CN115978218B - 一种高速流体滑阀 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压滑阀或者气动滑阀技术领域，具体涉及一种高速流体滑阀，包括阀体、第一端盖、第二端盖和阀芯；阀体沿轴向依次设有第一进口、出口和第二进口；第一进口靠近阀体的第一端部；第二进口靠近阀体的第二端部；阀芯的第一端部为圆柱形，中部设有第一凸肩，第二端部设有第二凸肩；阀芯位于阀体内部与阀体配合；第一端盖与阀体第一端部连接，设有第一控制口；第二端盖与阀体第二端部连接；高速流体滑阀内部设有第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室；第一凸肩正对出口时，出口关闭。本发明具有阀体重量小，换向速度快，内泄量小，能量效率高，易加工，成本低，受力简单，阀芯不易断裂的优点。

Description

一种高速流体滑阀

技术领域

本发明属于液压滑阀或者气动滑阀技术领域，具体涉及一种高速流体滑阀。

背景技术

高速流体滑阀应用范围很广泛，如液压或气动元件中用来改变液流方向或者压力。高速流体滑阀的性能直接决定了其所应用的主机的性能参数。特别对于需要进行高速动作的设备，高速流体滑阀的换向时间直接决定了整个设备的反应速度与最大输出功率。

流体动力行业正在向高速动作、快速切换的技术方面发展。常用换向阀开关时间受到阀芯的运动延时，电路的延时，磁滞延时三大因素影响，难以提高换向速度，常见的阀开启时间与关闭时间常在30-120ms之间，每小时开关次数在7200次到15000次之间。而用于一些高速换向的产品中往往需要2ms以下的换向时间，20Mpa的工作压力及100升每分以上的瞬时流量，每小时的开关次数要在180000次到360000次，是传统滑阀式换向阀的25倍左右。

传统滑阀受结构限制，如图1所示，阀芯上会有多个密封配合面其中有10个配合面，11个腔室，其中高压源两个(P1’)，低压源一个(P2’)，出口两个(O1’和O2’)，控制源两个(S1’和S2’)。不同的腔室会通有不同压力与流向的流体，这些流体的压力、粘性力和液动力作用于阀芯上，并通过阀芯的运动，与阀体上的结构相配合，将相邻的不同的腔室受控地连接与通断。通过这种方式，控制输出流体的压力或者流向。常用的流体控制一般可将需要控制的腔室分为四种，分别为高压源(P)，低压源(T)，出口(O)，信号源(S)。阀芯受信号源的控制产生位移，位移过程中分别将高压源或低压源与出口相连，或者断开，实现控制目的。

高速流体滑阀设计时最重要的两个参数是换向时间与最大可用流量。

阀芯的运动符合以下规律：

F在实际应用时会有波动，不是恒定值，需要联立多个偏微分方程才能求解。但为便于理解，将F视为恒定时，上两个公式可简化为：

F:做用于阀芯上的外力，包括流体的压力、粘性阻力和液动力，滑动阻力，弹簧力，机械动力等；

m:阀芯的质量；

S:阀芯开启与关闭所需的行程；

t:阀芯开启与关闭所需的时间；

v:阀芯移动的速度；

由公式(3)可见，阀换向时间由阀芯质量，切换行程与其驱动力三个因素所决定。减少行程、减小阀芯质量与增大阀芯驱动力都可以减少换向时间，提高换向频率。

而阀的最大流量主要受到阀芯的直径，阀芯的开口长度，和阀口上的压力差影响。增加以上三项均可以增加阀的最大流量。阀的内泄漏量主要受阀芯间隙、直径、偏心率、液体粘度、压力差的影响。以上几项增加时，泄漏量增加，而重合长度增加时，泄漏量会减少。因此增加开口长度与重合长度会增加阀的流量，且减少阀的泄漏量，但会增加阀的行程，且增加阀的长度。阀的长度增加后阀芯的质量也会增加，质量与行程的增加都会导致换向时间加长，因此提高流量与提高换向时间是互相矛盾的。

而传统阀芯，加工制造困难，配合面多。且较多的密封配合面会有较多的腔室这些腔室中有些在高速流体滑阀各种不同的切换过程中，是始终连在一起的，称为平衡腔。较多的密封配合面、腔室和平衡腔会导致如下问题：1、阀芯的重量重，长度长，最后导致高速流体滑阀换向速度慢。且由于高速流体滑阀动作时有多个腔动作，不同腔室之间事实上还有另外的油路相通，所以油液除了做功之外，还有内部流动，且内部油流的流动速度与阀芯的换向速度相比更高，进一步增加了阻力，降低了换向速度，降低了能量效率。2、阀芯的结构复杂，阀芯一旦速度加快后，其受到的惯性力与碰撞的冲击力均加大，导致在高频快速换向时发生阀芯应力过大，开裂甚至断裂的情况。3、由于密封配合面较多，在工作时，流体在压力差的作用下，经过配合面的间隙，从一腔泄漏到另一腔的机会多，内泄量大，导致应用些阀的设备能量效率降低。4、由于有多个密封配合面，会成倍增加加工的工作量，增加阀体与阀芯的制造成本，导致高速流体滑阀加工困难，对阀体与阀芯的同轴度要求高。5、由于使用过程中受力复杂，应力水平高，阀在使用过程中难免出现磨损的情况，阀的使用寿命短。6、由于结构非常复杂，出于对尺寸及重量的限制，阀密封配合面和两端配合面的宽度小，导致进一步加大了内泄量，导致了能量效率的降低。传统阀芯已严重影响整机性能的提升。如果不改变阀芯结构，是无法同时实现高流量与短换向时间的。

参考文献(Wang H,Chen Z,Huang J,et al.Development of High-Speed On-OfValves and Their Applications[J].中国机械工程学报:英文版,2022,35(4):21)给出了目前先进的流体高速开关阀的性能数据，可以看出，大流量和快的换向速度很难同时实现，现有的高速流体滑阀还不能同时满足2ms以下的换向时间和大的流量要求，限制了液压行业的发展。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种高速流体滑阀，阀体重量小，换向速度快，流量高。

为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：

一种高速流体滑阀，包括阀体、第一端盖、第二端盖和阀芯；

所述阀体沿轴向依次设有第一进口、出口和第二进口；所述第一进口靠近阀体的第一端部；所述第二进口靠近阀体的第二端部；

所述阀芯的第一端部为圆柱形，中部设有第一凸肩，第二端部设有第二凸肩；阀芯位于阀体内部与阀体配合；

所述第一端盖与阀体第一端部连接，设有第一控制口；

所述第二端盖与阀体第二端部连接；

所述高速流体滑阀内部设有依次排布的与所述第一控制口连通的第一腔室、与第一进口连通的第二腔室、与第二进口连通的第三腔室和位于阀芯第二端部的第四腔室；

第一凸肩正对所述出口时，出口关闭。

优选的，所述第一凸肩的直径大于所述第二凸肩。

优选的，所述第二凸肩的直径大于所述第一端部的直径。

优选的，所述第二凸肩与所述阀体的第二端部配合；所述第一凸肩与阀体的中部配合；所述第二端盖与阀体第二端部的内壁固定连接。

优选的，所述第一腔室位于第一端盖内部；第一腔室与所述第一控制口沿轴向设置，第一腔室直径大于第一控制口，第一端盖与所述阀体的内壁固定连接。

优选的，所述第一进口为斜孔，第一进口向所述第一凸肩倾斜；所述第二进口为斜孔，第二进口向所述第一凸肩倾斜。

优选的，所述第一进口、出口和第二进口均为全周开口。

优选的，所述第二端盖设有与所述第四腔室连通的第二控制口。

优选的，所述阀芯的第二端部沿轴线设有孔一以及连通所述第二腔室和所述孔一的孔二。

优选的，所述阀芯位于中位时的左侧行程大于右侧行程。

本发明的有益效果：

本发明提供的阀芯仅有三个配合密封面(M1-M3)，阀芯结构简单，对应的只有四个独立的腔室(C1-C4)，阀体重量小，换向速度快，流量大，实现高速开关，内泄量小，能量效率高，易加工，成本低，使用简单，受力简单，阀芯不易断裂，能够提高执行机构的工作频率，解决了现有阀芯质量大、密封配合面多、平衡腔引起的换向速度慢、难加工、成本高、使用过程中应力高、受力复杂、故障率高、能量效率低、寿命短的问题。

附图说明

图1为现有技术中滑阀阀芯的示意图；

图2为本发明提供的阀芯的示意图；

图3为本发明提供的高速流体滑阀的示意图；

图4为本发明提供的高速流体滑阀的爆炸图；

图5为本发明提供的阀芯与阀体的配合示意图；

图6为本发明提供的阀芯输出低压流体的示意图；

图7为本发明提供的阀芯输出高压流体的示意图；

其中，

1为第一端盖；2为阀芯；3为阀体；4为第二端盖；

M1为第二凸肩；M2为第一凸肩；M3为阀芯的第一端部；

K1为孔一；K2为孔二；

C1为第一腔室；C2为第二腔室；C3为第三腔室；C4为第四腔室；

P1为第一进口；O为出口；P2为第二进口；S1为第一控制口；S2为第二控制口。

具体实施方式

下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

一种高速流体滑阀，参见图2、图3及图4，包括阀体3、第一端盖1、第二端盖4和阀芯2；阀体3为圆筒形，沿轴向依次设有第一进口P1、出口O和第二进口P2；第一进口P1靠近阀体3的第一端部；第二进口P2靠近阀体3的第二端部；阀芯的第一端部M3为圆柱形，中部设有第一凸肩M2，第二端部设有第二凸肩M1；阀芯2位于阀体3内部与阀体3配合；第一端盖1与阀体3第一端部固定连接，设有第一控制口S1；第二端盖4与阀体3第二端部固定连接；高速流体滑阀内部设有依次排布的与第一控制口S1连通的第一腔室C1、与第一进口P1连通的第二腔室C2、与第二进口P2连通的第三腔室C3和位于阀芯2第二端部的第四腔室C4。第一凸肩M2正对出口O时，出口O关闭。

本发明提供的阀芯仅有三个配合密封面M1-M3，阀芯结构简单，无单独的出口腔，出口处对应的阀芯位置是没有腔体的，对应的只有四个独立的腔室(C1-C4)，大大减小了阀体重量小，换向速度快，实现高速开关。本发明相比现有技术，增大了三个配合密封面M1-M3与阀体的密封距离(L、L₁和L₂)，减小了在高压下的流体泄露。同时，参见图6及图7，由于增大了三个配合密封面M1-M3与阀体的密封距离，还可以在具有较大的密封距离Z_c的同时具备较大的开口Z₀，实现大流量输出。因此，本发明通过减小密封配合面、增大密封距离同时实现了换向速度快与大流量输出。优选S为5-15mm，L₁与L₂为5-20mm。阀芯总行程S为3-10mm。

本发明提供的阀芯同时还具有内泄量小，能量效率高，易加工，成本低，使用简单，受力简单，阀芯不易断裂的优点。

在本发明的可选实施例中，参见图5，第一凸肩M2的直径D₂大于第二凸肩M1的直径D，第二凸肩M1的直径D大于阀芯的第一端部M3的直径D₁。本发明提供的阀芯结构不对称，各配合面直径均不同，使其产生差动作用力，驱动阀芯动作，进一步加快阀芯的换向速度。第一凸肩M2、第二凸肩M1、阀芯的第一端部M3的直径为5-40mm。在本发明的可选实施例中，参见图3及图5，第二凸肩M1与阀体3的第二端部配合；第一凸肩M2与阀体3的中部配合；第二端盖4与阀体3第二端部的内壁固定连接。

在本发明的可选实施例中，参见图3及图5，第一腔室C1位于第一端盖1内部；第一腔室C1与第一控制口S1沿轴向设置，第一腔室C1直径大于第一控制口S1，第一端盖1与阀体3的内壁固定连接。

在本发明的可选实施例中，参见图3，第一进口P1为斜孔，第一进口P1向第一凸肩M2倾斜。第二进口P2为斜孔，第二进口P2向第一凸肩M2倾斜。第一凸肩M2两侧面为流线型。第二凸肩M1靠近第一凸肩M2的侧面为流线型。阀芯采用流线外形，结合第一进口P1、第一进口P2为斜孔的设计，能够大大降低流体的阻力，延长阀芯寿命。

在本发明的可选实施例中，参见图3及图4第一进口P1、出口O和第二进口P2均为全周开口。

在本发明的可选实施例中，第一进口P1与低压源相连；第二进口P2与高压源相连。

在本发明的可选实施例中，参见图5，第二端盖4设有与第四腔室C4连通的第二控制口S2。通过第二控制口S2控制第四腔室C4的压力。

在本发明的可选实施例中，参见图3，阀芯2的第二端部沿轴线设有的孔一K1以及连通第二腔室C2和孔一K1的孔二K2。孔一K1的孔二K2将第二腔室C2与第四腔室C4连通，通过第一进口P1控制第四腔室C4的压力，可以缩短油路长度，减轻阀芯质量。也可将第一进口P1通过孔一K1的孔二K2、第四腔室C4与第二控制口S2连通。

在本发明的可选实施例中，参见图3，阀芯2位于中位时的左侧行程x₁大于右侧行程x₃。

只有一个控制口时，第一控制口与控制源相连。流经第一控制口的流体将压力作用于阀芯的左端面，给阀芯一个向右的力。当该力大于其它作用力时，阀芯会向右侧滑动，使出口与低压源相连通(图6)，整个高速流体滑阀输出低压。当该力小于其它作用于阀芯上的力时，阀芯会向图中左侧滑动，使出口与高压源连通，整个高速流体滑阀输出高压(图7)。在换向过程中，阀芯左右两端会与第一端盖、第二端盖接触，第一端盖、第二端盖限制阀芯的行程。

对阀芯进行受力分析：

阀芯在换向的过程中受到的流体压力为，其中向左为正，向右为负：

F_P＝F_s1+F_P1+F_P2+F_s2 (5)

其中，F_s1为第一腔室C1内流体对阀芯的作用力；P_s1为第一腔室C1内流体压力；F_P1为第一进口P1流入的流体对阀芯的作用力；P_P1为第一进口P1流入的流体压力；F_P2为第二进口P2流入的流体对阀芯的作用力；P_P2为第二进口P2流入的流体压力；F_S2为第四腔室C4内流体对阀芯的作用力；P_S2为第四腔室C4内流体的压力；F_P为阀芯受到的总作用力；

由式5可知，通过阀芯四个端口流体压力的变化，可推动阀芯向左或向右移动，来改变输出流体的流向。

在图5中展示了一种实际的应用方式，该应用中由于第一进口P1与第二控制口S2口在阀芯2内部通过孔一K1的孔二K2相接通，由于第四腔室C4直接与第二控制口S2相通，且第一进口P1在阀上的孔道及其它外部管路直接与T口相通，因此这第一进口P1，第二腔室C2，孔一K1，孔二K2，第二控制口S2，第四腔室C4几处压力在工作时近似相等，可近似为0。此时第四腔室C4起到平衡腔的作用，可避免阀芯运动时受到此腔的容积波动产生的阻滞力，降低阀芯的运动速度。当阀芯左右运动时，第四腔室C4的容积会变大或者变小，此时可通过油道孔一K1，孔一K2从第二腔室C2处注入或者流出流体，以保持第四腔室C4腔的压力。这时，公式5可进一步简化为：

P_P1＝P_s2＝P_T≈0

由此式及附图可知，当第二进口P2与高压源相接时，第二进口P2流入的流体通过D₂与D间的面积差始终给阀芯一个向左的力，而第一控制口S1的压力通过D₁的面积始终给阀芯一个向右的力。本发明提供的阀芯结构不对称，各配合面直径均不同，使其产生差动作用力，驱动阀芯动作，进一步加快阀芯的换向速度。图3与图5展示了阀芯位于中位时的状态，当阀芯位于中位左侧时，出口O与第二进口P2相连，此时第二进口P2流入的高压油流向出口O。因此第二进口P2流入的高压油除了给阀芯提供向左的驱动力外还向出口O提供高压油源。而当阀芯位于中位右侧时，出口O与第一进口P1相连。如果第一进口P1的油压大于出口O的油压，那么流体会从第一进口P1流向出口O，直到两侧压力相等为止。反之，那么流体会从出口O流向第一进口P1，直到两侧压力相等为止。

由原理图(5-7)可知，阀芯的行程、直径、泄漏量、阀芯移动一次需要的能量与最大流量间存在如下关系：

S＝x₁+x₃ (7)

Z₀＝x₃+Δ (8)

Z_c＝x₃-Δ (9)

S为阀芯的总行程；

x₁为阀芯的左侧行程，以中位为0；

x₃为阀芯的右侧行程，以中位为0；

Z₀为阀芯处于右位时阀芯的最大开口长度；

Z_c为阀芯处于右位时阀芯的最大重合长度；

Δ为阀芯处于中位时的开口量，正值表示正开口，负值表示负开口，一般为+0.5mm～-0.5mm之间；

h₀为阀芯和阀体同心时的间隙量；

e为配合间隙内外圆偏心的中心距；

μ为流体的粘度；

Q_l为内泄漏流量；

Q_o为出口O的输出流量；

C_q为流量系数；

ρ为流体密度；

ΔP为流体两端的压力差；

F_re为阀芯移动时的阻力；

E为阀芯换向一次所需能量；

v为阀芯移动的速度；

因此，阀的最大流量主要受到阀芯的直径，阀芯的开口长度和阀口上的压力差影响。增加以上三项均可以增加阀的最大流量。阀的内泄漏量主要受阀芯间隙、直径、偏心率、液体粘度、压力差、最大重合长度的影响。以上几项增加时，泄漏量增加，而重合长度增加时，泄漏量会减少。而本发明大大减小了阀体重量小，换向速度快，实现高速开关。同时增大了三个配合密封面M1-M3与阀体的密封距离(最大重合长度)，具备较大的开口Z₀，实现大流量输出的同时减小了阀的内泄漏量。

高速执行元件在往复运动中往往需要有急回特性，进程与回程速度不一样，两者的差别达到了40％～50％。为了更合理地分配有限的行程，本发明首次提出，根据流量的差异来分配左位与右位的开口长度，使换向阀更合理地与负载匹配。

Z_or为阀芯处于右位时阀芯的最大开口长度；

Z_ol为阀芯处于左位时阀芯的最大开口长度；

Q_or为阀芯处于右位时O口的最大输出流量；

Q_ol为阀芯处于左位时O口的最大输出流量；

由式(13)可知，本发明通过改变x₁、x₃的比例，即可在不改变行程的前提下，改变左位与右位时的最大控制流量。

实施例

设有第二控制口S2，第二腔室C2与第四腔室C4连通，其中，D为18.5mm，D₁为11.5mm,D₂为20mm,L为7mm，L₁与L₂均为15mm，阀芯总行程S为6毫米。

对比例

图1所示的现有阀芯。其中，D为29.5mm，D₁为13mm，L为4mm。

将实施例及对比例应用于XHD11型液压凿岩机，应用见表1：

表1实施例及对比例主要技术参数

从表1可看出，由于本发明阀芯长度短，配合面少，所以阀芯与阀体配合间隙可适当减少。现有结构由于阀芯台阶多，因此中位时各台阶难以对齐，因此需要加大中位的负开口量，以避免中位时高低压短路的现象。本发明中中位仅一个台阶要对齐，因此可减少负开口量。可看出实施例的阀芯结构更加紧凑，阀芯轻、在增大流量的同时实现了加快换向速度，同时具有能量消耗少，能量效率高，油源负载低的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高速流体滑阀，其特征在于，包括阀体(3)、第一端盖(1)、第二端盖(4)和阀芯(2)；

所述阀体(3)沿轴向依次设有第一进口(P1)、出口(O)和第二进口(P2)；所述第一进口(P1)靠近阀体(3)的第一端部；所述第二进口(P2)靠近阀体(3)的第二端部；

所述阀芯(2)的第一端部(M3)为圆柱形，中部设有第一凸肩(M2)，第二端部设有第二凸肩(M1)；阀芯(2)位于阀体(3)内部与阀体(3)配合；所述第一凸肩(M2)的直径大于所述第二凸肩(M1)；所述第二凸肩(M1)的直径大于所述第一端部(M3)的直径；

所述第一端盖(1)与阀体(3)第一端部连接，设有第一控制口(S1)；

所述第二端盖(4)与阀体(3)第二端部连接；

所述高速流体滑阀内部设有依次排布的与所述第一控制口(S1)连通的第一腔室(C1)、与第一进口(P1)连通的第二腔室(C2)、与第二进口(P2)连通的第三腔室(C3)和位于阀芯(2)第二端部的第四腔室(C4)；

第一凸肩(M2)正对所述出口(O)时，出口(O)关闭。

2.根据权利要求1所述的一种高速流体滑阀，其特征在于，所述第二凸肩(M1)与所述阀体(3)的第二端部配合；所述第一凸肩(M2)与阀体(3)的中部配合；所述第二端盖(4)与阀体(3)第二端部的内壁固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种高速流体滑阀，其特征在于，所述第一腔室(C1)位于第一端盖(1)内部；第一腔室(C1)与所述第一控制口(S1)沿轴向设置，第一腔室(C1)直径大于第一控制口(S1)，第一端盖(1)与所述阀体(3)的内壁固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种高速流体滑阀，其特征在于，所述第一进口(P1)为斜孔，第一进口(P1)向所述第一凸肩(M2)倾斜；所述第二进口(P2)为斜孔，第二进口(P2)向所述第一凸肩(M2)倾斜。

5.根据权利要求1所述的一种高速流体滑阀，其特征在于，所述第一进口(P1)、出口(O)和第二进口(P2)均为全周开口。

6.根据权利要求1所述的一种高速流体滑阀，其特征在于，所述第二端盖(4)设有与所述第四腔室(C4)连通的第二控制口(S2)。

7.根据权利要求1所述的一种高速流体滑阀，其特征在于，所述阀芯(2)的第二端部沿轴线设有孔一(K1)以及连通所述第二腔室(C2)和所述孔一(K1)的孔二(K2)。

8.根据权利要求1所述的一种高速流体滑阀，其特征在于，所述阀芯(2)位于中位时的左侧行程大于右侧行程。