专利名称：水轮机调速器双反馈定位式大流量液压控制阀及其控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水轮机调速器双反馈定位式大流量液压控制阀及其控制系统，可用于作为大流量比例控制阀以及特大、大、中型水轮机调速器的机械液压控制系统。该阀是一种液流方向及大小与电气控制信号成比例的液压阀，用于大型油缸(接力器)以及控制水轮机导叶和桨叶接力器的位移，实现对大型油缸(接力器)的精确定位和对流过水轮机的水流流量的自动调节和控制，属于液压传动和水轮机调速器液压控制技术领域。
背景技术：
随着水电行业的发展，特别是大型、特大型水轮机的出现，对水轮机调速器提出了更高的要求，除要求可靠性更高外，还要求静、动态指标优越，并要求调速器的可靠性越来越高，否则出现的故障其损失是难以估算的。根据我们多年对调速器的研究和现场调试经验可知，由于我国水电厂液压设备用油的油质清洁度难以保证，造成先导控制级易发卡；特大型水轮机组机惯性大，响应慢，因此，提高调速器先导级的响应速度，对整机的速动性作用不大。要提高整个系统的动态响应速度，主要是提高流量放大级的响应速度，即主配压阀控制的主接力器的响应速度。因此， 如何简化主配压阀的结构，提高其控制精度和响应速度成为本行业关注的焦点和难点。对水轮机调速而言，水轮机调速器经历了多种形式的发展和进步。特别是在电气控制部分采用了数字技术，构成了 “数字式调速器”，而在机械液压部分还是相对落后。首先在油压上，液压行业的油压早就达到31. 5Mpa，而大型调速器最高油压仅为6. 3Mpa，造成主配压阀体积庞大，结构复杂，制造困难。目前，主配压阀已进行了多次改进，首先由带杠杆的明管系统，改为直连型液压集成结构，接着去掉了引导阀，将二级阀变为一级阀，响应速度得到提高。目前国内外的主配压阀，基本上都是采用“定位套+弹簧”刚性定位方式，由于定位套加工尺寸误差，特别是弹簧的刚性难以保证一致，必然会造成漂移，而且在使用过程中不稳定，传统的主配压阀都需要调整机械零位，同时还给加工装配带来了极大的不便。
发明内容
本发明针对目前调速器液压控制系统流量、压力受限，反馈响应缓慢、自复中困难等问题，设计一种不需要调整机械零位的水轮机调速器双反馈定位式大流量液压控制阀及其控制系统。本发明的技术方案本发明的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀包括先导控制级和流量放大级，下部流量放大级的阀体的上部与油盘底板连接，上部先导控制级的缸体连接在阀盖上，并通过阀盖与油盘底板连接；活塞分为上部的先导控制级活塞和下部的流量放大级活塞，先导控制级的活塞杆与流量放大级的活塞杆的端面为接触式连接，下部的放大级活塞是差压活塞，其上阀盘面积大于下阀盘面积，两者的面积之差为AS ；先导控制级活塞的面积Sk大于AS ；在流量放大级阀体衬套的侧壁上部横向加工两个反馈孔， 即上反馈孔和下反馈孔，上反馈孔的上边缘至下反馈孔的下边缘的距离H2小于流量放大级活塞上阀盘的厚度H1，在衬套上两个反馈孔处加工一个垂直的反馈控制孔，反馈控制孔将上反馈孔与下反馈孔连通，反馈控制孔直通衬套上端，通过高压软管与复中油口连通，上反馈孔和下反馈孔外端封死，活塞衬套上加工多个油口，上面对称的油口构成A腔控制油口，下面对称的油口构成B腔控制油口，中间对称的油口构成压力油P腔；先导控制压力油进油口通过第二高压软管和阀体衬套侧壁上的油道与主压力油P腔连通。所述的流量放大级活塞上阀盘的厚度H1，上反馈孔上边缘至下反馈孔下边缘的距离 H2, H1-H2 = 0. 1 0. 5mm。所述的上反馈孔上边缘至下反馈孔下边缘的距离H2，流量放大级A腔控制油口上、下边缘的距离H3，H2-H3 = 0. 1 0. 3mm。所述的流量放大级活塞上阀盘的面积Sl与下阀盘的面积S2之差AS = S1-S2 = 13 20cm2。所述的流量放大级活塞上阀盘的面积Sl与下阀盘的面积S2之差Δ S = S1-S2， 控制级活塞的面积为Sk，Sk = O 3) Δ S。所述的流量放大级活塞上阀盘的面积Sl与下阀盘b的面积S2之差优选Δ S = S1-S2 = 15cm2。所述的控制级活塞3的面积优选Sk = 3 Δ S。所述的上反馈孔和下反馈孔的直径优选6mm。优选地，所述的活塞衬套上加工了 12个油口，上面对称的4个油口构成A腔控制油口，下面对称的4个油口构成B腔控制油口，中间对称的4个油口构成压力油P腔。本发明的双反馈定位式大流量水轮机调速器液压控制系统，包括双反馈定位式大流量控制阀，双反馈定位式大流量控制阀的先导控制压力油进油口经过滤器与功能分选阀、紧急停机电磁阀与比例阀连接；功能分选阀控制两位六通液控阀来选择比例阀或脉冲球阀为主用，比例阀通过单向阀以及逻辑阀与两位六通阀连接，两位六通阀的主压力油口 P 和回油口 T分别与双反馈定位式大流量控制阀的控制油口和复中油口连接；在双反馈定位式大流量控制阀的控制级活塞的控制腔与两位六通阀的油路之间连接由紧急停机电磁阀和两位三通液控阀组成的紧急停机阀组。所述的双反馈定位式大流量水轮机调速器液压控制系统，其紧急停机阀组的设置可配置单套或双套并联结构。本发明具有如下良好效果和特点1、本发明首次采用“双反馈定位”确保流量放大级活塞的定位及精度，即在流量放大级衬套上设计两个反馈孔，下反馈孔通压力油，上反馈孔通回油，从而实现“双馈活塞定位，液压复中”，达到符合我国国情的具有“自复中”功能的主配压阀功能，结构简单新颖独特，可靠性高。不需要调整流量放大及活塞的的机械位置，稳态工作无漂移，成倍提高了可靠性。2、为改善加工工艺，将先导控制级和流量放大级作成两件，将上部的先导控制部分采用一个不变的标准结构，要改变流量放大级的通油能力，在保证流量放大级压差活塞的差压面积在AS = 13 20cm2的条件下只需改变流量放大级活塞直径和相应管路的通径即可。由于将流量放大级活塞和先导控制级活塞分为两件，减轻了流量放大级活塞重量，提高了流量放大级的频率响应时间和动态响应能力。3、流量放大级活塞采用差压活塞，只需要单腔控制，简化油路和结构。两个活塞杆的端面为非刚性的接触式连接方式，仅靠主配的差压活塞的差压面积△ S，产生一个向上的跟踪力，先导控制级活塞的操作力使两个活塞杆的端面紧密接触。4、为了实现上述要求，流量放大级的反馈复中定位油路和控制油路以及压力油路与先导控制级之间的油路接口采用高压软管柔性连接。5、在结构设计上，先导控制级的阀组采用积木叠加式结构，可根据用户的不同要求组合为双比例伺服阀、双数字阀、比例数字阀、双紧急停机等方式。6、流量放大级阀体采用无缝钢管整体焊接而成，内部镶嵌优质合金钢衬套，增强了可靠性，降低了加工工艺和难度。7、本发明的控制系统在复中定位油路和控制油路中串联了两个液压逻辑阀进行自动切换。比例阀工作时，液压逻辑阀自动将复中油路断开，比例阀断电时，比例阀的控制油口 A、B处在排油位置，液压逻辑阀自动将复中油路接通，实现断电自动复中。8.当数字球阀主用时，如果无操作信号，复中油路接通，若数字球阀得电或人为操作时，自动切断复中路并控制先导活塞上行或下行。总之，本发明综合了双反馈定位油路与控制油路共路技术、双油路反馈定位归零技术、先导级与放大级油路柔性连接技术、单腔液压控制技术，充分体现了本发明的独创性。
图1是本发明的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀结构示意图。图2是图1的E处局部放大图。图3是流量放大级活塞及衬套的结构关系示意图。图4是本发明的双反馈定位式大流量水轮机调速器液压控制系统图。
具体实施例方式如图1、图2、图3本发明的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀包括先导控制级和流量放大级，下部流量放大级的阀体1的上部与油盘底板7连接，上部先导控制级的缸体6连接在阀盖4上，先导控制级通过阀盖4与油盘底板7连接；活塞分为上部的先导控制级活塞3和下部的流量放大级活塞9，先导控制级活塞杆3. 1与流量放大级活塞杆9. 1的端面为接触式连接，下部的放大级活塞9是差压活塞，其上阀盘面积9a大于下阀盘面积％， 两者的面积之差为AS ；先导控制级活塞3的面积Sk大于AS ；在流量放大级阀体衬套2的侧壁上部横向加工两个反馈孔(图2)，即上反馈孔加和下反馈孔2b，上反馈孔加的上边缘至下反馈孔2b的下边缘的距离H2小于流量放大级活塞上阀盘9a的厚度Hl，在衬套2上两个反馈孔处加工一个垂直的反馈控制孔2c，反馈控制孔2c将两个横向反馈孔连通，反馈控制孔2c直通衬套2上端，通过高压软管fe与复中油口 5连通，上反馈孔加和下反馈孔 2b外端封死(图幻。优选地，活塞衬套2上加工了 12个油口，上面对称的4个油口构成A腔控制油口，下面对称的4个油口构成B腔控制油口，中间对称的4个油口构成主压力油P 腔；先导控制压力油进油口 8通过第二高压软管8a和阀体衬套2侧壁上的油道2d与主压力油P腔连通。当流量放大级活塞9在衬套2的中间位置时，A、B腔控制油口将被封死，执行油缸 (接力器，图1、4虚线框内，下同)活塞不运动，当流量放大级活塞9在衬套2的上方位置时，主压力油P通过A腔控制油口流出至执行油缸(接力器)的一端，执行油缸(接力器) 的另一端经B腔控制油口流至回油口T控制执行油缸(接力器)活塞向一端运动。反之， 当流量放大级活塞9在衬套2的下方位置时，主压力油P通过B腔控制油口流出至执行油缸(接力器)的另一端，执行油缸(接力器)的一端经A腔控制油口流至回油口 T控制执行油缸(接力器)活塞向另外一端运动。开、关机时间调整螺栓11是限制流量控制级活塞的上、下移动的行程。双反馈和控制油路fe以及先导控制压力油路8a是通过高压软管将流量放大级与先导控制级相连。所述的流量放大级活塞上阀盘9a的厚度Hl，上反馈孔加上边缘至下反馈孔2b下边缘的距离H2，H1-H2 = 0. 1 0. 5讓。所述的上反馈孔加上边缘至下反馈孔2b下边缘的距离H2，流量放大级A腔控制油口上、下边缘的距离H3，H2-H3 = 0. 1 0. 3讓。所述的流量放大级活塞上阀盘9a的面积Sl与下阀盘9b的面积S2之差Δ S = S1-S2 = 13 20cm2，优选 AS = S1-S2 = 15cm2。所述的流量放大级活塞上阀盘9a的面积Sl与下阀盘9b的面积S2之差Δ S = S1-S2，控制级活塞3的面积为Sk，Sk = O 3) Δ S，优选Sk = 3 Δ S。所述的上反馈孔加和下反馈孔2b的直径是6mm。执行部分是液压油缸或水轮机的接力器。液压油缸的作用是通过液压放大来进行液压传动，水轮机的接力器用来推动水轮机导叶和桨叶的开度，实现对水轮机组转速或流量的调节和控制。本发明在结构设计上，首先将活塞分为两件，上部为先导控制级活塞，先导控制级活塞为单腔控制，其阀盘的下方与回油接通，上方是活塞的控制腔，先导控制级活塞的阀盘面积大于流量放大级差压活塞的差压面积，当与压力油接通时，克服流量放大级活塞的向上力后，活塞下行，当与回油接通时，流量放大级活塞的差压面积产生的向上力克服先导级活塞的摩擦力后，活塞上行。因此，下部为流量放大级活塞与上部的先导控制级活塞之间没有任何刚性连接。下部的流量放大级活塞为差压活塞，上阀盘与下阀盘的差压面积为AS =S1-S2，接通压力油后产生一个向上的液压跟踪力，使上、下部分活塞杆紧密接触，不但减轻了主活塞的重量，提高主配压阀的速动性，而且改善了加工工艺，将一个完整的主配压阀分为上、下二大件，并且可以将上部的先导控制部分作为一个恒定不变的标准结构。而下部的流量放大部分，可根据机组容量来选择主配压阀的直径(直径系列为80mm、100mm、 150mm、200mm、250mm)。在设计中只需要保证不同直径主配阀的差压活塞的差压面积AS — 致即可，这样可以降低生产难度和加工周期。流量放大级阀体、衬套、活塞是根据油缸(接力器)的用油量的需要是可变，其他零部件采用不变的标准结构。
由图3和图4得知，上反馈孔加和下反馈孔2b位于上部的回油腔T和主压力油腔P之间，当流量放大级活塞9处在平衡中心线O1-O2的平衡位置时，放大级活塞9的上阀盘 9a刚好将上反馈孔加和下反馈孔2b遮住。即在流量放大级活塞9处在平衡中心线O1-A 的平衡位置时，上反馈孔加和下反馈孔2b都被关闭。流量放大级活塞上阀盘9a的厚度大于衬套2上的上反馈孔加和下反馈孔2b两个反馈孔的上、下边缘距离，上反馈孔加和下反馈孔2b的上、下边缘距离大于A腔油口的上、下边缘的距离，上反馈孔加和下反馈孔2b 关闭就意味着A腔油口完全关闭。因此，当流量放大级活塞9上升时，下反馈孔2b被打开与主压力油腔P相通，压力油即迫使活塞9下降。反之，当放大级活塞9下降时，上反馈孔 2a被打开与回油腔T相通，迫使放大级活塞9上升，这就实现了一上一下的液压双反馈，使放大级活塞9总是自动处在平衡中心线O1-O2的平衡位置，提高了定位精度，实现了零漂移。本发明的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀实质上是一个双反馈大流量比例阀。系统压力油和回油都可作为反馈控制源，故为“双反馈”；一般比例阀，压力和通径均较小，本发明的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀通径可达80mm、100mm、150mm、 200mm、250mm，压力可达31. 5MPa，流量和压力范围大大提高，是为“大流量控制阀”。通过原理创新、工艺改进，本发明的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀不仅可以用于水电调速器领域，也可广泛应用于钢铁、冶金、能源、化工等领域的液压工程应用。图4是本发明的双反馈定位式大流量水轮机调速器液压控制系统原理图。采用本发明的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，通过先导控制级和流量放大级实现“双馈活塞定位，液压复中”。双反馈定位式大流量控制阀作为水轮机调速器主配压阀使用。双反馈定位式大流量控制阀的先导控制压力油进油口 8经过滤器12与功能分选阀13、紧急停机电磁阀17与比例阀14连接；功能分选阀13控制两位六通液控阀16来选择比例阀14或脉冲球阀19、20为主用，比例阀14通过单向阀15以及逻辑阀18与两位六通阀16连接，两位六通阀16的主压力油口 P和回油口 T分别与双反馈定位式大流量控制阀的控制油口 10和复中油口 5连接；在双反馈定位式大流量控制阀的控制级活塞3的控制腔10与两位六通阀16的油路之间连接由紧急停机电磁阀17和两位三通液控阀21组成的紧急停机阀组。紧急停机阀组的设置可配置单套或双套并联结构。先导控制压力油进油口 8与功能分选阀13连接，功能分选阀13与比例阀14连接，比例阀14通过单向阀15与两位六通阀16连接，两位六通阀16的P 口和T 口分别与双反馈定位式大流量控制阀的控制油口 10和复中油口 5连接；在主油路与控制油路之间连接紧急停机阀组17和21 ；在比例阀14的两个控制口经液控单向阀15通过两个串联的液压逻辑阀18(18a和18b)与两位六通阀16的两个控制口连接。他们可将两条油路接通或隔断，可实现控制油路和复中油路自动切换。控制油从P 口进，T腔流出。由于下部放大级活塞的上下面面积差，油液推动其向上运动，导致油液从图2孔2b流入，进入先导控制部分。功能分选阀13控制两位六通液控阀16来选择比例阀14或数字球阀19、20作为主备用。当数字球阀主用时，如果无操作信号，复中油路接通，若数字球阀得电或人为操作时，自动切断复中路并控制先导活塞上行或下行。当比例阀主用时，其中一个液压逻辑阀是关闭的，比例阀控制先导活塞上行或下行，若比例阀断电时，比例阀自动切换到第四位的保护工况(即比例阀的A、B工作油口都与回油相通)。这时两个液压逻辑阀导通，同时控制油路和复中油路相通，实现了主配压阀的复中，即本发明的一大特点双馈复中油路和控制油路的“共路技术”。本发明设置两个大于流量放大级衬套控制油口 A的反馈油孔加及2b经控制元件比例阀及数字阀等控制油路与先导控制级活塞相连，形成复中油路或控制油路，当控制元件退出控制时，两个反馈油孔直接与先导控制级活塞相连，保证流量放大级活塞将两个反馈油孔封死，实现复中。当控制元件比例阀控制时，比例阀A或B腔的压力油控制逻辑阀将两个反馈油孔的复中油路切断。当控制元件数字球阀控制时，如果没有操作信号复中油路接通，否则，数字球阀控制活塞向上或向下动作。采用功能分选阀控制两位六通液控阀来选择比例阀或数字球阀为主备用。采用叠加结构可以组合双比例阀、比例阀或数字球阀、双紧急停机等不同结构来满足不同的要求。本发明是由先导控制级和流量放大级组成的双反馈定位式大流量控制系统。设置两个大于流量放大级衬套控制口 A的反馈油孔经控制元件比例阀及数字阀等控制油路与先导控制级活塞相连，形成复中油路或控制油路，当控制元件退出控制时，两个反馈油孔直接与先导控制级活塞相连，保证流量放大级活塞将两个反馈油孔封死，实现复中。当控制元件比例阀控制时，比例阀A或B腔的压力油控制逻辑阀将两个反馈油孔的复中油路切断。当控制元件数字球阀控制时，如果没有操作信号复中油路接通，否则，数字球阀控制活塞向上或向下动作。本发明水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀及其控制系统，系统压力油和回油都可作为反馈控制源，故为“双反馈”；一般比例阀，压力和通径均较小，本实用新型的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀通径可达150mm、200mm、250mm，压力可达31. 5MPa， 流量和压力范围大大提高，是为“大流量控制阀”。可广泛应用于钢铁、冶金、能源、化工等领域的液压工程应用。
权利要求
1.一种水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，包括先导控制级和流量放大级，下部流量放大级的阀体(1)的上部与油盘底板(7)连接，上部先导控制级的缸体(6)连接在阀盖(4)上，并通过阀盖(4)与油盘底板(7)连接；活塞分为上部的先导控制级活塞(3)和下部的流量放大级活塞(9)，先导控制级的活塞杆(3. 1)与流量放大级的活塞杆(9. 1)的端面为接触式连接，下部的放大级活塞(9)是差压活塞，其上阀盘面积(9a)大于下阀盘面积(％)，两者的面积之差为AS;先导控制级活塞(3)的面积Sk大于AS;在流量放大级阀体衬套O)的侧壁上部横向加工两个反馈孔，即上反馈孔Oa)和下反馈孔(2b)，上反馈孔 (2a)的上边缘至下反馈孔Ob)的下边缘的距离H2小于流量放大级活塞上阀盘(9a)的厚度Hl，在衬套( 上两个反馈孔处加工一个垂直的反馈控制孔(2c)，反馈控制孔Qc)将上反馈孔Oa)与下反馈孔Qb)连通，反馈控制孔Qc)直通衬套(2)上端，通过高压软管(5a) 与复中油口( 连通，上反馈孔Oa)和下反馈孔Ob)外端封死，活塞衬套( 上加工多个油口，上面对称的油口构成A腔控制油口，下面对称的油口构成B腔控制油口，中间对称的油口构成压力油P腔；先导控制压力油进油口(8)通过第二高压软管(8a)和阀体衬套(2) 侧壁上的油道Od)与主压力油P腔连通。
2.根据权利要求1所述的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，其特征在于流量放大级活塞上阀盘(9a)的厚度H1，上反馈孔Qa)上边缘至下反馈孔Qb)下边缘的距离 H2, H1-H2 = 0. 1 0. 5mm。
3.根据权利要求1或2所述的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，其特征在于 上反馈孔Oa)上边缘至下反馈孔Ob)下边缘的距离H2，流量放大级A腔控制油口上、下边缘的距离 H3，H2-H3 = 0. 1 0. 3mm。
4.根据权利要求1或2所述的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，其特征在于流量放大级活塞上阀盘(9a)的面积Sl与下阀盘(9b)的面积S2之差Δ S = S1-S2 = 13 20cm2。
5.根据权利要求1或2所述的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，其特征在于 流量放大级活塞上阀盘(9a)的面积Sl与下阀盘(9b)的面积S2之差Δ S = S1-S2，控制级活塞⑶的面积为Sk，Sk = O 3) Δ S。
6.根据权利要求4所述的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，其特征在于流量放大级活塞上阀盘(9a)的面积Sl与下阀盘(9b)的面积S2之差Δ S = S1-S2 = 15cm2。
7.根据权利要求5所述的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，其特征在于控制级活塞⑶的面积Sk = 3 Δ S。
8.根据权利要求1或2所述的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，其特征在于 上反馈孔Oa)和下反馈孔Qb)的直径是6mm。
9.根据权利要求1或2所述的水轮机调速器双反馈定位式大流量控制阀，其特征在于 活塞衬套( 上加工了 12个油口，上面对称的4个油口构成A腔控制油口，下面对称的4 个油口构成B腔控制油口，中间对称的4个油口构成压力油P腔。
10.一种双反馈定位式大流量水轮机调速器液压控制系统，包括权利要求1 9之一的双反馈定位式大流量控制阀，其特征在于双反馈定位式大流量控制阀的先导控制压力油进油口(8)经过滤器(12)与功能分选阀(13)、紧急停机电磁阀(17)与比例阀(14)连接；功能分选阀(13)控制两位六通液控阀(16)来选择比例阀(14)或脉冲球阀(19,20)为主用，比例阀(14)通过单向阀(15)以及逻辑阀(18)与两位六通阀(16)连接，两位六通阀 (16)的主压力油口 P和回油口 T分别与双反馈定位式大流量控制阀的控制油口(10)和复中油口( 连接；在双反馈定位式大流量控制阀的控制级活塞( 的控制腔(10)与两位六通阀(16)的油路之间连接由紧急停机电磁阀(17)和两位三通液控阀组成的紧急停机阀组。
全文摘要
本发明提供一种水轮机调速器双反馈定位式大流量液压控制阀及其控制系统，双反馈定位式大流量液压控制阀将先导控制级和流量放大级作成两件，将上部的先导控制部分采用一个不变的标准结构，要改变流量放大级的通油能力，在保证流量放大级压差活塞的差压面积在ΔS＝13～20cm2的条件下只需改变流量放大级活塞直径和相应管路的通径即可。在流量放大级衬套上设计两个反馈孔，下反馈孔通压力油，上反馈孔通回油，实现双馈活塞定位，液压复中，是具有“自复中”功能的主配压阀，结构简单新颖独特，可靠性高，不需要调整流量放大及活塞的机械位置，稳态工作无漂移，成倍提高了可靠性，减轻了流量放大级活塞重量，提高了流量放大级的频率响应时间和动态响应能力。
文档编号F03B15/02GK102364088SQ201110341968
公开日2012年2月29日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者刘安平, 刘钰, 劳鹏飞, 徐家荣, 李东峰, 李静静, 王书浩, 胡武苏, 高文进 申请人:武汉三联水电控制设备有限公司