10)之中；

电磁球体作动单元包括沿轴向设置的导磁套管(6)、非导磁套管(8)、静衔铁(11)、密封球体(7)以及导磁本体(4)，导磁套管(6)设置有第一O形圈(16)；其中，导磁套管(6)一端与非导磁套管(8)一端焊接，非导磁套管(8)另一端与静衔铁(11)焊接，静衔铁(11)一部分置于非导磁套管(8)内；静衔铁(11)与密封球体(7)接触处加工有球形导磁槽(24)，球形导磁槽(24)镀有缓冲镀层(14) ，球形导磁槽(24)中部内凹槽中设置有第一弹簧(13)；导磁本体(4)与密封球体(7)接触处设置有耐磨镀层(21)；

液压通断单元包括阀体(1)和设置在阀体(1)内的阀座(2)，阀座(2)设置有第二O形圈(20)，小球体(17)经第二弹簧(18)并由弹簧座(19)通过螺纹固定在阀座(2)中；其中，阀座(2)与密封球体(7)接触处加工有球形密封槽(22)，球形密封槽(22)镀有密封镀层(15)；阀座(2)与密封球体(7)接触处加工有球形导向槽(23)；

固定螺母(3)套接在导磁本体(4)和阀座(2)端部用于连接电磁球体作动单元与液压通断单元；

阀体(1)端部上方开有主压力油口(P)，阀体(1)内部开有与主压力油口(P)连通的主压力油孔(26)，阀座(2)外周圈开有与主压力油孔(26)连通的通油环(27)，导磁本体(4)内部开有与通油环(27)依次连通的通油槽(28)和通油道(29)，静衔铁(11)与密封球体(7)、导磁本体(4)和阀座(2)间形成与通油道(29)连通的密封腔(30)；阀座(2)中部依次开有与密封腔(30)连通的注油孔(31)和通油孔(32)；

阀体(1)端部下方开有次压力油口(A)，阀体(1)内部开有与次压力油口(A)依次连通的次压力油孔(33)和底部油腔(34)；

所述密封球体(7)的两侧加工成平面，密封球体(7)的两侧平面与导磁本体(4)端部的导磁本体平面间的间隙为非工作气隙(μ1)；密封球体(7)与静衔铁(11)的缓冲镀层(14)间的间隙为工作气隙(μ0)；

所述密封球体(7)为球体结构，中心加工有减重孔(25)，减小球体重量，减小球体的惯性力，提高密封球体(7)的响应时间，实现超高频率响应；

所述密封球体(7)的材料为导磁材料。

2.根据权利要求1所述的高耐污超高频响数字液压开关阀，其特征在于：所述密封球体(7)的密封球体两侧平面半径R1与导磁本体(4)端部的导磁本体导磁半径R2相等。

3.根据权利要求1所述的高耐污超高频响数字液压开关阀，其特征在于：所述密封镀层(15)的密封镀层球面半径SR3与密封球体(7)的密封球体半径SR1相等，且接触部分成环形密封带状结构。

4.根据权利要求1所述的高耐污超高频响数字液压开关阀，其特征在于：所述球形导向槽(23)的球形导向槽球面半径SR4大于密封球体(7)的密封球体半径SR1，密封球体(7)在第一弹簧(13)的作用下，沿球形导向槽(23)自对中运动。

5.根据权利要求1所述的高耐污超高频响数字液压开关阀，其特征在于：所述静衔铁(11)的缓冲镀层球面半径SR2与密封球体(7)的密封球体半径SR1相等，具有良好的电磁力。

6.根据权利要求1至5任一项所述的高耐污超高频响数字液压开关阀，其特征在于：所述阀座(2) 的材料为非导磁合金材料，所述导磁本体(4)、静衔铁(11) 的材料为软磁材料，所述非导磁套管(8)采用非导磁可焊接材料。

7.权利要求1至6任一项所述的高耐污超高频响数字液压开关阀的工作方法，其特征在于：当励磁线圈(9)失电状态下，主压力油液从阀体(1)端部的主压力油口(P)进入主压力油孔(26)、通油环(27)、通油槽(28)、通油道(29)进入密封腔(30)，由于密封球体(7)在第一弹簧(13)的预紧力作用下压紧在球形密封槽(22)的密封镀层(15)的环形密封带上，所以主压力油液被密封在密封腔(30)，从而实现与次压力油口(A)的无泄漏截止功能；同时次压力油液从次压力油口（A)经次压力油孔(33)进入底部油腔(34)，由于小球体(17)在第二弹簧(18)的预紧力作用下压紧在阀座(2)上，所以次压力油液被密封在底部油腔(34)，从而实现与主压力油口(P)的无泄漏截止功能；即主压力油液与次压力油液实现了双向无泄漏截止功能；

当励磁线圈(9)通电状态下，产生的磁力回路φ经导磁壳体(10)、轭铁(5)、导磁套管(6)、导磁本体(4)、非工作气隙(μ1)、密封球体(7)、工作气隙(μ0)由静衔铁(11)进入导磁壳体(10)形成闭环磁通；密封球体(7)在与静衔铁(11)的磁力回路φ形成的电磁力作用下，克服第一弹簧(13)的预紧力，向球形导磁槽(24)方向运动，直至与缓冲镀层(14)相接触；在密封球体(7)离开球形密封槽(22)的密封镀层(15)过程中，主压力油液从密封腔(30)进入注油孔(31)、通油孔(32)后推动小球体(17)克服第二弹簧(18)的预紧力注入底部油腔(34)，并经次压力油孔(33)进入次压力油口(A)，从而实现了主压力油液到次压力油液的流通功能，同时由于次压力油液在小球体(17)在第二弹簧(18)的预紧力作用下压紧在阀座(2)上，所以次压力油液被密封在底部油腔(34)，从而实现主压力油液到次压力油液的单向流通功能。

8.根据权利要求7所述的高耐污超高频响数字液压开关阀的工作方法，其特征在于：借助数字液压开关阀在主压力油口(P)和次压力油口(A)之间的超高频率快速接通和快速关闭功能，实现液压领域位置及力的精准控制。

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