CN1272600A - 高速数字控制比例阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压系统液流方向、流量及压力控制用比例阀。本发明采用多级、组合双向作用数字控制电磁铁组,提高了启动电磁力,本发明通过取消或降低回位弹簧刚度、减少被驱动部件和消除间隙,提高了比例阀响应速度。本发明能耗低、阀体尺寸小、重量轻、成本低,响应性能接近伺服阀,抗污染能力强,在直动方式和大流量情况下可实现对流量或压力的快速向应比例控制(100L/min时为170Hz,300L/min时为100Hz)。

Description

高速数字控制比例阀

本发明涉及一种液压系统液流方向、流量及压力控制用阀技术领域。

液压控制系统通过对执行元件(油缸或马达)中液流的方向、流量和压力的控制，使液压执行机构(油缸或马达)能根据不同作业对象和工作状态的变化，实现特定的位置、速度或力(力矩)的要求。实现液压系统控制的系统主要有三类，一类是简单的开关型控制系统，即由电磁/手动开关型换向阀实现液流方向的控制；第二类是能接受模拟式或数字式信号，使阀的输出流量或压力连续正比地受到控制的电液比例控制系统；第三类是能使压力或流量完全正比于控制输入电流或电压的伺服控制系统。开关型控制系统只能实现液流方向控制，可用于对运动或动力无精度要求的简单液压系统。若需对液压执行机构的速度(转速)或力(力矩)进行精确和/或快速的控制，则需要在进行方向控制的同时，对输出的流量或压力进行精确控制。目前，能满足精确或高速相应要求的控制系统主要是闭环伺服控制系统。但伺服阀10倍于开关阀的价格、对介质过滤精度的极高要求(5μm左右)和较高的阀内压力损失(7Mpa)，使伺服控制系统只能在极为重要的场合得到应用，如航空、航天和军事装备。性能和价格均介于开关型和伺服型控制系统、抗污染能力等同开关型控制系统(25μm)的比例控制系统，能实现对输出流量和压力进行控制，被广泛应用于对精度和相应速度有一定要求的开环或闭环控制。

对于中小流量(50L/min)的比例控制，比例阀一般采用直动式阀芯节流。模拟式比例电磁阀通过控制比例电磁铁通电电流大小，使铁芯在一定电磁力的作用下与压缩回位弹簧并推动阀芯产生与控制电流成比例的位移，当电磁力与弹簧反力和液动力达到平衡时，使比例阀实现一定的流量或压力。由于回位弹簧反力较大，以及阀芯及被驱动部分的质量较大，直动式比例阀的响应速度一般不超过25Hz，流量不大于10L/min。对于流量大于50L/min的控制，一般采用高速比例阀作为先导控制，其系统总响应小于15Hz。随着计算机数字控制技术的不断普及，也产生了相应的数字电液比例控制系统。根据所采用的数控元件，数字电液比例控制系统主要有四种：模拟式比例阀、组合式数字阀、步进式数字阀及高速开关阀。由模拟式比例元件构成的数字控制系统需要进行数模转换，或采用脉宽调制方式进行控制，实际上是一种间接式数字控制；组合式数字阀是由成组的普通电磁阀和压力阀或流量阀组成的数字式压力或流量比例调节阀组，各电磁阀可接受由计算机输出并放大的开关型电压信号。若需实现一定精度的控制，数量众多的电磁阀会使系统的体积过于庞大，成本也难以承受；步进式数字阀由计算机控制的步进电机驱动阀芯运动，实现对阀芯节流开度的控制，该系统因传动环节增多、机械惯量大而响应速度慢(小于10Hz)；由快速开关阀组成的高速比例控制系统一般采用时间比率式脉冲调制来达到控制流量的目的，其响应频率也相对较高(75Hz)，但只能对小流量(小于10L/min)的压力或流量进行调速，所以多用在先导控制部分。

对上述各种液压控制系统的分析可以看出：开关型控制系统不能实现对流量和压力的控制；伺服控制系统因价格高、抗污染能力差，对系统放大电路的零漂等因素也极为敏感，而难以得到广泛应用；而比例控制系统存在的主要问题则是响应速度不够高(响应速度稍高的又流量太小)和难以实现真正意义上的数字化。无论是伺服阀还是现有的比例阀，还无法同时满足液压系统控制高精度、快响应、大流量、抗污染、低成本和数字化的各项要求。此外，比例电磁铁体积较大(电磁铁两端对置)、工作时耗能多(电磁铁工作时持续通电)、发热等问题也对比例电磁阀的应用产生不利影响。

本发明的目的是提出实现液压系统液流方向、流量和压力进行高速数字控制比例阀，使比例阀实现数字化、快响应、高精度、大流量和低成本的综合要求，并通过合理的设计，减小阀体尺寸，降低电磁阀工作能耗、减少发热和提高阀的寿命。

本发明的基本思路是由多组线圈构成数字驱动线圈取代传统单一比例电磁线圈，通过由计算机控制多位数字开关放大器对各绕组线圈进行激磁，各线圈在启动时峰值电磁力的叠加，产生较单一比例电磁铁大的峰值启动推力。其次，集中对称布置的两组数字电磁铁可对铁芯实施推或拉力，实现阀芯回位或定位，从而取消回位弹簧或大大降低原比例电磁阀回位弹簧的刚度。再者，数字电磁铁集中对称布置，可大大降低被驱动部件的质量(减少一侧的铁芯和挺杆)。由于提高了数字比例电磁铁的启动推力、取消或降低了弹簧刚度、减少了被驱动部件，本发明所提出的比例阀可在直动方式下，对大流量的流量或压力实施高速直接数字控制，实现阀体快速开启和实施所期望的比例控制；利用对较少电磁铁组的激磁，还可大大降低阀保持状态下的能耗。

附图是本发明实施例的剖视图。以下结合附图的实施例，详细说明本发明。如图所示，本发明主要由阀体6、阀芯5、传感器1、组合数字电磁铁9和12、非磁性隔离环11、助动挺杆7、阀体左端盖3、活动铁芯10、固定铁芯组8和右端盖14等零件组成。组合数字电磁铁9和12各由四个或四个以上的独立电磁铁组合而成，并相对于铁芯10对称布置在阀体一侧，其间用非导磁材料制成的隔离环11间隔。固定铁芯8由导磁材料和非导磁材料间隔组成，以便构成磁力回路，使各独立绕组在不同通电方向时均可对活动铁芯10产生一定推或拉电磁力；活动铁芯10通过与之连接的挺杆7，用螺纹与阀芯5刚性相连；传感器1安装在阀体6的另一侧的端盖3上，传感器连接杆2通过螺纹与阀芯5相连，传感器1对阀芯5的位移进行精确实时检测；多路接头15与由计算机数字信号驱动的放大电路相连，实现对各电磁铁绕组的开关量激磁控制。刚度较传统比例电磁阀小5倍以上的弹簧4和13用于静止状态下使阀芯5对中。两组数字电磁铁的激磁控制可以是两组、八个电磁铁的不同通电方向、不同排列的通电和不同电流强度的组合，使之产生与液动力和弹簧力相平衡的电磁力。由传感器1和控制器构成局部闭环控制，可实现对阀芯位移的精确控制，从而对液动机流量或压力进行调定，满足不同控制要求。

与现有用于控制的电磁换向阀、伺服阀、比例阀相比，本发明提出的由组合数字电磁阀构成的直动式高速比例阀，可实现真正意义的比例阀直接数字控制，并具有响应快、流量大、控制精度高和节能的独特优点。本发明通过的巧妙构思，将传统单级、单向作用、模拟量控制电磁铁，改为多级、组合双向作用数字控制电磁铁，即提高了阀芯瞬间启动驱动力，又可通过不同绕组的激磁组合，产生强度不同的推或拉力，使之与液动力和较小的弹簧复位力平衡，并通过阀芯位移反馈和局部闭环控制，对阀芯位移量的进行精确控制，从而实现对流量或压力的比例控制。试验表明：在与传统电磁阀总绕组匝数相同的情况下(四个一组的数字电磁铁总匝数与原一侧的比例电磁铁匝数相同)，该组合数字电磁铁能产生较原电磁阀大50％的瞬间启动推力。此外，由于减小了被驱动部分的一侧铁芯、一侧挺杆和部分连接件(总质量减小略三分之一)，大大提高了比例阀的响应速度。流量为100L/min时，阀的响应频率高达170Hz，300L/min时高达100Hz，大大高于传统直动比例阀的流量和响应频率。本发明的高速响应和高精度特性还得益于其阀芯、挺杆和传感器连杆为刚性连接，避免了传统分离电磁阀阀芯与挺杆件存在一定间隙的不足(因安装原因而无法实现阀芯与挺杆的刚性连接)，消除了系统的延迟环节。在液压系统工作期间，阀芯位置的保持可采用较少的组合电磁铁激磁，以减小能耗。试验表明其节能效果十分显著，节能可达1/2以上。此外，尺寸小、重量轻和制作成本较低也是本发明的特点。

由于采用了独特的构思，本发明所提出的高速数字比例电磁阀可采用数字控制方式，实现大流量、高响应的直动式比例控制，其制作成本仅稍高于传统的比例电磁换向阀，但大大低于伺服阀，对液压系统运行条件的要求也不高，是取代部分伺服阀，提升传统比例阀性能，实现大流量、高精密、快响应液压系统控制的新型高速数字控制比例阀。

Claims (5)

1.一种高速数字控制比例阀，由阀体、左右端盖、阀芯、活动铁芯、固定铁芯、阀芯位置传感器、电磁铁、非磁性隔离环、阀芯挺杆等组成，其特征在于电磁铁是由四个或四个以上的独立线圈组合成为数字电磁铁组，各电磁铁绕组可独立控制。

2.如权利要求1所述的高速数字控制比例阀，其特征在于组合数字电磁铁集中布置在阀体的一侧，且只有一个活动铁芯。

3.如权利要求1或2所述的高速数字控制比例阀，其特征在于组合数字电磁铁分为两组，相对于活动铁芯对称布置。

4.如权利要求2或3所述的高速数字控制比例阀，其特征在于回位弹簧的刚度较传统比例电磁阀回位弹簧的刚度小5倍以上。

5.如权利要求2、3或4所述高速数字比例阀，其特征在于阀芯挺杆、活动阀芯和传感器连接杆为刚性连接。