专利名称：带弹簧和容腔补偿的非对称气动伺服阀的制作方法
技术领域：
本发明属于机械工程的机械零件与传动装置和流体控制技术领域，具体涉 及一种带弹簧和容腔补偿的非对称气动伺服阀。
背景技术：
气动系统首先应用于电阻式电焊机设备，之后气动电磁阀、气动比例阀相 继问世。但气动伺服控制技术难度大，性能要求高。人们认识到气动系统中同 一容腔内气体排尽所需的时间为充填时间的两倍以上。这种气动控制系统的非 对称现象，即同一容腔的排气时间远远超过充填时间，导致气动系统各容腔的 控制特性差异，尤其是下降时间与上升时间的快速响应相差甚远，甚至导致系 统失控，难以实现高速气动控制与节能。此外，由于气体压縮性和压力响应慢 等种种原因，气动伺服阔等元器件未能很好地产业化和普及。
目前气动技术在汽车、飞机制造、火车车辆、机床、自动化生产线、机器 人等方面得到了广泛的应用。随着宇航及国防军工的发展， 一般工业用响应缓 慢的气动控制飞跃到气动伺服控制，具有一定响应性速度、较高精度以及较大 功率的伺服控制技术应运而生，并应用于产业过程的远程控制等。
为了平衡气动系统中上述排放时间与充填时间两种不同的响应时间，基于 对称气动伺服阀的传统的柔性补偿对线性系统有一定效果，但是在诸如气动伺 服阀开口面积饱和和位移饱和、伺服放大器对称性、力矩马达摩擦力和抗干扰 力、喷嘴一挡板机构和滑阀阀芯行程饱和、压力流量特性的非线性等情况下， 不能直接进行特性补偿，且难于实现气动系统的高速控制和高精度控制。这就 导致越来越需要一种新原理的硬件方法来解决上述问题，实现高速高精度的气 动控制。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种带弹簧和容腔补偿的非对称气动伺服阀， 通过硬件措施来解决气动系统的排放时间大大超过充填时间的问题，克服现有 气动系统由于充填特性和排放特性而导致非对称现象甚至失控的问题，实现气 动系统的相对高速控制。
为达到上述目的、本发明的解决方案是
一种非对称气动伺服阀，包括上游节流口和下游节流口，所述上游节流口 和下游节流口的数量各自为一个或若干个，所述的上游节流口和下游节流口的 总面积呈非对称的结构形式。
所述的气动伺服阀内部的下游节流口的控制面积为上游节流口的控制面积 的1倍至3倍。即，根据工作压力的大小，该比例可以是在1倍至3倍之间的 任意数值。
还包括特性补偿结构。
所述特性补偿结构是设置于主阀芯的两端的一对弱弹簧。
所述特性补偿结构是设置于二级控制阀的主阀芯和一级控制阀的喷嘴挡板 之间的一对对称的几何容腔。
所述下游节流口和上游节流口的控制窗口的形状包括矩形、三角形、圆 形。当然，控制窗口采用不规则形状、以及下游节流口和上游节流口的控制窗 口在形状上不对应也是可以的。
所述上游节流口和下游节流口集成于同一个主阀芯和阀套的一体式结构。
本发明的非对称气动伺服阀，按照工作压力等级来控制气动伺服阀内部的 下游节流口的控制面积和上游节流口的控制面积的比例。在供气绝对压力为
0. lMPa至4. 0MPa或4MPa以上时，气动伺服阀内部的下游节流口的控制面积为 上游节流口的控制面积的1倍至3倍。在供气绝对压力为0. lMPa至0. 7MPa时， 气动伺服阀内部的下游节流口的控制面积为上游节流口的控制面积的1倍至2 倍；具体实施的结构上采取近似值，即下游节流孔的面积为上游节流孔面积的2 倍。在供气绝对压力为0. 7MPa至4MPa或超过4MPa时，气动伺服阀内部的下游 节流口的控制面积为上游节流口的控制面积的2倍至3倍；具体实施的结构上 采取近似值，即下游节流孔的面积为上游节流孔面积的3倍。
关于特性补偿结构，主阀芯和阀体之间安装有对称的一对弱弹簧，在主阀 芯和碰嘴挡板之间的几何结构上，通过阀内部的主阀芯、喷嘴、挡板、固定节 流器和阀体等零部件装配后，自然地形成封闭的两个对称控制容腔，通过一对 弱弹簧和两个几何容腔形成对主阀芯运动特性的综合补偿的结构。
具体的，本发明提出的带弹簧和容腔补偿的非对称气动伺服阀，包括力矩 马达的电-力转换部分、十字弹簧和衔铁的力-位移转换部分、喷嘴和挡板的一 级放大器部分、反馈弹簧杆和阀芯、阀套、 一对弱弹簧和一对几何容器组成的 主阀部分。在主阀的下游节流口采用与上游节流口不对称的节流面积的控制方 案，即按照不同的工作压力等级，下游节流口的控制面积为上游节流口的控制 面积的1倍至3倍之间的任意数值，下游节流口和上游节流口分别采用非对称
的控制方式。
进一步，所述的非对称控制方式是下游和上游采用不对称矩形节流窗口， 或者三角形节流窗口，或者圆形节流窗口的结构。
本发明在几何结构上，具体而言，在相同阀位移的条件下，下游节流口可 由多个矩形节流口构成，而上游节流口则由一个矩形节流口构成。也可以按照 下游节流口和上游节流口都采用相同数量的节流口 ，下游节流口的面积是上游 节流口的面积的1倍至3倍之间的任意数值(例如，2倍或3倍)的结构方式实 施。
本发明相关的主阀芯的两端分别采用对称的一对圆柱弱弹簧和一对固定几 何容腔进行主阀芯运动特性的综合补偿。没有任何补偿措施的一般普通气动伺 服阀，在低压时，由于阀两腔的压力较低，很容易产生低频振荡，导致阀的工 作不稳定。本发明采用一对弱的圆柱弹簧，对称地安装在主阀芯的两侧；同时，
在主阀芯的两侧和供气口、喷嘴挡板之间设置对称的两个几何补偿容腔。通过 一对弱弹簧和一对几何容腔形成综合补偿，从而改善气动伺服阀主阀芯的振荡， 实现阀芯运动的平稳控制。
由于采用了上述方案，气动伺服阀采用一体式结构，实现上游节流口面积 和下游节流口面积的非对称控制，即按照不同的工作压力等级，该比例可以是
在1倍至3倍之间的任意数值；例如，下游节流口面积为上游节流口面积的2 倍或3倍，实现了同一容腔的排气时间与充气时间基本相同的高速控制。主阀
部分通过一对弱弹簧和一对几何容腔的综合补偿方案改善了气动伺服阀的低频 振荡特性。
图1是本发明的一种实施例的主要部分的示意图。
图2是气动容腔的充气与排气过程示意图。
图3是非对称气动伺服阀动态特性测试的示意图。
图4是本发明的一种实施例的部分示意图。
图5是本发明的一种实施例的部分示意图。
图中标号l为永久磁铁，2为支持弹簧，3为控制线圈，4为喷嘴，5为第 一固定节流器，6为衔铁，7为第二固定节流器，8为主阀圆柱阀芯，9为位移 检测传感器(应变片)，IO为第二补偿反馈弹簧，ll为堵头，12为第一补偿反 馈弹簧，13为挡板、拨杆及反馈弹簧，14为第二补偿容腔2， 15为第二固定节 流器，16为第一补偿容腔，17为导磁体，18为供气气源，19为上游节流孔Su， 20为第一连接管路，21为充气容腔，22为放气容腔，23为第二连接管路，24
为下游节流孔Sd， 25为和大气相连接的排气口 ， 26为信号发生器和特性记录仪， 27为动态应变仪，28为主阀芯位移传感器，29为主阀，30为力矩马达，31为 伺服放大器，32为气源泵站，33为气体减压阀。
具体实施例方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的一种实施例的主要部分的示意图。如图所示，由永久磁铁1、 控制线圈3、导磁体17和衔铁6构成力矩马达，实现输入电信号和力之间的转 换。由支持弹簧2、衔铁6和拨杆及反馈弹簧13实现力和位移的转换。由喷嘴 4、挡板13、固定节流器5和固定节流器15以及主阀圆柱阀芯8之间的容腔构 成喷嘴挡板液压放大器，推动主阀芯8移动，从而控制节流口的大小，实现流 量控制。由拨杆及反馈弹簧13实现主阀芯8的位移反馈至喷嘴处。主阀芯8的 滑阀阀芯位移由粘贴在悬臂拨杆13上的应变片进行检测。由喷嘴4、挡板13、 固定节流器5、主阀圆柱阀芯8以及阀体等零件装配后，自然地构成一个容腔 16。同样，由喷嘴4、挡板13、固定节流器15、主阀圆柱阀芯8以及阀体等零 件装配后，自然地构成一个容腔14。容腔15和容腔14组合在一起，在压力和 流量变动时进行主阀阀芯8的特性补偿。
当主阀芯8朝右打开，即主阀芯8位移为正时，阀的开口为上游的一个节 流口；当主阀芯8朝左打开，即主阀芯8位移为负时，阀的开口由下游的两个 节流口组成。节流口的形状为矩形窗口，也可以是三角形节流窗口，或者圆形 节流窗口的结构。上游节流口和下游节流口采用同一种节流窗口形式。通过上 述过程，在相同阀位移时，主阀下游节流口面积为上游节流口面积的2倍或3 倍。
第二补偿反馈弹簧10和第一补偿反馈弹簧12、第二补偿容腔14和第一补 偿容腔16构成由一对弱弹簧和一对几何容腔组成的综合补偿，在低频振动或者 负载流量压力剧烈变化时，增加阻尼和动态反馈，提高主阀芯8的工作稳定性。 第一补偿反馈弹簧和第二补偿反馈弹簧10的刚度很小，根据主阀阀芯8的质量、 供气压力和几何容腔的大小确定。
图2所示为本发明实施时的一种分解说明的示意图。如图所示，上游节流 孔(Su) 19和下游节流孔(Sd) 24为同一气动伺服阀内部控制的两个节流孔。 当供气气源18的供给气体经过连接管路20后，由气动伺服阀内部控制的上游 节流孔(Su) 19控制开口面积(Su)的大小，向充气容腔21输送气体。充气容 腔21的充填过程中，当充气容腔21 (Pch)的压力低于供气气源18的压力(Ps) 时，上游节流孔(Su) 19开启，向充气容腔21进行充气；当充气容腔21 (Pch)
的压力达到供气气源18的压力(PS)时，上游节流孔(SU) 19关闭，完成充气
容腔21的充气。放气容腔22的排放过程中，当放气容腔22 (Pch)的压力高于 和大气相连接的排气口25的压力(Pe)时，下游节流孔(Sd) 24开启，向排气 口 25进行排气；当放气容腔22 (Pch)的压力下降至排气口 25的大气压力(Pe) 时，下游节流孔(Sd) 24关闭，完成排气容腔21的排气过程。
利用常规对称气动控制阀时，气动阀内部控制的两个节流孔面积相同，即 上游节流孔(Su) 19的面积等于下游节流孔(Sd)的面积，Su=Sd。当充气容腔 21 (Pch)从大气压(Pe)充填至供气气源18的压力(Ps)日寸，设所需的充气 时间为tu;当排气容腔22 (Pch)从压力(Ps)排尽气体至排气容腔22的压力 为大气压(Pe)时，设所需的排气时间为td。同一容腔的排气时间(td)为充 气时间(tu)的数倍以上。
通过本发明的非对称气动伺服阀，和常规的对称气动控制阀不同之处在于， 非对称气动伺服阔内部控制的两个节流孔面积呈非对称关系，即下游节流孔 (Sd)的面积为上游节流孔(Su) 19的面积的比例可以是在1倍至3倍之间的 任意数值；例如，2倍或3倍，Sd=2Su或Sd=3Su。当充气容腔21 (Pch)从大 气压(Pe)充填至供气气源18的压力(Ps)时，所需的充气时间为tu;当排气 容腔22 (Pch)从压力(Ps)排尽气体至排气容腔22的压力为大气压力(Pe) 时，所需的排气时间为td。同一容腔的排气时间(td)和充气时间(tu)基本 相同。
例如，对于体积为5cm3的容腔，当采用常规的对称气动控制阀，其主阀芯 的直径8mm，上游最大节流孔面积和下游最大节流孔面积均为10mm2时，容器供 气绝对压力为0. lMPa至4. OMPa时，放气时间为充气时间的1倍至2. 8倍。也 就是说，采用常规的对称气动控制阀，容腔供气绝对压力为0. lMPa时，充气时 间和放气时间相同；容腔供气绝对压力为0. 5MPa时，放气时间为充气时间的1. 8 倍；容腔供气绝对压力为4MPa时，放气时间为充气时间的2. 8倍。采用非对称 气动伺服阀后，容腔的放气时间和充气时间基本相同。
图3所示，测试非对称气动伺服阀的动态频率相应特性时，通过内藏芯片 的信号发生器兼特性记录仪26输出动态频率信号，经过伺服放大器31进行信 号放大后，输出至气动伺服阀的力矩马达30，力矩马达30进行电-力的转换， 推动气动伺服阀29内部的一级控制阀部分的喷嘴挡板运动，由一级部分推动二 级主阀芯的运动，同时反馈弹簧杆进行主阀芯位移反馈。内藏于气动伺服阀29 结构内部的主阀芯位移传感器28检测出主阀芯位移信号，该位移信号经过动态 应变仪27处理后，由信号发生器兼特性记录仪26进行记录和并和输入信号进 行比较分析。信号发生器兼特性记录仪26将给伺服放大器31的输入信号和主
阀芯位移传感器28的输出位移信号进行比较分析，自动检测出气动伺服阀的频 率响应和阶跃响应特性。
图4所示为本发明实施时的一种分解说明的示意图。非对称气动伺服阀的 实施过程中，例如下游节流孔的控制面积为上游节流孔的控制面积的2倍，可
以通过图4所示的方案实施。当阀芯位移x为正时，气体经过流入节流口向负 载口供气；当阀芯位移x为负时，气体经过负载口向出节流口排气。在流入节 流口只有一处，而流出节流口有两处；在相同的节流口形状和相同的阀位移时， 流出节流口的控制面积为流入节流口的控制面积的2倍。在一般的供气绝对压 力等级在0. lMPa至0. 7MPa范围的场合下，非对称气动伺服阀内部控制的两个 节流孔面积比为1.8倍，具体实施的结构上采取近似值，即下游节流孔的面积 为上游节流孔面积的两倍，从而放气时间和充气时间基本相同。在釆用比例为1 倍时，即是常规对称气动控制阀(气动阀内部控制的两个节流孔面积相同，即 上游节流孔(Su) 19的面积等于下游节流孔(Sd)的面积)，放气时间为充气时 间的两倍以上。
图5所示为本发明实施时的一种分解说明的示意图。非对称气动伺服阀的 实施过程中，例如下游节流孔的控制面积为上游节流孔的控制面积的3倍，可 以通过图5所示的方案实施。当阀芯位移x为正时，气体经过流入节流口向负 载口供气；当阀芯位移x为负时，气体经过负载口向出节流口排气。在流入节 流口只有一处，而流出节流口有三处；在相同的节流口形状和相同的阀位移时， 流出节流口的控制面积为流入节流口的控制面积的3倍。在较高的供气绝对压 力等级在0. 7至4MPa或4MPa以上的场合下，非对称气动伺服阀内部控制的两 个节流孔面积比为2.8倍，具体实施的结构上采取近似值，即下游节流孔的面 积为上游节流孔面积的3倍，从而放气时间和充气时间基本相同。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用 本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改， 并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此， 本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明 做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.非对称气动伺服阀，包括上游节流口和下游节流口，其特征在于所述上游节流口和下游节流口的数量各自为一个或若干个，所述的上游节流口和下游节流口的总面积呈非对称的结构形式。
2、 根据权利要求1所述的非对称气动伺服阀，其特征在于所述的气动 伺服阀内部的下游节流口的控制面积为上游节流口的控制面积的1倍至3倍。
3、 根据权利要求1所述的非对称气动伺服阀，其特征在于还包括特性 补偿结构。
4、 根据权利要求3所述的非对称气动伺服阀，其特征在于所述特性补 偿结构是设置于主阀芯的两端的一对弱弹簧。
5、 根据权利要求3所述的非对称气动伺服阀，其特征在于所述特性补 偿结构是设置于二级控制阀的主阀芯和一级控制阀的喷嘴挡板之间的一对对称 的几何容腔。
6、 根据权利要求1所述的非对称气动伺服阀，其特征在于所述下游节 流口和上游节流口的控制窗口的形状包括矩形、三角形、圆形。
7、 根据权利要求1至6中任一所述的非对称气动伺服阀，其特征在于 所述上游节流口和下游节流口是集成于同一个主阀芯和阀套的一体式结构。
全文摘要
带弹簧和容腔补偿的非对称气动伺服阀，上游节流口和下游节流口的面积呈非对称的结构形式；下游节流口的控制面积和上游节流口的控制面积的比例，根据工作压力的大小可以是1倍至3倍之间的任意数值。主阀芯的两端分别采用一对弱弹簧进行特性补偿；二级控制阀的主阀芯和一级控制阀的喷嘴挡板之间，通过阀内部的主阀芯、喷嘴、挡板、固定节流器和阀体等零部件装配后，自然地形成一对容腔，通过这一对对称的几何容腔进行特性补偿。本发明采用一体式结构，实现了上游和下游节流口面积的非对称控制，实现了同一容腔的排气时间与充气时间基本相同的高速控制，主阀部分通过一对弱弹簧和几何容腔的综合补偿改善了气动伺服阀的低频振荡特性。
文档编号F15B11/00GK101372990SQ200710045230
公开日2009年2月25日 申请日期2007年8月24日 优先权日2007年8月24日
发明者訚耀保 申请人:同济大学