CN202056128U

CN202056128U - 先导型水液压数字比例方向阀

Info

Publication number: CN202056128U
Application number: CN2011200562180U
Authority: CN
Inventors: 朱碧海; 贺小峰; 刘银水; 朱玉泉; 何伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-03-04

Abstract

本实用新型公开了一种先导型水液压数字比例方向阀，包括主阀和先导阀，所述先导阀为两个，分别位于主阀左右两侧，并通过端面配合安装在主阀上，其中，所述先导阀包括可变液阻和与其串联的固定液阻，与主阀阀芯端面连通的控制口位于两者之间，通过改变所述可变液阻阻值，改变控制口压力，从而对主阀阀芯进行控制，实现液流方向和流量的控制。本实用新型的比例方向阀采用PCM先导控制，控制简单可靠，精度高，频率高，寿命长，且主阀流量大。先导阀由开关阀和阻尼孔组成，泄露小，抗污染能力和抗干扰能力强，可用于含固体杂质较多的海洋环境。本实用新型的先导阀阀芯由压电陶瓷驱动，并由柔顺机构放大位移，驱动机构结构简单，响应快，寿命长。

Description

先导型水液压数字比例方向阀

技术领域

本实用新型涉及一种液压控制阀，尤其涉及一种比例方向阀。

背景技术

目前，水下作业工具主要是用伺服阀进行控制。伺服阀由力矩马达驱动，控制精度高，但制造精度要求高，价格昂贵，抗污染能力差，维护成本高。伺服阀分为油压伺服阀和水压伺服阀两类。油压伺服阀泄露会造成环境污染，在水下作业系统用于闭式系统，在深海将承受较大的环境压力。水压伺服阀用于开式系统，无需承受环境压力，不会因泄露带来环境污染，但是泄漏严重，不易密封，容易生锈，寿命短。

比例方向阀兼具比例阀和换向阀的功能，既可以控制液流方向，还可以控制流量大小。传统比例方向阀由比例电磁铁驱动，通过杠杆放大机构放大电磁力推动阀芯，阀口开口量的大小与输入的电信号成比例。比例方向阀与伺服阀相比具有结构简单，价格低廉，抗干扰能力强，抗污染能力强的优点，但控制精度比伺服阀低。比例方向阀不能由计算机直接控制，需要进行D/A转化。先导型比例方向阀由主阀(液动双向比例节流阀)和先导阀(双向比例减压阀)两部分组成，流量大。先导型比例方向阀的主阀为负开口(正遮盖)，控制死区大，精度不高；先导阀为滑阀结构，抗污染能力差。比例电磁铁结构复杂，在水下不易密封，容易生锈，寿命短。杠杆放大机构摩擦大，寿命短，响应慢。由于以上缺点，限制了比例方向阀在水下作业系统中的应用。

实用新型内容

为了克服传统比例方向阀控制死区大，精度不高，抗污染能力差，结构复杂，在水下不易密封，寿命短，响应慢以及不能由计算机直接控制的缺点，本实用新型提出一种水液压数字比例方向阀，用于水下作业工具的控制。本实用新型采用零开口三位四通滑阀作为主阀，解决了传统比例方向阀控制死区大，精度不高的问题；采用两组开关阀取代双向比例减压阀，解决了传统比例方向阀抗污染能力差的问题；采用压电陶瓷作为驱动机构，解决了比例电磁铁结构复杂，在水下不易密封的问题；采用柔顺机构取代传统的杠杆放大机构，解决了传统放大机构摩擦大，寿命短，响应慢的问题；采用PCM(脉码调制)控制，解决了传统比例换向阀不能由计算机直接控制的问题。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案为：

一种先导型水液压数字比例方向阀，包括主阀和先导阀，所述先导阀为两个，分别位于主阀左右两侧，并通过端面配合安装在主阀上，所述先导阀包括可变液阻和与其串联的固定液阻，与主阀阀芯端面连通的控制口位于两者之间，通过改变所述可变液阻阻值，改变控制口压力，从而对主阀阀芯进行控制，实现液流方向和流量的控制。

进一步地，所述可变液阻由多个并联的阻尼孔构成，所述可变液阻的阻值变化通过控制所述并联的各阻尼孔的通断实现。

进一步地，所述阻尼孔的通断由开关阀控制。

进一步地，所述开关阀的开闭由计算机输出信号，采用脉码调制(PCM)方式进行控制。

进一步地，所述开关阀包括阀体、开关阀阀芯、压电陶瓷、活塞杆组件和柔顺机构，所述柔顺机构一端固定在阀体上，另一端与开关阀阀芯固连，所述活塞杆安装在压电陶瓷和柔顺机构之间，分别与压电陶瓷和柔顺机构接触，所述压电陶瓷通电后伸长，驱动活塞杆移动，推动柔顺机构变形，从而驱动开关阀阀芯移动，实现对该开关阀的开闭控制。

进一步地，所述的固定液阻为阻尼孔，液流一部分通过控制口后流入主阀阀腔以对主阀阀芯进行控制，其余部分液流通过该阻尼孔后流入主阀回水口。

进一步地，所述的主阀为零开口的三位四通滑阀，O型中位机能，包括主阀阀体、主阀阀套、主阀阀芯、主阀复位弹簧和主阀弹簧座，所述主阀阀套通过过盈配合安装在主阀阀体上，所述主阀阀芯安装主阀阀套内，2个主阀复位弹簧分别安装在主阀阀芯两端，主阀弹簧座安装在主阀复位弹簧外侧且与先导阀阀体为一体结构。

进一步地，所述开关阀还包括开关阀阀套，通过过盈配合安装在先导阀阀体下端，所述开关阀阀芯为锥阀，通过过盈配合安装在所述柔顺机构下端，且开关阀阀芯中心线与开关阀阀套中心线共线。

进一步地，该比例方向阀的工作介质为纯水、高水基溶液或海水。

先导阀包括两组开关阀，两组开关阀结构相同，分别位于主阀两侧。每组开关阀包括多个开关阀，开关阀之间为并联关系，每个开关阀串联一个固定液阻(阻尼孔)然后连接到先导阀控制口外侧。先导阀控制口与主阀弹簧座连通。先导阀控制口内侧再与一个固定液阻(阻尼孔)串联，固定液阻内侧与主阀回水口相连。开关阀包括先导阀阀体、开关阀阀套组件、开关阀阀芯、阀盖、压电陶瓷、活塞杆组件、定位螺钉、柔顺机构和封装壳。封装壳与柔顺机构为一体机构，通过螺钉联接安装在先导阀阀体上端空腔内。压电陶瓷安装在封装壳内，活塞杆安装压电陶瓷和柔顺机构之间，与压电陶瓷端面和柔顺机构接触。定位螺钉安装在先导阀阀体上，与压电陶瓷另一端面接触，通过调节定位螺钉，消除定位螺钉、压电陶瓷、活塞杆和柔顺机构之间的间隙。开关阀阀套组件包括开关阀阀套和固定液阻(阻尼孔)，通过过盈配合安装在先导阀阀体下端。开关阀阀芯为锥阀，通过过盈配合安装在柔顺机构下端，且开关阀阀芯中心线与开关阀阀套中心线共线。初始状态下，开关阀阀芯锥面压在开关阀阀套外侧，实现锥面硬密封。

本实用新型通过主阀阀芯的移动方向和位移量来实现液流换向和流量控制的功能。主阀阀芯的移动方向和位移量由两组先导阀控制口的压力差控制。先导阀的控制和泄油方式为外控内泄或者内控内泄，内控内泄时需要在主阀和先导阀之间加装减压阀。先导阀控制口的压力由先导阀的液阻网络控制，采用PCM(脉码调制)控制。主阀两侧的先导阀的液阻网络均为1个可变液阻与1个固定液阻组成的液压半桥。可变液阻由多个个开关阀和多个个固定液阻(阻尼孔)组成，4个开关阀并联，每个开关阀串联1个固定液阻(阻尼孔)。通过PCM(脉码调制)控制开关阀的开关来控制可变液阻的阻值，从而控制先导阀控制口的压力。压电陶瓷得电输出位移，由柔顺机构放大位移，驱动开关阀阀芯，打开开关阀；柔顺机构是很好的弹性元件，断开电源后，开关阀阀芯在柔顺机构自身的弹力作用下复位，开关阀关闭。

与以往的液压控制阀相比，本实用新型具有以下优点：

1)用高水基溶液、纯水或者海水作为工作介质，对环境无污染，用于开式系统，结构简单；

2)由于采用电液先导控制，主阀芯可移动位移大，阀的流量调节范围大；

3)采用PCM(脉码调制)控制，无需D/A(数模)转换，可以由计算机直接控制，控制方式简单，且不受载波频率限制，频率高；

4)阻尼孔液阻稳定，抗干扰能力强，控制精度高；

5)主阀采用阀芯阀套结构，加工精度高，且为零开口滑阀，没有死区，控制精度高；

6)先导阀采用锥阀结构，抗污染能力强，泄露小；

7)先导阀前置驱动放大机构包括压电陶瓷和柔顺机构，结构简单，响应快，无摩擦，寿命长。

附图说明

图1水液压数字比例方向阀结构图

图2图1的A-A剖视图

图3图1的B-B剖视图

图4图1的左视图

图5图1的C-C剖视图

图6图1的D-D剖视图

图7图1的E-E剖视图

图8阀套结构图

图9图8的F-F剖视图

图10水液压数字比例方向阀原理图

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1～图7是本实用新型的结构图。图中：1-阀盖；2-封装壳；3-先导阀阀体；4-主阀阀体；5-盖板；6-电路板；7-主阀阀套；8-主阀阀芯；9-先导阀阀体；10-封装壳；11-阀盖；12-O型密封圈；13-柔顺机构；14-主阀复位弹簧；15-主阀弹簧座；16-先导阀控制口；17-阻尼孔；18-O型密封圈；19-O型密封圈；20-O型密封圈；21-O型密封圈；22-阻尼孔；23-先导阀控制口；24-主阀弹簧座；25-主阀复位弹簧；26-柔顺机构；27-O型密封圈；28-活塞杆组件；29-压电陶瓷；30-三位四通阀A口；31-三位四通阀B口；32-压电陶瓷；33-活塞杆组件；34-压电陶瓷；35-活塞杆组件；36-活塞杆组件；37-压电陶瓷；38-活塞杆组件；39-压电陶瓷；40-三位四通阀P口；41-三位四通阀T口；42-压电陶瓷；43-活塞杆组件；44-压电陶瓷；45-活塞杆组件；46-活塞杆组件；47-压电陶瓷；48-开关阀阀套组件；49-阻尼孔；50-阻尼孔；51-开关阀阀套组件；52-开关阀阀芯；53-开关阀阀套组件；54-开关阀阀芯；55-开关阀阀芯；56-开关阀阀套组件；57-开关阀阀芯；58-开关阀阀套组件；59-O型密封圈；60-O型密封圈；61-先导阀进水口P_S；62-O型密封圈；63-O型密封圈；64-开关阀阀套组件；65-开关阀阀芯；66-开关阀阀套组件；67-开关阀阀芯；68-开关阀阀芯；69-开关阀阀套组件；70-开关阀阀芯；71-螺钉；72-螺钉；73-螺钉；74螺钉；75-螺钉；76-O型密封圈；77-O型密封圈；78-螺钉；79-O型密封圈；80-O型密封圈；81-螺钉；82-螺钉；83-螺钉；84-螺钉；85-O型密封圈；86-O型密封圈；87-O型密封圈；88-O型密封圈。活塞杆组件由活塞杆和密封圈组成，开关阀阀套组件由先导阀阀套和阻尼孔组成。

参照图1～图7，本实用新型所指的水液压数字比例方向阀包括主阀、先导阀和阀盖。先导阀位于主阀左右两侧。

主阀为零开口三位四通滑阀，中位机能为O型，包括主阀阀体4，主阀阀套7，主阀阀芯8，主阀复位弹簧14、25和主阀弹簧座15、24。主阀阀套7通过过盈配合安装在主阀阀体4上，由主阀阀套7的凸台定位，过盈配合方式定位精确且能实现密封，结构简单。主阀阀芯8安装在主阀阀套7内部，它们之间采用小间隙配合，主阀阀芯8由主阀复位弹簧14、25定位。主阀复位弹簧14、25分别安装在主阀阀芯8和主阀弹簧座15、24之间，分别由主阀弹簧座15、24定位。

左侧先导阀包括多个开关阀(图中为4个)，开关阀之间为并联关系，每个开关阀串联一个阻尼孔，然后连接到先导阀控制口23左侧。先导阀控制口23和主阀弹簧座25连通，先导阀控制口23右侧与一个阻尼孔49串联。阻尼孔49连接到三位四通阀T口41上，实现内泄的功能。先导阀阀盖1通过螺钉71、72、73和74安装在先导阀阀体3左侧，先导阀阀盖1和先导阀阀体3靠O型密封圈27密封。左侧4个开关阀包括封装壳2，柔顺机构26a、26b、26c、26d，压电陶瓷29、47、44、42，活塞杆组件28、46、45、43，定位螺钉89、90、91、92，开关阀阀芯70、68、67、65，开关阀阀套48、69、66、64和电路板6。先导阀阀体3通过螺钉71、72、73、74安装在主阀阀体4左侧。封装壳2通过螺钉75、78、81、82、83、84安装先导阀阀体3上端空腔中，封装壳2和先导阀阀体3之间通过O型密封圈76、77、79、80密封，封装壳2和主阀阀体4之间通过O型密封圈85、86、87、88密封。压电陶瓷29、47、44、42安装在封装壳2内部。活塞杆组件28、46、45、43分别安装在压电陶瓷29、47、44、42左端面。柔顺机构26a、26b、26c、26d与封装壳2为一体结构，柔顺机构26a、26b、26c、26d分别与活塞杆组件28、46、45、43左端面接触。定位螺钉89、90、91、92安装在先导阀阀体3上，定位螺钉89、90、91、92左端面分别与压电陶瓷29、47、44、42右端面紧靠。开关阀阀套48、69、66、64安装在先导阀阀体3下端。开关阀阀芯70、68、67、65为锥阀结构，分别安装在柔顺机构26a、26b、26c、26d下端并与开关阀阀套48、69、66、64共线。由于柔顺机构26a、26b、26c、26d自身具有很好的弹性，开关阀阀芯70、68、67、65的锥面在初始状态下分别压在开关阀阀套48、69、66、64左侧。压电陶瓷得电后，输出位移，并由柔顺机构放大位移，驱动开关阀阀芯运动，打开开关阀；压电陶瓷失电后，开关阀阀芯依靠柔顺机构自身的弹力复位，结构简单，响应快。压电陶瓷两端电压高低及通断由计算机通过电路板6直接控制，无需D/A转化，控制简单可靠。

右侧先导阀与左侧先导阀的结构完全相同，其结构参考上面。

图8～图9为主阀阀套结构图。阀套的控制窗口为矩形窗，则阀口流量与阀芯的位移成线性关系。采用阀套阀芯结构可以提高加工精度，减少泄漏。

图10是本实用新型的原理图。如图10所示，本实用新型通过主阀阀芯的移动方向和位移量来实现液流换向和流量控制的功能。主阀阀芯的移动方向和位移量由左右两侧先导阀控制口的压力差(ΔP＝P₁-P₂)控制。先导阀的控制和泄油方式为外控内泄或者内控内泄，内控内泄时需要在主阀和先导阀之间加装减压阀。主阀为三位四通滑阀，中位机能为O型，采用电液控制方式进行控制，先导阀控制口压力P₁和P₂分别由两组开关阀控制。每组开关阀包括多个开关阀(本图中为4个)，每个开关阀串联一个固定液阻(阻尼孔)，开关阀之间为并联关系，最后再与一个固定液阻(阻尼孔)串联。开关阀组控制的液阻等效于一个可变液阻。一个可变液阻与一个固定液阻组成半桥，通过改变开关阀的开关状态可以改变可变液阻阻值，从而改变控制口压力，由控制口压力P₁和P₂的差值控制主阀芯的位移量，达到控制液流方向和流量的功能。主阀阀芯采用弹簧对中形式对中，其位移量与控制口压差ΔP＝P₁-P₂成正比。每组开关阀控制的液阻阻值与固定液阻阻值比例为1∶2∶4∶8，这样P₁和P₂分别有16种取值，因为P₁和P₂取值的非线性，控制口压差ΔP有231种不同的取值，最大误差为1.2％。

Claims

1.一种先导型水液压数字比例方向阀，包括主阀和先导阀，所述先导阀为两个，分别位于主阀左右两侧，并通过端面配合安装在主阀上，所述先导阀包括可变液阻和与其串联的固定液阻，与主阀阀芯端面连通的控制口位于两者之间，通过改变所述可变液阻阻值，改变控制口压力，从而对主阀阀芯进行控制，实现液流方向和流量的控制。

2.根据权利要求1所述的比例方向阀，其特征在于，所述可变液阻由多个并联的阻尼孔构成，所述可变液阻的阻值变化通过控制所述并联的各阻尼孔的通断实现。

3.根据权利要求2所述的比例方向阀，其特征在于，所述阻尼孔的通断由开关阀控制。

4.根据权利要求3所述的比例方向阀，其特征在于，所述开关阀的开闭由计算机输出信号，采用脉码调制（PCM）方式进行控制。

5.根据权利要求3所述的比例方向阀，其特征在于，所述开关阀包括阀体、开关阀阀芯、压电陶瓷、活塞杆组件和柔顺机构，所述柔顺机构一端固定在阀体上，另一端与开关阀阀芯固连，所述活塞杆安装在压电陶瓷和柔顺机构之间，分别与压电陶瓷和柔顺机构接触，所述压电陶瓷通电后伸长，驱动活塞杆移动，推动柔顺机构变形，从而驱动开关阀阀芯移动，实现对该开关阀的开闭控制。

6.根据权利要求1-5之一所述的比例方向阀，其特征在于，所述的固定液阻为阻尼孔，液流一部分通过控制口后流入主阀阀腔以对主阀阀芯进行控制，其余部分液流通过该阻尼孔后流入主阀回水口。

7.根据权利要求1-5之一所述的比例方向阀，其特征在于，所述的主阀为零开口的三位四通滑阀，O型中位机能，包括主阀阀体、主阀阀套、主阀阀芯、主阀复位弹簧和主阀弹簧座，所述主阀阀套通过过盈配合安装在主阀阀体上，所述主阀阀芯安装主阀阀套内，2个主阀复位弹簧分别安装在主阀阀芯两端，主阀弹簧座安装在主阀复位弹簧外侧且与先导阀阀体为一体结构。

8.根据权利要求3-5之一所述的比例方向阀，其特征在于，所述开关阀还包括开关阀阀套，通过过盈配合安装在先导阀阀体下端，所述开关阀阀芯为锥阀，通过过盈配合安装在所述柔顺机构下端，且开关阀阀芯中心线与开关阀阀套中心线共线。

9.根据权利要求1-5之一所述的比例方向阀，其特征在于，该比例方向阀的工作介质为纯水、高水基溶液或海水。