CN208831364U - 直动式数字伺服阀 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种直动式数字伺服阀，采用数字量控制，阀芯驱动力大，阀芯不易卡涩，提高了伺服阀的抗污染能力。本实用新型的直动式数字伺服阀，包括步进电机、联轴器、阀体和阀芯，所述阀体具有轴向贯通的阀腔、以及与所述阀腔连通的进油口、回油口和至少两个工作油口，所述阀芯具有至少两个工作位，用于切换与所述进油口和所述回油口连通的所述工作油口及流量所述联轴器的一端与所述步进电机的输出轴固定连接，另一端与所述阀芯的第一端周向固定、轴向可移动连接，所述阀芯的第二端与所述阀体螺纹连接，以便将所述阀芯相对所述阀体的周向转动转化沿轴向的螺旋运动，进而切换所述工作位并实现流量的连续调节。

Description

直动式数字伺服阀

技术领域

本实用新型涉及伺服阀技术领域，特别是涉及直动式数字伺服阀。

背景技术

随着工业往自动化发展，越来越多的液压控制系统采用伺服系统，而液压伺服系统的核心控制元件为伺服阀，其品质直接决定系统的控制精度、可靠性。市场常用的伺服阀按结构分为喷嘴挡板伺服阀、射流管伺服阀、高频响比例伺服阀等。

喷嘴挡板伺服阀是目前最通用的伺服阀，采用四个一致的小孔径节流孔喷嘴，采用力矩马达驱动挡板，其控制精度高。但是，频响高，对油液清洁度要求高，可靠性差，经常出现喷嘴堵塞、喷嘴腐蚀、阀芯卡涩等故障。

射流管伺服阀较喷嘴挡板伺服阀的抗污染能力略强，但制造难度大，一致性差，控制难度高，弹性射流管及受油孔易出故障，成本高，其市场应用较少。

高频响比例伺服阀采用比例直线双向马达直接驱动，并在阀芯上设置位移传感器检测阀芯位置，内部通过模拟集成电路组成闭环放大回路进行控制。但因比例直线双向马达的驱动力有限(小于150N)，行程短，抗污染能力有限，且控制复杂，易出现阀芯卡涩及控制板卡烧毁等故障。

可见，以上伺服阀都存在抗污染能力差的问题，极易因油质恶化而出现故障。

因此，如何设计一种直动式数字伺服阀，以提高伺服阀的抗污染能力，并实现数字量控制，是本领域急需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种直动式数字伺服阀，通过数字信号控制，阀芯驱动力大，阀芯不易卡涩，提高了伺服阀的抗污染能力

为实现上述目的，本实用新型提供了一种直动式数字伺服阀，包括步进电机、联轴器、阀体和阀芯，所述阀体具有轴向贯通的阀腔、以及与所述阀腔连通的进油口、回油口和至少两个工作油口，所述阀芯具有至少两个工作位，用于切换与所述进油口和所述回油口连通的所述工作油口；所述联轴器的一端与所述步进电机的输出轴固定连接，另一端与所述阀芯的第一端周向固定、轴向可移动连接，所述阀芯的第二端与所述阀体通过螺母套螺纹连接，以便将所述阀芯相对所述阀体的周向转动转化沿轴向的螺旋运动，进而切换所述工作位并实现流量的连续调节。

本实用新型的直动式数字伺服阀，一方面，采用步进电机进行驱动，可以接收远方控制器的数字脉冲信号，进而转化为步进电机的输出轴的旋转角度、角速度和方向，其中，脉冲数对应步进电机的旋转角度，脉冲频率对应角速度，脉冲方向对应正反转，相对于现有技术的模拟量控制，本实用新型采用数字量控制具有控制精度高、稳定性好等优点。另一方面，阀芯的第一端在步进电机的驱动下周向转动，另一端与阀体螺纹连接，进而将阀芯的周向转动转化为相对阀体的螺旋运动，进而沿阀体的轴向螺旋地往复运动，以切换工作位；相对于现有技术的直线运动，这种螺旋运动的阻力较小，阀芯的驱动力大，阀芯不易卡涩，大幅提高了抗污染能力，可在油液的清洁度为NAS9 的条件下可靠工作，故障率低，无需设置滤油器就可以工作，使用简单可靠。

可选地，还包括复位机构，用于在所述步进电机失电后驱动所述阀芯复位。

可选地，还包括连接罩，所述连接罩的两端分别与所述步进电机的输出端和所述阀腔的一端密封连接，所述联轴器置于所述连接罩内，所述步进电机的输出轴和所述阀芯的第一端分别由轴向两端伸入所述连接罩内，以分别与所述联轴器的两端连接。

可选地，所述复位机构包括扭簧和与所述扭簧的两端固定连接的连接座，所述连接罩具有两个轴向相对设置的内凸限位部；所述步进电机正反转时，所述步进电机的输出轴和所述阀芯的第一端中的一者，推动同端的所述连接座周向运动，另一端的所述连接座周向抵接于另一端的所述内凸限位部，以扭转所述扭簧，产生复位的弹簧力。

可选地，所述复位机构还包括电机连接座和阀芯连接座，所述电机连接座套接固定于所述步进电机的输出轴，所述阀芯连接座周向固定地套接于所述阀芯的第一端；两端的所述连接座均具有内凸部，所述电机连接座和所述阀芯连接座均具有与各自同端的所述内凸部周向抵顶配合的外凸部。

可选地，两端的所述连接座均具有外凸限位部，所述阀芯处于初始位置时，所述外凸限位部与各自同端的所述内凸限位部周向抵接，且两端的周向抵接力相反，以预紧所述扭簧，所述步进电机正反转时，推动一端的所述连接座脱离所抵接的所述内凸限位部，进而沿增大预紧力的方向周向运动。

可选地，处于一端的所述外凸部推动同端的所述内凸部时，同端的所述外凸限位部与所述内凸限位部脱离并保持不接触；处于另一端的所述外凸部与相应的所述内凸部脱离并保持不接触，另一端的所述内凸限位部与相应的所述外凸限位部保持接触。

可选地，所述步进电机的输出轴通过所述电机连接座与所述联轴器的一端固定连接，所述阀芯连接座与所述联轴器的另一端固定连接，所述阀芯连接座具有导向套，所述导向套与所述阀芯的第一端轴向可移动连接。

可选地，所述连接座具有套筒部，所述扭簧套接于所述套筒部外，处于两端的所述连接座的所述套筒部之间具有轴向间隙。

可选地，所述螺母套与所述阀体固定连接，所述阀芯的第二端固定连接有与其同轴设置、并与所述螺母套配合的丝杠。

可选地，还包括用于安装所述螺母套的螺母安装座，所述螺母安装座的一端与所述阀腔远离所述步进电机的一端密封连接，另一端密封连接有具有容腔的端盖，所述容腔用于收容所述丝杠远离所述第二端的部分。

附图说明

图1为本实用新型所提供直动式数字伺服阀在一种具体实施方式中处于初始位置的剖面结构示意图；

图2为图1中A-A方向的剖视图；

图3为图1中B-B方向的剖视图；

图4为图1所示直动式数字伺服阀处于第一工作位时的剖面结构示意图；

图5为图4中C-C方向的剖视图；

图6为图4中D-D方向的剖视图；

图7为图1所示直动式数字伺服阀处于第二工作位时的剖面结构示意图；

图8为图7中E-E方向的剖视图；

图9为图7中F-F方向的剖视图。

图1-图9中：

1-步进电机，2-连接罩，3-电机连接座，4-第一连接座，5-扭簧， 6-联轴器，7-第二连接座，8-阀芯连接座，9-阀体，10-阀芯，11-螺母套，12-丝杠，13-螺母安装座，14-输出轴，15-端盖，16-阀腔，17-第一内凸限位部，18-第二内凸限位部，19-第一内凸部，20-第二内凸部， 21-第一外凸部，22-第二外凸部，23-第一外凸限位部，24-第二外凸限位部，25-扭臂；

P-进油口，T-回油口，A-第一工作油口，B-第二工作油口。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行介绍，以便本领域技术人员准确理解本实用新型的技术方案。

本文所述的轴向、周向和径向均以直动式数字伺服阀的阀芯10 为参照，以该阀芯10的延伸方向和动作方向为轴向，以该阀芯10的直径方向为径向该阀芯10的外壁环绕方向为周向。

本文所述的第一、第二等词仅用于区分相同或类似结构的两个以上的部件，或者相同或类似的两个以上的结构，不表示对顺序的特殊限定。

本文所述的内外以阀芯10的中轴线为参照，靠近中轴线的方向为内、远离中轴线的方向为外。

如背景技术所述，目前常用的伺服阀按结构喷嘴挡板伺服阀、射流管伺服阀、高频响比例伺服阀。

喷嘴挡板伺服阀为间接驱动，通过阀芯两端的压差实现阀芯的直线运动，压差通过先导喷嘴及弹簧管挡板、射流喷嘴和折射孔组成的可变液阻回路控制。平衡状态下，两个对称的喷嘴与挡板的距离相同，液阻相同，因此，阀芯两侧的压力相同(阀芯两侧面积相等)，处于稳定状态。当力矩旋转时，挡板位置发生变化，两侧的喷嘴与挡板的距离不一样，一侧变大，另一侧变小，因此，液阻也一个变小，一个变大，阀芯两端的压力不一样，推动阀芯往低压端移动；同时，带动挡板的下端移动，直至两个喷嘴离挡板的距离一样，阀芯的位置与力矩马达扭矩成正比。

射流管伺服阀为间接驱动，通过阀芯两端的压差实现阀芯的直线运动，压差通过高压射流管与受油孔板组成的可变液阻回路控制。平衡状态下，射流管喷嘴处于两个对称孔的中间，液阻相同，因此，阀芯两侧的压力相同(阀芯两侧面积相等)，处于稳定状态。当力矩旋转时，射流管喷嘴位置发生变化，喷嘴与受油孔板的两个孔的距离不一样，一侧大，另一侧小，因此，液阻也不一样，阀芯两端的压力不一样，推动阀芯往低压端移动；同时，带动受油孔板向相反的方向移动，直至受油孔板的两个受油孔与喷嘴的距离一样，阀芯的位置与力矩马达扭矩成正比。

高频响比例伺服阀由比例直线双向力马达直接驱动，并在阀芯上设置位移传感器，用于检测阀芯的位置，内部通过模拟集成电路组成闭环放大回路进行控制。

可见，现有技术中，喷嘴挡板伺服阀和射流管伺服阀采用先导液阻控制，喷嘴挡板伺服阀的喷嘴、射流管的喷嘴、受油孔板的油孔节流孔小，且要求一致，通常要求直径小于0.3mm，弹簧管挡板与喷嘴的距离短(距离约为0.1～0.2mm)。因此，喷嘴节流孔极易堵塞，挡板易腐蚀，抗污染能力差，对液压清洁度要求极高，要求小于NAS5级，零点易偏移，且制造难道大。射流管伺服阀的抗污染能力比喷嘴挡板略强，为NAS6级，但制造难度大，性能稳定性差，价格高，且为模拟量控制。

高频响比例伺服阀为直接驱动，但比例直线双向力马达的驱动力较小(通常驱动力不大于150N)，且需要外置位移传感器组成模拟量的闭环控制。因此，阀芯因油质差而易卡涩，抗污染能力较差，要求油质清洁度为NAS6级，控制较复杂，且成本高。再者，在出现卡涩后，控制端会误诊断为动力不足，进一步增大驱动力，导致阀芯最终卡死甚至损坏。

本文中NAS，是指NAS1638标准，是油液洁净度分级标准，该标准是美国航空航天工业联合会(AIA)于1964年1月提出，在美国和世界各国曾得到广泛应用，在我国的各个行业仍被广泛采用，是我国当前普遍使用的ISO11218、GJB420-87A分级制、AS4059等标准的源头。

针对上述技术问题，本方案提供了一种直动式数字伺服阀，采用步进电机1驱动，阀芯10的驱动力大，抗污染强，控制简单。其中，步进电机1接收数字脉冲信号，输出扭矩及角位移，该步进电机1通过联轴器6与阀芯10的一端连接，阀芯10的另一端与阀体9螺纹连接。此时，步进电机1输出的角度转化为阀芯10的旋转角度，同时并借助螺纹将阀芯10相对阀体9的周向转动转化为沿轴向的螺旋运动。该螺旋运动在轴向上的直线行程与步进电机1的角度成比例，阀芯10 转动的正反方向与电机正反转保持一致，阀芯10在轴向上的直线驱动力与步进电机1的输出扭矩成正比，与螺旋运动的导程成反比。因此，通过合理配置步进电机1的额度扭矩和螺纹连接结构的导程，可使阀芯10获得大的轴向推力。

如图1所示，本方案涉及一种直动式数字伺服阀，包括阀体9和阀芯10，阀体9具有阀腔16、进油口P、回油口T和至少两个工作油口，阀腔16轴向贯通阀体9设置，回油口T与阀腔16连通；阀芯10 具有至少两个工作位，处于一个工作位时，阀芯10将其中一个工作油口与进油口P连通，将另一个工作油口与回油口T连通，处于另一工作位时，阀芯10将与进油口P和回油口T连通的两个工作油口互换，即原与进油口P连通的那个工作油口切换为与回油口T连通，原与回油口T连通的工作油口切换为与进油口P连通；或者，当阀体9包括三个或者多个工作油口时，各工作油口可以两两一组形成若干组合方式，当阀芯10动作时可以切换工作位，以改变与进油口P和回油口T 连通的工作油口。为便于说明，本文仅以设置两个工作油口为例。

为完成阀芯10的工作位切换，本方案的直动式数字伺服阀还包括步进电机1和联轴器6，通过联轴器6将阀芯10与步进电机1连接，为便于区分，将阀芯10的轴向两端定义为第一端和第二端，该联轴器 6的一端与步进电机1的输出轴14固定连接，另一端与阀芯10的第一端周向固定、轴向可移动连接，阀芯10的第二端与阀体9螺纹连接，以便将阀芯10相对阀体9的周向转动转化为沿轴向的螺旋运动，当阀芯10相对阀体9以螺旋运动的方式轴向移动时，可以改变与进油口P 和回油口T相连通的工作油口，进而完成工作位的切换；并且，阀芯 10可以相对阀体9在轴向上无级调节，实现流量的连续调节，此时，流量的调节也是无级的。

为便于说明，本文以设置两个工作油口为例，其中一个工作油口定义为第一工作油口A，另一个工作油口定义为第二工作油口B。

本实用新型的阀芯10还具有一个初始位置，图1所示的状态即为阀芯10处于初始位置，在该初始位置，阀芯10将进油口P和回油口T封堵，第一工作油口A和第二工作油口B不工作。或者，在初始位置，本领域技术人员可以根据需要设置一定的偏移量，将进油口P 与第一工作油口A以较小的流通量连通，回油口T与第二工作油口B 以较小的流通量连通，构成零点偏移，形成偏移零点较小距离的一个初始位置，满足特殊的使用需求。当需要进行零点偏移时，本领域技术人员也可以根据需要将进油口P与第二工作油口B以较小的流通量连通，回油口T与第一工作油口A以较小的流通量连通，得到偏移零点较小距离的另一个初始位置。

当处于第一工作位时，阀芯10朝向图1中的右侧移动，释放进油口P和回油口T，使得进油口P通过阀腔16与第一工作油口A连通，回油口T通过阀腔16与第二工作油口B连通，如图4所示；处于第二工作位时，阀芯10朝向图1中的左侧移动，将第一工作油口A 与回油口T连通，将第二工作油口B与进油口P连通，如图7所示。

由于采用步进电机1进行驱动，可以接收远方控制器的数字脉冲信号，进而转化为步进电机1的输出轴14的旋转角度、角速度和方向。其中，脉冲数对应步进电机1的旋转角度，脉冲频率对应角速度，脉冲方向对应正反转，相对于现有技术的模拟量控制，具有精度高、稳定性好等优点。

又由于阀芯10的第一端在步进电机1的驱动下周向转动，第二端与阀体9螺纹连接，在阀体9的周向限位作用下，阀芯10的周向转动被转化为相对阀体9的螺旋运动，该螺旋运动的方向处于轴向，使得阀芯10沿阀体9的轴向螺旋地往复运动，进而在第一工作位和第二工作位之间进行切换；当阀芯10轴向运动时，阀芯10的第一端会相对联轴器6轴向移动，故阀芯10的第一端与联轴器6采用周向固定、轴向可移动的连接方式。为实现阀芯10的第一端与联轴器6的轴向可移动连接，阀芯10的第一端与联轴器6之间可以采用滑键配合，即可以在阀芯10的第一端设置滑动键，以联轴器6的相应位置设置键槽，实现轴向滑动配合，以滑动连接作为此处的轴向可移动连接方式。

相对于现有技术中常规的直线运动，本实用新型的阀芯10采用螺旋运动的形式在轴向上移动，运动阻力较小，不易卡涩；尤其是，阀芯10在轴向上的直线驱动力与步进电机1的输出扭矩成正比，与螺旋运动的导程成反比，该步进电机1与现有伺服阀的驱动电机在输出同等驱动力的情况下，本实用新型的阀芯10可以获取更大的轴向驱动力，从而大幅提高了抗污染能力，可在油液的清洁度为NAS9级的条件下可靠工作，故障率低，无需设置滤油器。

为实现步进电机1与阀体9的连接，本实用新型的直动式数字伺服阀(以下简称伺服阀)还包括连接罩2，连接罩2的两端分别与步进电机1的输出端和阀腔16的一端密封连接，联轴器6置于该连接罩 2内，此时，步进电机1的输出轴14和阀芯10的第一端分别由轴向两端伸入连接罩2内，以分别与联轴器6的两端连接。所谓步进电机 1的输出端是指设有输出轴14的一端，在图1中对应步进电机1的左端，阀芯10的第一端在图1中对应阀芯10的右端。

采用连接罩2的结构形式，一方面，连接罩2的两端可以分别与阀体9和步进电机1密封连接，保证阀体9的密封可靠性；另一方面，连接罩2将步进电机1的输出轴14以及阀芯10的第一端、联轴器6 均密封地罩住，实现了对这些部件的有效防护，还可以设置定位结构实现对联轴器6的固定。

该连接罩2具体可以设为钟形罩，将步进电机1的壳体固定在该钟形罩上，并使得步进电机1的输出轴14穿过该钟形罩，然后将钟形罩的开口端罩在阀体9的一端，与阀腔16密封连接。

结合图2和图3，本实用新型还包括复位机构，用于在步进电机 1失电后驱动阀芯10复位，以使得阀芯10的初始位置不偏移。

该复位机构包括扭簧5和与扭簧5的两端固定连接的连接座，连接罩2具有两个轴向相对设置的内凸限位部，阀芯10处于初始位置时，两端的连接座分别与各自同端的内凸限位部周向抵接，且两端的周向抵接力的方向相反，一端沿顺时针抵接，另一端沿逆时针抵接，从而预紧扭簧5。

步进电机1正转或者反转时，步进电机1的输出轴14和阀芯10 的第一端中的一者，推动与各自处于同一端的连接座脱离所抵接的内凸限位部，进而沿增大预紧力的方向周向运动，以使得扭簧5进一步扭转，增大的预紧力可以作为复位的弹簧力。

可以理解的是，在初始位置，扭簧5也可以处于自由状态，其两端的连接座与各自对应的内凸限位部接触但不产生周向抵接作用力；当步进电机1转动时，带动输出轴14或阀芯10驱动其中一个连接座脱离与内凸限位部的接触周向运动，另一个连接座周向抵接于与其对应的内凸限位部而被周向限位，扭簧5被扭转，也可以产生复位的弹簧力。但当扭簧5在初始位置被预紧后，步进电机1转动时可以进一步扭转扭簧5，获得更大的弹簧力，提高复位的可靠性，避免阀芯10 回复不到位或者偏离初始位置，提高动作精度。

为便于区分，可以将扭簧5一端的连接座定义为第一连接座4，将另一端的连接座定义为第二连接座7，扭簧5即安装在第一连接座4 和第二连接座7之间。详细地，扭簧5以其一端的扭臂25与第一连接座4固定连接，以其另一端的扭臂25与第二连接座7固定连接，当第一连接座4和第二连接座7在周向上朝向相反的方向扭转时，便可以产生预紧扭矩，使得扭簧5处于预紧状态。

同样地，为便于区分，将与第一连接座4配合的内凸限位部定义为第一内凸限位部17，将与第二连接座7配合的内凸限位部定义为第二内凸限位部18。第一内凸限位部17和第二内凸限位部18由连接罩 2的内壁沿径向向内凸出设置，并处于轴向相对的两个方向，第一连接座4可以与第一内凸限位部17轴向相对固定，第二连接座7与第二内凸限位部18轴向相对固定。实现轴向相对固定的方式多样，具体可以通过卡槽等结构实现，如图1所示。

同时，第一连接座4和第二连接座7可以设置外凸限位部，设于第一连接座4的外凸限位部定义为第一外凸限位部23，设于第二连接座7的外凸限位部定义为第二外凸限位部24，第一外凸限位部23与第一内凸限位部17在周向上可抵接，第二外凸限位部24与第二内凸限位部18在周向上可抵接，形成周向的限位配合。

如图2和图3所示，第一内凸限位部17和第二内凸限位部18可以处于连接罩2的同一周向位置，第一外凸限位部23由第一内凸限位部17在周向上的一侧抵接，第二外凸限位部24由第二外凸限位部24 在周向上的另一侧抵接，以便第一内凸限位部17和第二内凸限位部 18在周向上相对的两个方向作用于该扭簧5，使得扭簧5被预紧。

以图2和图3的方位进行说明，第一内凸限位部17沿顺时针的方向作用于扭簧5，第二内凸限位部18沿逆时针的方向作用于扭簧5，以使得扭簧5相对于自由状态被扭转，获得预紧力。进行操作时，可以将扭簧5与第一连接座4相连接的一端扭臂25沿顺时针的方向扭转九十度左右后固定，将另一端的扭臂25沿逆时针扭转九十度左右后与第二连接座7固定；而后，第一连接座4以其第一外凸限位部23与第一内凸限位部17周向抵接，以实现周向预定位，第二连接座7以其第二外凸限位部24与第二内凸限位部18周向抵接，以实现周向预定位，此时，阀芯10处于初始位置，扭簧5已经被预紧。

该复位机构还可以包括电机连接座3和阀芯连接座8，电机连接座3套接固定于步进电机1的输出轴14，阀芯连接座8周向固定地套接于阀芯10的第一端；两端的连接座均具有内凸部，电机连接座3 和阀芯连接座8均具有外凸部，步进电机1正反转时，处于一端的外凸部沿增大预紧力的方向推动同端的内凸部周向运动，以作用于连接座，并通过连接座使得扭簧5沿增大预紧力的方向继续扭转，而获取更大的扭力，用于推动阀芯10在步进电机1失电后复位。

为便于区分，将设于第一连接座4的内凸部定位为第一内凸部19，将设于第二连接座7的内凸部定义为第二内凸部20，将设于电机连接座3的外凸部定义为第一外凸部21，设于阀芯连接座8的外凸部定义为第二外凸部22。步进电机1的输出轴14借助电机连接座3与第一连接座4作用于扭簧5的一端，阀芯10借助于阀芯连接座8和第二连接座7作用于扭簧5。

在初始位置，电机连接座3以第一外凸部21与第一连接座4的第一内凸部19在周向上抵接，但可以不产生作用力，阀芯连接座8 以第二外凸部22与第二连接座7的第二内凸部20也可以在周向上抵接而不产生作用力，如图2和图3所示。并且，第一外凸部21处于第一内凸部19的逆时针方向，第二外凸部22处于第二内凸部20的顺时针方向，以便在后续作用时在周向相对的两个方向扭转扭簧5。

以下结合图4-图9，对伺服阀的动作过程进行说明，以便于本领域技术人员理解本实用新型。

初始位置时，伺服阀的各零件位置如图1-图3所示，各油口的位置是，进油口P与第一工作油口A和第二工作油口B均处于截止状态，第一工作油口A和第二工作油口B均与回油口T处于截止状态。

在第一工作状态下，如图4-图6所示，当伺服阀受到脉冲信号后，方向为逆时针方向(本实施例中将逆时针定义为正向，将顺时针定义为反向)时，步进电机1的输出轴14带动联轴器6、电机连接座3和阀芯连接座8同步旋转，带动阀芯10同步旋转，阀芯10借助其第二端的螺纹结构相对阀体9沿轴向螺旋运动。当阀芯10相对阀体9沿轴向向右螺旋移动y1时，进油口P与第一工作油口A相通，第二工作油口B与回油口T相通，通流面积相同，均为S1。

在此过程中，扭簧5的状态分析如下：

电机连接座3、阀芯连接座8随步进电机1的输出轴14作逆时针旋转，由于电机连接座3的第一外凸部21处于第一连接座4的逆时针方向，电机连接座3沿周向远离第一连接座4运动，故电机连接座3 的旋转不受阻力，因此，第一连接座4在扭簧5预紧力作用下与连接罩2的第一内凸限位部17周向抵接定位，如图5所示。又由于阀芯连接座8的第二外凸部22处于第二连接座7的顺时针方向，当阀芯连接座8逆时针转动时，通过第二外凸部22周向顶推第二连接座7的第二内凸部20，带动第二连接座7克服扭簧5的预紧力继续旋转，第二连接座7将该扭转力通过扭臂25作用于扭簧5，使得扭簧5朝向增大预紧力的方向(在该端对应逆时针方向)进一步扭转，扭转角度与步进电机1的输出角度一致，如图6所示。

此时扭簧5的扭矩T、通流面积S1和螺旋运动的轴向行程y1按照下述公式计算得出：

T＝T1+kXβ；

y1＝xβP/2π；

S1＝Ly1。

其中，x-脉冲数，β-步进角，p-螺旋的导程，T1-预紧扭矩，k- 扭簧5的弹性刚度，L-开口界面宽度。

在第二工作状态下，如图7-图9所示，当伺服阀受到脉冲信号后，方向为顺针方向(反向)时，步进电机1的输出轴14带动联轴器6、电机连接座3和阀芯连接座8同步旋转，带动阀芯10同步旋转，阀芯 10借助其第二端的螺纹结构相对阀体9沿轴向螺旋运动。当阀芯10相对阀体9沿轴向向左螺旋移动y1时，进油口P与第二工作油口B 相通，第一工作油口A与回油口T相通，通流面积相同，均为S1。

在此过程中，扭簧5的状态分析如下：

电机连接座3和阀芯连接座8随步进电机1的输出轴14作顺时针旋转，由于阀芯连接座8的第二外凸部22处于第二连接座7的顺时针方向，阀芯连接座8沿周向远离第二连接座7运动，故阀芯连接座 8的旋转不受阻力，因此，第二连接座7在扭簧5预紧力作用下与连接罩2的第二内凸限位部18周向抵接定位，如图9所示。又由于电机连接座3的第一外凸部21处于第一连接座4的逆时针方向，当电机连接座3顺时针转动时，通过第一外凸部21周向顶推第一连接座4的第一内凸部19，带动第一连接座4克服扭簧5的预紧力继续顺时针旋转，第一连接座4将该扭转力通过扭臂25作用于扭簧5，使得扭簧5朝向增大预紧力的方向(在该端对应顺时针方向)进一步扭转，扭转角度与步进电机1的输出角度一致，如图8所示。

在此过程中，扭簧扭矩T、通流面积S1和螺旋运动的轴向行程 y1均与上述第一工作状态一致，所不同的是y1的运动方向正好相反。

在上述第一工作状态和第二工作状态中，伺服阀不处于初始位置，而是在步进电机1得电后、通过步进电机1的顺时针或逆时针运动而被驱动到达了一个新的工作位，而当步进电机1失电后，阀芯连接座8或电机连接座3会在扭簧5的扭簧扭矩T作用下朝向初始位置的方向旋转，带动阀芯10克服阻力做反向螺旋运动，进而带动阀芯 10回到初始位置。详细而言，在第一工作状态下，阀芯连接座8失去了驱动力，会在扭簧扭矩T作用下推动第二连接座7顺时针运动，最终回到第二连接座7以其第二外凸限位部24与连接罩2的第二内凸限位部18周向抵接的位置，即由图6的状态回到图3的状态；在第二工作状态下，电机连接座3失去了步进电机1的驱动，会在扭簧扭矩T 作用下推动第一连接座4逆时针运动，最终将第一连接座4推送到第一外凸限位部23与第一内凸限位部17周向抵接的位置，即由图8所示状态回到图2所示状态。

可见，在上述运动过程中，步进电机1的输出轴14经由电机连接座3施加给扭簧5一个增大的预紧力，或者阀芯10的第一端经由阀芯连接座8施加给扭簧5一个增大的预紧力，作为步进电机1失电后阀芯10的复位作用力。

并且，结合第一工作状态和第二工作状态可知，阀芯连接座8、电机连接座3、第一连接座4和第二连接座7需要一定的周向运动空间。换言之，当处于一端的外凸部沿增大预紧力的方向周向顶推同端的内凸部时，同端的外凸限位部与内凸限位部脱离并保持不接触；处于另一端的外凸部与相应的内凸部脱离并保持不接触，另一端的内凸限位部与相应的外凸限位部保持接触。

具体到第二工作状态中，处于一端的第一外凸部21沿增大预紧力的方向周向顶推第一内凸部19时，推动第一连接座4的第一外凸限位部23与连接罩2的第一内凸限位部17脱离接触，并且，在运动过程中不会以处于运动方向前方的一端与第一内凸限位部17周向抵接，即运动过程中第一连接座4与第一内凸限位部17脱离后保持不接触；而处于另一端的第二外凸部22与第二内凸部20脱离并在运动过程中保持不接触，第二内凸限位部18与第二外凸限位部24保持接触，并静止在周向抵接的位置，与初始状态保持一致，如图8和图9所示。具体到第一工作状态中，第一内凸限位部17和第一外凸限位部23保持接触，与初始状态保持一致，第一内凸部19与第二内凸部20脱离并保持不接触，第二外凸部22推动第二内凸部20周向运动，使得第二连接座7的第二外凸限位部24与连接罩2的第二内凸限位部18脱离并在运动过程中保持不接触。

此外，步进电机1的输出轴14可以通过电机连接座3与联轴器6 的一端固定连接，阀芯连接座8可以与联轴器6的另一端固定连接，并在阀芯连接座8设置导向套，通过该导向套与阀芯10的第一端轴向可移动连接，进而实现阀芯10与联轴器6的轴向可移动连接。此时，一方面，可以借助电机连接座3步进电机1的输出轴14的定位和连接，借助阀芯连接座8实现阀芯10的连接和定位，尤其可以借助阀芯连接座8的导向套对阀芯10的轴向运动进行导向，提高运动可靠性；而且，在阀芯10和步进电机1的输出轴14均有效定位的同时，可以对联轴器6进行支撑定位。

并且，第一连接座4和第二连接座7可以均具有套筒部，此时，扭簧5靠近两端的部分可以套接于套筒部外，以实现扭簧5在整个轴向的支撑。再者，第一连接座4和第二连接座7的套筒部之间可以具有轴向间隙，以便扭簧5具有一定的轴向变形空间，适应配合间隙，避免卡死。

在上述基础上，可以采用丝杠12螺母结构实现阀芯10的第二端与阀体9的螺纹连接，以实现运动转化。

如图1、图4和图7，阀芯10的第二端固定连接有与其同轴设置的丝杠12，丝杠12具有与其螺纹连接的螺母套11，螺母套11与阀体 9固定连接，使得螺母套11被周向限位，进而将丝杠12的周向转动转化为轴向的螺旋运动，而丝杠12与阀芯10固定连接且同轴设置，丝杠12会将这种运动进一步传递给阀芯10，最终将阀芯10相对阀体 9的周向转动转化沿轴向的螺旋运动。

与此同时，还可以包括用于安装螺母套11的螺母安装座13，该螺母安装座13的一端与阀腔11远离步进电机1的一端密封连接，即密封连接阀腔11的与阀芯10的第二端相对应的同一端，在螺母安装座13的另一端密封连接有端盖15，端盖15将阀腔16的远离步进电机1的一端封盖；由于端盖15具有容腔，通过该容腔可以收容丝杠 12远离第二端的部分。

最终，阀腔16的两端分别通过端盖15和连接罩2密封，保证了整个阀体9的密封可靠性。

本方案的伺服阀通过控制步进电机1进行调节，而步进电机1可通过各种数字接口进行控制，实现了远程数字控制，而非传统的模拟量控制。

采用本实用新型的伺服阀，阀芯驱动力F可以按照下述公式计算得出：

F-阀芯驱动力，ρ-丝杠效率，T2-步进电机1的扭矩，T-扭簧扭矩，p-丝杠导程(即螺旋的导程)。

其中，步进电机1的扭矩为T2最大可以是0.9Nm，扭簧扭矩 T＝0.2Nm，丝杠效率ρ＝0.85，丝杠导程p＝5mm，计算得出阀芯驱动力F的最大值可以是740N或者1170N，当阀芯10朝向克服扭簧扭矩方向运动时最大值是740N，当朝向扭簧5复位方向运动时最大值是 1170N，阀芯10复位的作用力是200N。

而常规高频性伺服阀的直线马达的最大推力不大于150N，弹簧复位力不大于50N。可见，本方案的伺服阀的驱动力是常规直驱伺服阀的3至5倍，且运动阻力小，其它受力基本相同。

以上对本实用新型所提供的直动式数字伺服阀进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.直动式数字伺服阀，其特征在于，包括步进电机(1)、联轴器(6)、阀体(9)和阀芯(10)，所述阀体(9)具有轴向贯通的阀腔(16)、以及与所述阀腔(16)连通的回油口(T)、进油口(P)和至少两个工作油口(A、B)，所述阀芯(10)具有至少两个工作位，用于切换与所述进油口(P)和所述回油口(T)连通的所述工作油口；所述联轴器(6)的一端与所述步进电机(1)的输出轴(14)固定连接，另一端与所述阀芯(10)的第一端周向固定、轴向可移动连接，所述阀芯(10)的第二端与所述阀体(9)通过螺母套(11)螺纹连接，以便将所述阀芯(10)相对所述阀体(9)的周向转动转化沿轴向的螺旋运动，进而切换所述工作位并实现流量的连续调节。

2.如权利要求1所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，还包括复位机构，用于在所述步进电机(1)失电后驱动所述阀芯(10)复位。

3.如权利要求2所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，还包括连接罩(2)，所述连接罩(2)的两端分别与所述步进电机(1)的输出端和所述阀腔(16)的一端密封连接，所述联轴器(6)置于所述连接罩(2)内，所述步进电机(1)的输出轴(14)和所述阀芯(10)的第一端分别由轴向两端伸入所述连接罩(2)内，以分别与所述联轴器(6)的两端连接。

4.如权利要求3所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，所述复位机构包括扭簧(5)和与所述扭簧(5)的两端固定连接的连接座，所述连接罩(2)具有两个轴向相对设置的内凸限位部；所述步进电机(1)正反转时，所述步进电机(1)的输出轴(14)和所述阀芯(10)的第一端中的一者，推动同端的所述连接座周向运动，另一端的所述连接座周向抵接于另一端的所述内凸限位部，以扭转所述扭簧(5)，产生复位的弹簧力。

5.如权利要求4所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，所述复位机构还包括电机连接座(3)和阀芯连接座(8)，所述电机连接座(3)套接固定于所述步进电机(1)的输出轴(14)，所述阀芯连接座(8)周向固定地套接于所述阀芯(10)的第一端；两端的所述连接座均具有内凸部，所述电机连接座(3)和所述阀芯连接座(8)均具有与各自同端的所述内凸部周向抵顶配合的外凸部。

6.如权利要求5所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，两端的所述连接座均具有外凸限位部，所述阀芯(10)处于初始位置时，所述外凸限位部与各自同端的所述内凸限位部周向抵接，且两端的周向抵接力相反，以预紧所述扭簧(5)；所述步进电机(1)正反转时，推动一端的所述连接座脱离所抵接的所述内凸限位部，进而沿增大预紧力的方向周向运动。

7.如权利要求6所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，处于一端的所述外凸部推动同端的所述内凸部时，同端的所述外凸限位部与所述内凸限位部脱离并保持不接触；处于另一端的所述外凸部与相应的所述内凸部脱离并保持不接触，另一端的所述内凸限位部与相应的所述外凸限位部保持接触。

8.如权利要求5所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，所述步进电机(1)的输出轴(14)通过所述电机连接座(3)与所述联轴器(6)的一端固定连接，所述阀芯连接座(8)与所述联轴器(6)的另一端固定连接，所述阀芯连接座(8)具有导向套，所述导向套与所述阀芯(10)的第一端轴向可移动连接。

9.如权利要求4所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，所述连接座具有套筒部，所述扭簧(5)套接于所述套筒部外，处于两端的所述连接座的所述套筒部之间具有轴向间隙。

10.如权利要求1-9任一项所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，所述螺母套(11)与所述阀体(9)固定连接，所述阀芯(10)的第二端固定连接有与其同轴设置、并与所述螺母套(11)配合的丝杠(12)。

11.如权利要求10所述的直动式数字伺服阀，其特征在于，还包括用于安装所述螺母套(11)的螺母安装座(13)，所述螺母安装座(13)的一端与所述阀腔(16)远离所述步进电机(1)的一端密封连接，另一端密封连接有具有容腔的端盖(15)，所述容腔用于收容所述丝杠(12)远离所述第二端的部分。