CN201636104U - 一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀，包括角度位移传感器、旋转音圈电机、电机连接装置、螺旋半桥先导级、阀芯、阀套、阀体、阀芯防转装置、位移传感器敏感面、阀芯位移传感器和控制器。螺旋半桥先导级的螺旋先导控制棒上的螺旋槽与液压放大活塞上的两个通油孔形成液压阻尼半桥，控制器驱动旋转音圈电机转动，驱动螺旋半桥先导级的液压放大活塞运动，驱动阀芯运动，实现伺服阀功能。本实用新型提出的伺服阀与传统的喷嘴挡板或射流先导阀相比，使用的先导级放大系数大，整体结构简单，便于加工和装配，降低了对油液清洁度的要求，提高了伺服阀的工作可靠性。

Description

一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀

技术领域

本实用新型属于液压伺服控制技术领域，具体涉及一种液压半桥螺旋先导伺服阀。

背景技术

在液压伺服控制技术领域，伺服阀是液压伺服控制技术的关键部件，由于液动力的存在，使大流量的液压伺服阀阀芯推动需要很大的作动力，目前的电机械转换器在合理的体积、功率前提下很难直接推动，所以大流量的伺服阀普遍采用液压两级或三级控制。传统的喷嘴挡板或射流管阀采用喷嘴挡板和射流管二级液压放大，解决了大流量阀的设计的问题，但其缺点是加工困难，价格很高，对油液要求高，可靠性低，由于反馈杆刚度的影响，二级喷嘴挡板阀无法实现很大的流量，更大的流量需要采用三级结构，造价更高。

发明内容

本实用新型为了解决现有喷嘴挡板伺服阀工作当中存在的问题，提出了一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀，是一种低成本高性能的新型伺服阀，在很多领域可以替代传统的喷嘴挡板阀，有着很高的实用意义。

本实用新型提出的一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀，由角度位移传感器、旋转音圈电机、电机连接装置、螺旋半桥先导级、阀芯、阀套、阀体、阀芯防转装置、位移传感器敏感面、阀芯位移传感器和控制器组成。

阀芯一端与螺旋半桥先导级的液压放大活塞固连一体，另一端装有滑块，嵌在阀芯防转装置的滑槽中，并且阀芯靠近阀芯防转装置的一端与传感器敏感面非平面的一端固连；所述螺旋半桥先导级的螺旋先导控制棒通过电机连接装置与旋转音圈电机连接；所述旋转音圈电机连接有角度位移传感器；所述阀芯位移传感器固定在阀体的端盖上，与传感器敏感面的平面的一端相对；所述角度位移传感器、旋转音圈电机与阀芯位移传感器都通过电缆与控制器连接；

所述控制器控制旋转音圈电机旋转，驱动螺旋半桥先导级的螺旋先导控制棒旋转，驱动螺旋半桥先导级的液压放大活塞运动，推动阀芯在阀套中滑动。

所述的螺旋半桥先导级的螺旋先导控制棒的一端开有成对对称加工的螺旋槽，与液压放大活塞的活塞杆上两个成一定角度和距离的径向通油孔相交，形成两个弓形面积，构成第一可变节流孔和第二可变节流孔，第一可变节流孔与第二可变节流孔构成可变液压阻尼半桥，螺旋先导控制棒旋转改变两个可变节流孔的面积进而改变液压阻尼半桥的平衡，在液压放大活塞的活塞两侧作用面上形成压差推动液压放大活塞做直线运动，形成角度到位移转换，实现力的放大作用。

本实用新型的优点和积极效果在于：

1.本实用新型提出的伺服阀结构简单，加工难度较低，可以降低生产成本和加工要求。

2.本实用新型提出的伺服阀使用旋转音圈电机驱动，动态性能很高，控制简单。

3.本实用新型提出的伺服阀液压放大梯度大，无限制条件，不会造成动态特性大幅度降低。

4.本实用新型提出的伺服阀降低了对油液清洁度的要求，增大了适应范围，大大提高了伺服阀的工作可靠性。所用的螺旋半桥先导结构液压放大梯度大的螺旋槽和通流孔采用对称加工，具有天然的余度，同时在弓形可变节流孔堵塞的情况下具有自清洁功能，当油液中的微小杂质颗粒堵塞一端可变节流孔的时候，造成该节流孔的通油面积减小，液阻增大，使液压阻尼半桥失去平衡，液压放大活塞在左右两腔的压差推动下向增大阻尼孔面积方向运动，从而迫使油液中的杂质通过节流孔，从而避免被堵塞。

附图说明

图1是本实用新型的伺服阀结构剖视图；

图2是本实用新型的伺服阀底部油口示意图；

图3是螺旋半桥先导级的结构示意图；

图3a是液压螺旋半桥先导级的结构原理图；

图3b是液压螺旋半桥先导级结构的液压放大活塞的结构示意图；

图4是本实用新型实施例阀芯防转装置与阀芯连接的示意图；

图5是本实用新型的伺服阀控制流程图；

图中：

1-角度位移传感器；2-旋转音圈电机；3-电机连接装置；4-螺旋半桥先导级；5-阀芯；6-阀套；7-阀体；8-阀芯防转装置；9-位移传感器敏感面；10-阀芯位移传感器；11-控制油口PA；12-供油口PS；13-控制油口PB；14-回油口PT；15-控制器；41-螺旋先导控制棒；411-螺旋槽；412-周向环槽；42-液压放大活塞；421-活塞；422-第一径向通油孔；423-第二径向通油孔；424-第三径向通油孔；425-中心孔；43-液压放大活塞筒；431-第四径向通油孔；44-第一可变节流孔；45-第二可变节流孔；17-第一容腔；19-第二容腔；501-阀芯靠近阀芯防转装置端的滑块；801-阀芯防转装置的滑槽。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型的伺服阀做进一步详细说明。

一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀，如图1所示，包括角度位移传感器1、旋转音圈电机2、电机连接装置3、螺旋半桥先导级4、阀芯5、阀套6、阀体7、阀芯防转装置8、位移传感器敏感面9、阀芯位移传感器10和控制器15。阀体7的作用是提供油路，如图2所示，阀体7上有四个油口，呈菱形分布，分别是控制油口PA11，供油口PS12，控制油口PB13，回油口PT14。

所述的螺旋半桥先导级4的结构，如图3所示，包括螺旋先导控制棒41、液压放大活塞42、液压放大活塞筒43三个部分，液压放大活塞筒43套在液压放大活塞42的外部，螺旋先导控制棒41在液压放大活塞42的活塞杆中心做往复旋转运动。螺旋先导控制棒41为圆柱形结构，螺旋先导控制棒41的第一端截面上开有轴孔与旋转音圈电机2连接，螺旋先导控制棒41的第二端外表面加工有沿轴向的螺旋槽411和周向环槽412，轴向的螺旋槽411采用成对对称加工，用来平衡螺旋先导控制棒41的径向力，轴向的螺旋槽411和周向环槽412相交。液压放大活塞42主体为一个圆柱形结构的活塞杆，该活塞杆中心加工有中心孔425，活塞杆上带有活塞421，活塞421两侧作用面的面积不相等，作用面面积大侧是作用面面积小侧的2倍，如图3b所示。在活塞421作用面面积小的一侧的液压放大活塞42的活塞杆上加工有第一径向通油孔422，在活塞421作用面的面积大的一侧的液压放大活塞42的活塞杆上加工有第二径向通油孔423与第三径向通油孔424，第一径向通油孔422与第二径向通油孔423分别在螺旋先导控制棒41的轴向的螺旋槽411两侧，与轴向的螺旋槽411各有一定的相交构成第一可变节流孔44和第二可变节流孔45，如图3a所示。液压放大活塞筒43上加工有第四径向通油孔431，连通活塞筒43外侧和活塞腔。

所述的螺旋半桥先导级4的结构原理如图3a所示，活塞筒43与液压放大活塞42在活塞421的作用面面积较小一侧形成第二容腔19，第二容腔19通过第四径向通油孔431连通供油压力PS，第二容腔19通过第一径向通油孔422与中心孔425连通，如图3b所示，在螺旋先导控制棒41装配到中心孔425之后，轴向的螺旋槽411与第一径向通油孔422相交形成弓形的相交面积S 1，构成第一可变节流孔44，活塞筒43与液压放大活塞42在活塞421的作用面面积较大一侧形成第一容腔17，第一容腔17通过第三径向通油孔424与螺旋先导控制棒41上的周向环槽412连通，第一容腔17中的压力P₁等于轴向的螺旋槽411中的压力，第二径向通油孔423和回油压力PT，轴向的螺旋槽411和第二径向通油孔423相交形成弓形面积S₂，构成第二可变节流孔45。第一可变节流孔44和第二可变节流孔45构成液压阻尼半桥结构，通过改变两个可变节流孔的弓形面积S₁与S₂调节可变液压阻尼。

相交的弓形面积S₁与S₂相等时，液压阻尼半桥处于平衡位置，轴向的螺旋槽411中的压力P₁＝(PS-PT)/2，由于液压放大活塞42和液压放大活塞筒43组成的第一容腔17的活塞作用面积等于2倍第二容腔19的活塞作用面积，根据液压推力公式(推力等于压力乘以面积)，作用在活塞421两侧的合力为零，液压放大活塞42处于平衡。当螺旋先导控制棒41旋转时，以螺旋先导控制棒41转动输出为例，如图3a中，从螺旋先导控制棒41左端看去，螺旋槽411的螺旋方向为顺时针，螺旋先导控制棒41顺时针方向转动，将造成螺旋槽411与第二径向通油孔423相交的弓形面积S₂增大，轴向的螺旋槽411与第一径向通油孔422相交的弓形面积S₁减小，根据液压阻尼半桥原理，轴向的螺旋槽411中压力P₁＞(PS-PT)/2，根据液体推力公式，活塞42将受到图中所示向左方向的力，液压放大活塞42将向左运动，液压放大活塞42向左运动将造成轴向的螺旋槽411与第二径向通油孔423相交的弓形面积S₂减小，轴向的螺旋槽411与第一径向通油孔422相交的弓形面积S₁增大，促使液压阻尼半桥重新平衡，液压放大活塞42受到的合力为零，停留在新的位置。此过程实现了螺旋先导控制棒41一定角度对应一定直线位移的目的，通过液压力推动液压放大活塞42运动，实现了液压力放大的目的。

本实用新型所述的伺服阀如图1所示，角度位移传感器1将得到的螺旋先导控制棒41实际转角信息传送给控制器15。电机连接装置3用于连接旋转音圈电机2和螺旋先导控制棒41。旋转音圈电机2能够实现小角度、高动态的摆动控制。螺旋半桥先导级4的液压放大活塞42和阀芯5是固连一体的，液压放大活塞42运动将推动阀芯5运动。阀芯5和阀套6构成常规的滑阀结构。阀芯防转装置8限制了阀芯5的转动自由度，使阀芯5仅可以滑动，本实用新型实施例中采取以下方案：阀芯防转装置8有一滑槽801，阀芯5靠近阀芯防转装置8的一端加工有一个滑块501，滑块嵌在阀芯防转装置8的滑槽801里滑动，如图4所示。位移传感器敏感面9的非平面一端和阀芯5靠近阀芯防转装置8的一端固连。阀芯位移传感器10固定在阀体7的端盖上，使和传感器敏感面9的平面的一端相对，可以感知阀芯5的位移，阀芯位移传感器10将得到的阀芯5的位置信息传递给控制器15。角度位移传感器1、旋转音圈电机2、阀芯位移传感器10与控制器15都是通过电缆连接。

当控制器15驱动旋转音圈电机2旋转一定角度时，驱动螺旋半桥先导级4的螺旋先导控制棒41旋转一定的角度，改变第一可变节流孔44和第二可变节流孔45的面积，导致液压阻尼半桥失去平衡，在活塞421两侧的作用面上形成推力差，推动活塞42运动。

液压放大活塞42和阀芯5是固连一体的，即阀芯5将和液压放大活塞42一体运动，实现在阀套6中滑动，实现伺服阀功能。阀芯5和液压放大活塞42的运动对液压阻尼半桥起负反馈的作用，阀芯5滑动一定距离之后，液压阻尼半桥又重新平衡，阀芯5将停留在这一位置，即螺旋半桥先导级4的一定角度输入对应一定的阀芯5位移。

图5中控制器15采用阀芯位置环控制器和先导转角控制器两个控制器来作闭环控制。仅采用一个闭环控制，如采用阀芯位置环控制器控制闭环或者采用先导转角控制器控制闭环也可实现伺服阀功能。

图5中，x_in表示伺服阀阀芯位置指令，α_in表示通过阀芯位置闭环控制器计算得到的先导控制棒转角指令，U表示控制器的输出电压，x表示阀芯的实际位置，α表示先导控制棒的实际转角位置。控制器15从飞控计算机接收阀芯5的位置指令x_in，与阀芯位移传感器10反馈的阀芯实际位置x比较，得到阀芯位置误差，经过阀芯位置环控制器的闭环控制，得到螺旋先导控制棒41的转角指令α_in，该指令与角度位移传感器1反馈得到的螺旋先导控制棒41实际转角α比较，得到转角误差，经过先导转角控制器的闭环控制得到控制器输出电压U驱动旋转音圈电机2运动，旋转音圈电机2驱动螺旋先导控制棒41运动，完成闭环控制。螺旋先导控制棒41的转角变化改变液压阻尼半桥的平衡，在螺旋半桥先导级4的活塞421两侧作用面产生压差推动液压放大活塞42运动，推动阀芯5运动，实现伺服阀功能。阀芯5的位置改变对液压阻尼半桥起机械负反馈的作用，在阀芯5滑动一定距离之后，先导液压阻尼半桥又重新平衡。

Claims (4)

1.一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀，包括阀芯(5)、阀套(6)、阀体(7)，其特征在于，还包括角度位移传感器(1)、旋转音圈电机(2)、电机连接装置(3)、螺旋半桥先导级(4)、阀芯防转装置(8)、位移传感器敏感面(9)、阀芯位移传感器(10)和控制器(15)；

阀芯(5)一端与螺旋半桥先导级(4)的液压放大活塞固连一体，另一端装有滑块，嵌在阀芯防转装置(8)的滑槽中，并且阀芯(5)靠近阀芯防转装置(8)的一端与传感器敏感面(9)非平面的一端固连；螺旋半桥先导级(4)的螺旋先导控制棒通过电机连接装置(3)与旋转音圈电机(2)连接；旋转音圈电机(2)连接有角度位移传感器(1)；阀芯位移传感器(10)固定在阀体(7)的端盖上，与传感器敏感面(9)的平面的一端相对；角度位移传感器(1)、旋转音圈电机(2)与阀芯位移传感器(10)都通过电缆与控制器(15)连接；

所述控制器(15)控制旋转音圈电机(2)旋转，驱动螺旋半桥先导级(4)的螺旋先导控制棒旋转，驱动螺旋半桥先导级(4)的液压放大活塞运动，推动阀芯(5)在阀套(6)中滑动。

2.根据权利要求1所述的一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀，其特征在于，所述的螺旋半桥先导级(4)的螺旋先导控制棒的一端开有成对对称加工的螺旋槽，与液压放大活塞的活塞杆上成一定角度和距离的第一径向通油孔与第二径向通油孔相交，形成两个弓形面积，构成第一可变节流孔与第二可变节流孔，通过旋转螺旋先导控制棒改变第一可变节流孔和第二可变节流孔的弓形面积，在液压放大活塞上的活塞两侧作用面形成压差推动液压放大活塞做直线运动。

3.根据权利要求1所述的一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀，其特征在于，所述的阀体(7)上有四个油口：控制油口PA、供油口PS、控制油口PB、回油口PT，呈菱形分布。

4.根据权利要求1所述的一种采用旋转音圈电机驱动的液压半桥螺旋先导伺服阀，其特征在于，所述的控制器(15)采用阀芯位置环控制器和先导转角控制器两个控制器中的一个或两个控制器来完成闭环控制。

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