CN208719040U

CN208719040U - 带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维伺服阀

Info

Publication number: CN208719040U
Application number: CN201820768282.3U
Authority: CN
Inventors: 阮健; 何晋飞; 鲁鹏勇; 赵建涛; 刘奎; 孟彬
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2019-04-09
Anticipated expiration: 2028-05-22

Abstract

带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维伺服阀，包括阀体模块、电‑机械转换器模块和位置传感器模块；阀体模块包括一个有阀芯、阀套组成的2D阀，阀芯可转动并可轴向滑动地放置在阀套内的孔内；阀芯30设有五个台肩阀套右端通过连接板与电‑机械转换器模块连接，阀芯与衔铁固连，阀芯右端通过衔铁与电‑机械转换器模块连接；第四台肩右表面设有阻尼活塞，阻尼活塞左侧与与阀套和阀芯合围成有机形成阻尼腔f；阻尼活塞右侧暴露于高压孔b；阻尼活塞与阀套之间有缝隙；电‑机械转换器模块采用力矩马达，弹簧一端与弹簧杆相连，另一端与固定在外壳上的弹簧座相连；位移传感器模块包括LVDT连接杆和LVDT传感器。

Description

带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维伺服阀

技术领域

本实用新型属于流体传动及控制领域中的电液伺服阀，尤其设计一种带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维(2D)伺服阀。

背景技术

插装阀相对于其它连接方式的液压阀，具有许多不可取代的优点如密封可靠、重量轻、易于系统集成、加工改型相对容易等。因此它是液压技术的一个重要的发展方向。

电液伺服阀主要为多级阀结构，一般采用动态响应良好的喷嘴挡板阀、射流管阀作为导阀再加一级滑阀作为主阀的方式，导阀和主阀之间采用反馈杆实现级间反馈。由于其先导级和功率级平行放置，所以无法实现插装。

2D伺服阀利用伺服螺旋机构将阀套与阀芯有机组成，使得阀芯既有先导控制又能进行功率驱动。所以2D伺服阀具有极高功率重量比、体积小，重量仅为常规二级伺服阀的1/3，导控级泄漏小，还具有极高的抗污染能力，非常适用于航天航空对功率密度要求高的工作场合。

由于2D阀芯一体化的结构特点，即先导级和功率级集成在单个 2D阀芯的两个自由度上，同时，力矩马达可以与阀芯同轴安装在阀芯末端，可以进行插装结构设计，从而形成集成度更高的二维插装伺服阀。

传统伺服阀常把回油口开在两台肩两边，并通过阀芯内部通道贯通两个回油腔，但是二维伺服阀此位置被高压通道代替。针对这种情况，本实用新型在阀套中部开设4个均匀分布的回油通道，并与T口相同，其目的是让两个回油腔相连，使得伺服阀只需一个回油口。

2D伺服阀阀芯阻尼较小，当频率升高时，有可能会发生谐振现象。其阻尼比由两部分构成：一是导控级的阻尼比，主要与流量-压力系数成正比；二是主阀阀芯的原始阻尼，与粘性阻尼成正比。如果采用导控级节流，即减少流量增益的方式，确实可以增加系统的阻尼比，但是会造成响应速度变慢和抗污染能力变差的后果。如果采用主阀级间隙流动，给系统增加一个阻尼活塞结构，即增加粘性阻尼来增加系统的阻尼比，这样并不会影响响应速度。但是，粘性阻尼和温度有紧密的联系，随着温度的升高，粘性系数会急剧下降，阻尼也会降低。而航天航空应用领域对阀的工作温度范围要求很高，所以需要对阻尼活塞进行温度补偿，使得阻尼活塞在温度变化的过程中能比较稳定的提供阻尼。

发明内容

本实用新型要克服现有技术的上述缺点，提供一种带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维(2D)伺服阀。

为了进一步发挥2D伺服阀的技术优势，将融合插装结构设计，提高了应用的集成度。并且进一步提高伺服阀的稳定性以及减少温度对阻尼的影响，本实用新型提供一种带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维(2D)伺服阀。它在功率重量比、抗污染能力、集成化应用和工作温度范围大的场合具有极大的优势。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维伺服阀，包括阀体模块、电- 机械转换器模块和位置传感器模块；

阀体模块包括一个有阀芯30、阀套29组成的2D阀，阀芯30可转动并可轴向滑动地放置在阀套29内的孔内；阀芯30从左至右设有第一台肩301、第二台肩302、第三台肩303、第四台肩304、第五台肩305五个台肩；所述阀套29设有B口、P口、A口、T口，其中P 口是进液口，具有系统压力；第二台肩302、第三台肩303分别位于 B口和A口；第五台肩305与同心环功能相似；各台肩在阀体内孔可滑动地密封配合；

阀套29右端通过连接板9与电-机械转换器模块连接，阀芯30与衔铁14固连，阀芯30右端通过衔铁14与电-机械转换器模块连接；

阀芯30还设有高压孔a、高压孔b，高压槽c通过阀芯内部的盲孔与a、b两高压孔连通，高压孔a通过P口与系统油源相连，工作时恒为系统压力；高压孔b设在第四台肩右侧，通过阀芯内部的盲孔连通高压孔a；低压槽d通过T口与回油口相连；

第一台肩301开设有一对轴对称的高压孔槽c和一对轴对称的低压槽d，所述高压槽c和低压槽d呈不规则平行四边形，所述高压槽c 的弓弦和低压槽d的弓弦平行；

阀芯30、阀套29和左端盖2构成敏感腔e；第一台肩301设有两对对称的高压槽c和低压槽d；所述敏感腔e外的阀套29的内表面设有一对轴对称的斜槽，斜槽的一端与敏感腔e相连，另一端覆盖相邻的高压槽c的弓弦和低压槽d的弓弦之间的区域，与高压槽c和低压槽d构成阻力半桥，阻力半桥通过斜槽控制敏感腔e内的压力；

第四台肩304右表面设有阻尼活塞31，阻尼活塞31左侧与阀套 29和阀芯30合围成有机形成阻尼腔f；阻尼活塞31右侧暴露于高压孔b；阻尼活塞31与阀套29之间有缝隙，该缝隙连通阻尼腔f与高压孔b；

电-机械转换器模块采用力矩马达，包括外壳11、衔铁14、永磁铁15、导磁体16、卡件19、马达外罩18、线圈22、马达销24、弹簧 25、弹簧杆26、弹簧座12、限位杆27；外壳11和马达外罩18均与连接板9连接，外壳11通过马达销24和螺钉13共同定位，弹簧25 一端与弹簧杆26相连，另一端与固定在外壳11上的弹簧座12相连，

位移传感器模块包括LVDT连接杆21，LVDT传感器20由铁芯 33和线圈骨架34组成；LVDT传感器20与外壳11和卡件19的圆弧配合，卡件19压紧LVDT传感器20；弹簧杆26与LVDT连接杆21 相互垂直地连接；LVDT连接杆21与铁芯33连接，铁芯33与LVDT 传感器20采用间隙配合，可在LVDT传感器20内孔直动。

台肩304右端设有阻尼活塞31，两者过盈配合。阀套，高压孔b 和阻尼活塞有机结合形成阻尼腔f。可以在阀芯运动时提供阻尼，较少冲击，提高稳定性。

所述阻尼活塞采用工程塑料，利用其较大的线膨胀系数——在温度变化时，阻尼活塞各个尺寸相对于金属有较大变化来减少温度对阻尼的影响，即温度补偿。

所述阀套在每个油口两侧均安装了O密，保证伺服阀的局部密封。所述P、T、A、B开口处分别焊有滤网，保证伺服阀内部油液度。

传统伺服阀常把回油口开在两台肩两边，并通过阀芯内部通道贯通两个回油腔，但是二维伺服阀此位置被高压通道代替。因此阀套还设有四个轴向的回油流道，用于连接低压孔T和两个回油腔，使得伺服阀阀体只需要一个回油口。

电-机械转换器模块采用力矩马达，包括外壳11、衔铁14、永磁铁15、导磁体16、卡件19、马达外罩18、线圈22、马达销24、弹簧 25、弹簧杆26、弹簧座12、限位杆27、无头螺钉32(在图7所示)。插装式二维(2D)伺服阀采用干式力矩马达，所以在马达外罩18和连接板9除了通过螺钉17连接还需要放置O型密封圈10，将输出部件密封起来以阻止油液进入围绕衔铁14、线圈22和永磁铁15周围的空间。

电-机械转换器模块包括磁路部分、传动部分和马达外罩18。连接板9与所述马达外罩18通过4个螺钉17固连。磁路部分由2个线圈22、2个导磁体16、1个衔铁14和2个永磁铁15组成。线圈不通电时，衔铁保持平衡；线圈通电会产生磁路线，破坏之前的平衡状态，衔铁发生偏转。传动部分包括弹簧25、弹簧座12、弹簧杆26、限位杆27和马达销24等。同时外壳11和卡件19用于固定和定位零件。衔铁偏转时，会带动阀芯和弹簧杆转动，其特征在于：

弹簧一端与所述弹簧杆26相连，另一端与螺纹固定在外壳11上的弹簧座上，这样弹簧杆的旋转运动可以有效地传递到弹簧上，保证在异常情况下，弹簧自动回零，从而使衔铁和阀芯回到初始位置。

为了进一步提高精度，阀还设有LVDT直线位移传感器(由铁芯 33和线圈骨架34组成)20，LVDT连接杆与铁芯33通过螺纹连接，所述铁芯33与线圈骨架34采用间隙配合。阀芯发生位移时，会带动弹簧杆和铁芯作直线运动，铁芯的位移将以电信号的形式传递给控制器，形成闭环控制。其特征在于：

采用两个LVDT传感器是为了实现双余度功能，即当一个LVDT 出现问题时，另一个LVDT能够继续正常工作，提高2D伺服阀的稳定性。

本实用新型的有益效果主要表现在：1、利用2D伺服阀把先导级和功率级集成在单个2D阀芯的两个运动自由度的特性，把2D伺服阀与插装阀结合在一起，使得插装式二维(2D)伺服阀相对于传统伺服阀拥有更高的应用集成度，更大的功率密度比，更强的抗污染能力；2、在阀套上开四个轴向的回油流道，用于连接低压孔T和两个回油腔，使得伺服阀阀体只需要一个回油口；3、在阀芯右端的台肩上设置一个带有温度补偿的工程塑料材质的阻尼活塞，与阀套形成阻尼腔，不仅可以提供阻尼，增加系统的稳定性，还有温度补偿，即随着温度的变化，阻尼不发生较大的变化；4、阀芯与衔铁固连，弥补了传统二维(2D) 伺服阀的传动机构的复杂性，结构更为简单；5、阀本身的螺旋伺服机构就有较好的反馈，若为了进一步提高精度，可以采用LVDT收集并反馈阀芯位移，形成闭环控制。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理示意图。

图2为图1所示的阀芯0°剖视图。

图3为图1所示的阀套45°剖视图(从左往右看顺时针方向)。

图4为图1所示的阀体模块0°剖视图。

图5为图4所示的P处的放大图。

图6a～图6b为图1所示的外壳与连接板固定连接图，其中图6a 是立体示意图，图6b是轴向视图。

图7a～图7b为图1所示的阀芯与衔铁固定连接图，其中图7a是立体示意图，图7b是轴向剖视图。

图8a～图8b为图1所示的LVDT传感器连接装置图，其中图8a 是立体示意图，图8b是轴向剖视图。

图9为插装式二维(2D)伺服阀的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图9，一种带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维(2D) 伺服阀，包括阀体模块、电-机械转换器模块和位置传感器模块。

其中阀体模块包括阀芯30、阀套29、阻尼活塞31、阀套销1、左端盖2、滤网4、连接板9；电-机械转换器模块采用力矩马达，包括外壳11、衔铁14、永磁铁15、导磁体16、卡件19、马达外罩18、线圈22、马达销24、弹簧25、弹簧杆26、弹簧座12、限位杆27、无头螺钉32；位移传感器模块包括LVDT连接杆21，LVDT(由铁芯33 和线圈骨架34组成)20，同时，插装式二维(2D)伺服阀还包括O 型密封圈3、5、6、7、8、10、28、螺钉13、17、23。

阀体模块包括一个有阀芯30、阀套29组成的2D阀，阀芯30可转动并可轴向滑动地放置在阀套29内的孔内。阀芯30从左至右设有第一台肩301、第二台肩302、第三台肩303、第四台肩304、第五台肩305五个台肩。所述阀套29设有B口、P口、A口、T口，其中P 口是进液口，具有系统压力。第二台肩302、第三台肩303分别位于B口和A口；第五台肩305与同心环功能相似；各台肩在阀体内孔可滑动地密封配合，单边间隙2～4μm；阀套29右端通过连接板9与电- 机械转换器模块连接，阀芯30右端通过衔铁14与电-机械转换器模块连接。阀芯30与衔铁14固连，弥补了传统二维(2D)伺服阀的传动机构的复杂性，结构更为简单。

如图2所示，阀芯30还设有高压孔a、高压孔b，高压槽c通过阀芯内部的盲孔与a、b两高压孔连通，高压孔a通过P口与系统油源相连，工作时恒为系统压力；高压孔b设在第四台肩右侧，通过阀芯内部的盲孔连通高压孔a。低压槽d通过T口与回油口相连。

第四台肩304右表面设有阻尼活塞31，如图4所示，阻尼活塞31 与阀芯30过盈配合，阻尼活塞31左侧与阀套29和阀芯30合围成有机形成阻尼腔f；阻尼活塞31右侧暴露于高压孔b；阻尼活塞31与阀套29之间有缝隙，该缝隙连通阻尼腔f与高压孔b。当阀芯左移时，阻尼腔f变小，油液压力会变大，活塞阻尼两边有压力差(高压孔b 的压力比阻尼腔f小)，压力差一方面会直接作用于阻尼活塞，对阀芯有一个向右的推力，另一方面会使油液沿着缝隙从阻尼腔f向高压孔 b处流动,在流动过程中也会有一个摩擦力来阻止阻尼活塞向左移动。反之亦然。所以阻尼腔f的设置主要是为了不仅可以提供阻尼，增加系统的稳定性，还有温度补偿，即随着温度的变化，阻尼不发生较大的变化。

式中：μ——油液的动力粘度；

D——活塞的直径；

d——阀芯的直径；

l——活塞的长度；

h₀——活塞与阀套的间隙。

式中：μ(t)——油液温度为t℃时的动力粘度；

μ₀——油液在温度为t₀℃时的动力粘度；

λ——油液的粘度系数。

阻尼活塞31提供的阻尼与油液的动力粘度、活塞的直径和长度、阀芯的直径、活塞与阀套的间隙有关(如式1所示)。同时，油液的动力粘度随着温度的升降变化很大(如式2所示)，所以温度的变化也会影响阻尼活塞31提供的阻尼。所以阻尼活塞31的材质采用工程塑料，工程塑料不仅可以提供与金属材料相似的强度刚度，还可以提供较大的线膨胀系数，可以在温度变化时通过热张冷缩的原理改变阻尼活塞 31的直径、长度及阻尼活塞和阀套的间隙，从而减少温度对阻尼的影响，使伺服阀在工作温度变化的过程中始终保持稳定的状态。

需要提及的是本实用新型补偿型的阻尼活塞适用于工作温度范围广的场合，但是在一些工作环境温度范围不大，不需要温度补偿时，可以直接用金属材料制成，这也属于本实用新型内容。

伺服螺旋机构是实现伺服阀阀芯转角与轴向直线位移转换的导控结构。阀芯30、阀套29和左端盖2构成敏感腔e。阀芯301台肩设有两对对称的高压槽c和低压槽d。同时阀套29在与阀芯30的高压槽c 和低压槽d的接触处设有一对对称的的斜槽，斜槽的一端与敏感腔e 相连，另一端与高低压槽c和d构成阻力半桥，阻力半桥通过斜槽控制敏感腔e内的压力。敏感腔e可以设计的很小以达到较高的液压固有频率，从而使得二阶振荡环节对阀芯30的动态响应几乎不产生影响，阀芯30的轴向位移对其旋转角位移之间的响应不产生振荡，可简化为惯量环节。

插装式二维(2D)伺服阀是三位四通阀，在阀套29上开有高压口P、低压口T和工作口A、B，P、T、A、B每一种口均在阀套一周内均匀分布四个。在油口P、T、A、B两侧均安装所述O型密封圈(选用HB4-56-1987)3、5、6、7、8，同时在连接板9外径凹陷处和阀芯 30与连接板9内径接触处也安装O型密封圈10、28。通过O型密封圈来保证伺服阀的局部密封性。所述滤网4焊接在P、T、A、B油口的开口处，以此保证伺服阀内部油液的清洁度，从而提高伺服阀的稳定性。

如图3所示，传统伺服阀常把回油口开在两台肩两边，并通过阀芯内部通道贯通两个回油腔，但是二维伺服阀此位置被高压通道代替。因此阀套还设有四个轴向的回油流道，用于连接低压孔T和两个回油腔，使得伺服阀阀体只需要一个回油口。回油通道的形状采用扇形，以减少油液通过阀套29上流道的压力损失。

外壳11与连接板9的固定连接如图6a和图6b所示。从图中可以看出，外壳11与连接板9通过马达销24和螺钉13共同定位，其中马达销24为了保证外壳11与连接板9不发生相对转动，螺钉13为了固定外壳11与连接板9的轴向位置。弹簧25一端与弹簧杆26相连，另一端与通过螺纹固定在外壳11上的弹簧座12相连，这样弹簧杆26 的旋转运动可以有效的传递到弹簧25上，并且在异常情况下，弹簧 25有自动回零功能。

阀芯30与衔铁14的固定连接如图7a～图7b所示。衔铁14与弹簧杆26过盈配合，同时无头螺钉32使弹簧杆26对衔铁14有一个向下的预紧力实现紧配合，这样可以保证在衔铁14旋转之后能够带动弹簧杆26和阀芯30旋转。阀芯30右端部开有滚花，以此来增大衔铁 14与阀芯30之间的摩擦力。

位移传感器模块包括LVDT连接杆21，LVDT传感器(由铁芯33 和线圈骨架34组成)20。如图8a～图8b所示，LVDT传感器20与外壳11和卡件19的圆弧配合，通过螺钉23使卡件19压紧LVDT传感器20，从而达到固定LVDT传感器20的目的。弹簧杆26与LVDT连接杆21通过螺钉连接，并通过外六角来保证两者的垂直度。LVDT连接杆21与铁芯33通过螺纹连接，铁芯33与传感器采用间隙配合，可在传感器内孔直动。在力矩马达工作过程中，衔铁14带动弹簧杆26 及阀芯30旋转(单边0.7°)，结合2D伺服螺旋原理，阀芯将作直线运动，同时带动弹簧杆及铁芯作直线运动，结合LVDT原理，铁芯33 的位移将以电信号的形式传递到控制器，从而实现阀芯位移的闭环控制。

本实例以阀芯直径为6mm的插装式二维(2D)伺服阀为例，结合附图1～9进一步说明。

本实施例的工作原理：在初始状态下，控制器不通电，力矩马达不提供旋转信号，阀体部分右腔通过a、b小孔，与系统压力连通，其面积为敏感e腔的一半。而敏感腔e的压力由高低压槽c、d与阀套 29内表面的斜槽相交的两个微小弓形面积串联的液动阻力半桥控制。此时敏感腔e的压力为系统压力的一半，阀芯30保持静压平衡，A、 B两口不通，无输出。当力矩马达提供一个逆时针(从左往右看)的旋转信号，衔铁14与阀芯30固连，带动阀芯逆时针旋转(从左往右看)，高压槽c与斜槽的相交面积减少，低压槽d与斜槽的相交面积增大，敏感腔e的压力减少，阀芯30失去平衡，阀芯左移，B口与高压腔连通，A口与低压腔连通，形成输出。而阻尼腔f在阀芯30左移时，压力会变小，活塞两边的压力差和油液的间隙流动会提供一个向右的力来阻止阀芯左移，即提供一个阻尼。阀芯30左移的过程中高低压槽 c、d又重新回到斜槽的两侧，从而再次保持力的平衡，同时LVDT会收集由阀芯30导致铁芯33的位移，将位移量通过电信号传递给控制器，实现阀芯位移的闭环控制。反之亦然。

上述具体实施方式用来解释本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维伺服阀，包括阀体模块、电-机械转换器模块和位置传感器模块，其特征在于：

阀体模块包括一个有阀芯(30)、阀套(29)组成的2D阀，阀芯(30)可转动并可轴向滑动地放置在阀套(29)内的孔内；阀芯(30)从左至右设有第一台肩(301)、第二台肩(302)、第三台肩(303)、第四台肩(304)、第五台肩(305)五个台肩；所述阀套(29)设有B口、P口、A口、T口，其中P口是进液口，具有系统压力；第二台肩(302)、第三台肩(303)分别位于B口和A口；第五台肩(305)与同心环功能相似；各台肩在阀体内孔可滑动地密封配合；

阀套(29)右端通过连接板(9)与电-机械转换器模块连接，阀芯(30)与衔铁(14)固连，阀芯(30)右端通过衔铁(14)与电-机械转换器模块连接；

阀芯(30)还设有高压孔a、高压孔b，高压槽c通过阀芯内部的盲孔与a、b两高压孔连通，高压孔a通过P口与系统油源相连，工作时恒为系统压力；高压孔b设在第四台肩右侧，通过阀芯内部的盲孔连通高压孔a；低压槽d通过T口与回油口相连；

第一台肩(301)开设有一对轴对称的高压槽c和一对轴对称的低压槽d，所述高压槽c和低压槽d呈不规则平行四边形，所述高压槽c的弓弦和低压槽d的弓弦平行；

阀芯(30)、阀套(29)和左端盖(2)构成敏感腔e；第一台肩(301)设有两对对称的高压槽c和低压槽d；所述敏感腔e外的阀套(29)的内表面设有一对轴对称的斜槽，斜槽的一端与敏感腔e相连，另一端覆盖相邻的高压槽c的弓弦和低压槽d的弓弦之间的区域，与高压槽c和低压槽d构成阻力半桥，阻力半桥通过斜槽控制敏感腔e内的压力；

第四台肩(304)右表面设有阻尼活塞(31)，阻尼活塞(31)左侧与阀套(29)和阀芯(30)合围成有机形成阻尼腔f；阻尼活塞(31)右侧暴露于高压孔b；阻尼活塞(31) 与阀套(29)之间有缝隙，该缝隙连通阻尼腔f与高压孔b；

电-机械转换器模块采用力矩马达，包括外壳(11)、衔铁(14)、永磁铁(15)、导磁体(16)、卡件(19)、马达外罩(18)、线圈(22)、马达销(24)、弹簧(25)、弹簧杆(26)、弹簧座(12)、限位杆(27)；外壳(11)和马达外罩(18)均与连接板(9)连接，外壳(11)通过马达销(24)和螺钉(13)共同定位，弹簧(25)一端与弹簧杆(26)相连，另一端与固定在外壳(11)上的弹簧座(12)相连，

位移传感器模块包括LVDT连接杆(21)，LVDT传感器(20)由铁芯(33)和线圈骨架(34)组成；LVDT传感器(20)与外壳(11)和卡件(19)的圆弧配合，卡件(19)压紧LVDT传感器(20)；弹簧杆(26)与LVDT连接杆(21)相互垂直地连接；LVDT连接杆(21)与铁芯(33)连接，铁芯(33)与LVDT传感器(20)采用间隙配合，可在LVDT传感器(20)内孔直动。

2.如权利要求1所述的带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维伺服阀，其特征在于：阻尼活塞(31)采用工程塑料。

3.如权利要求1所述的带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维伺服阀，其特征在于：采用两个LVDT传感器(20)。

4.如权利要求1所述的带温度补偿型阻尼活塞的插装式二维伺服阀，其特征在于：阀套(29)设有四个回油通道。