集成式电液驱动调节阀及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种集成式电液驱动调节阀及控制方法,包括阀体，阀体内设有相连的阀芯和阀杆，阀杆通过一个柔性连接套与一个双出杆对称液压缸的下活塞杆相连，双出杆对称液压缸的上活塞杆的顶端设有阀位检测传感器；且双出杆对称液压缸的上、下油口与双向齿轮泵的两个出油口相连通，双向齿轮泵与电机连接，由电机带动双向齿轮泵运转；且在普通电机上有变频器，变频器与单片机控制单元连接。本发明的集成式电液驱动调节阀体积小，重量轻，采用变频器与普通驱动电机组合的方式来实现控制电机的功能，具有比较好的性价比，电液驱动系统的输出压力和流量能随负载的变化而自动调整，延长了调节阀的寿命，保证系统长时间稳定运行，具有很高的可靠性。
【专利说明】集成式电液驱动调节阀及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用插装结构形成的集成式电液驱动调节阀及控制方法，属于调节阀【技术领域】。
【背景技术】
[0002]调节阀是工业过程控制系统的关键设备之一，广泛应用于火力发电、核电、化工等流体控制场合，是工业生产过程最常用的终端控制元件。电液驱动调节阀结合了电子技术和液压技术两方面的优势，具有输出功率大、响应速度快、控制精度高、信号处理灵活等特点。但传统的电液驱动调节阀需要复杂的油液管路，带着一个体积庞大且笨重的液压站，给调节阀的运输、安装、维护带来不便，限制在了电液驱动调节阀的进一步推广应用。
【发明内容】
[0003]本发明针对现有的电液驱动调节阀存在的体积庞大、需要构建复杂的油液管路等问题，提供一种结构紧凑、几乎不需油液管路连接的电液驱动调节阀。
[0004]本发明采用的技术方案如下:
[0005]集成式电液驱动调节阀，包括阀体，阀体内设有相连的阀芯和阀杆，所述的阀杆通过一个柔性连接套与一个双出杆对称液压缸的下活塞杆相连，所述的双出杆对称液压缸的上活塞杆的顶端设有阀位检测传感器；且所述的双出杆对称液压缸的上、下油口与双向齿轮泵的两个出油口相连通，所述的双向齿轮泵与电机连接，由电机带动双向齿轮泵运转；且在普通电机上有变频器，变频器与单片机控制单元连接。
[0006]所述的电机通过电机安装螺孔安装在一个插装阀阀块的后端面上，双向齿轮泵通过双向齿轮泵安装螺孔安装在所述阀块的前端面上；所述的电机的输出轴伸入所述阀块上开的通孔中，双向齿轮泵的输入轴也伸入所述阀块上开的通孔中，电机的输出轴和双向齿轮泵的输入轴通过联轴器连接在一起。
[0007]所述的补油油箱通过油箱安装螺孔安装在阀块的前端面上，把双向齿轮泵、双向齿轮泵泄油口和安全阀卸油口包围到油箱内腔中。
[0008]所述的插装阀阀块上还设有液压锁插装口、安全阀插装口、液压油口，所述的液压锁插装口用于插装液压锁，所述的安全阀插装口用于插装安全阀，所述的液压油口通过软管分别接到双出杆对称液压缸的上油口和下油口上。
[0009]所述的插装阀阀块安装在双出杆对称液压缸的一侧。
[0010]柔性连接套件，包括左耳环和右耳环，左耳环和右耳环中间形成与阀杆的顶端相配合的凹槽，左耳环与右耳环分别串在大圆柱销的两端，在大圆柱销的中部设有一个与其轴线垂直相交且贯通大圆柱销的小孔，小孔内穿过一个连接大圆柱销与上座弧形轴架的小圆柱销，在所述的上座弧形轴架上套装一个对其实施预紧力的防滑均力弹簧，防滑均力弹簧将大圆柱销、小圆柱销包围起来；防滑均力弹簧上端部顶在上座上，下端部顶在左耳环与右耳环上，所述的上座上设有与活塞杆相配合的头部螺纹。
[0011]左耳环与右耳环对称设置，且形成工字形凹槽。
[0012]大圆柱销、小圆柱销的长度均小于防滑均力弹簧的内径，故防滑均力弹簧可以防止大圆柱销、小圆柱销滑出销孔。
[0013]整套液压动力系统除了液压油口与双出杆对称液压缸间连接有软管外，其余各处均不用液压管路，系统结构高度集成，节省了空间，结构紧凑。
[0014]所述的阀位检测传感器检测上活塞杆的移动距离，并将检测结果反馈给调节阀控制器；该距离反映了调节阀的开口度。
[0015]在流体输送管道上安装有被控参数检测传感器。
[0016]本发明的控制方法如下:
[0017]通过调节阀控制器设定管路输送流体的被控参数，被控参数检测传感器将采集到的信号反馈到调节阀控制器，与设定值进行差值换算；调节阀控制器再将运算所得的信号输出给变频器，变频器接收来自调节阀控制器的信号，并根据控制信号确定电机的旋转方向和速度；电机带动双向齿轮泵运转并向系统供油；
[0018]当双向齿轮泵自左向右供油时，液压油先通过液压锁，然后由上油口进入双出杆对称液压缸的上腔，推动活塞带着上活塞杆和下活塞杆向下运动；下活塞杆作用在柔性连接套件上，柔性连接套件通过自身调节作用，平稳均衡地将双出杆对称液压缸输出的推力作用在阀杆上，阀杆再推动调节阀的阀芯向下运动，减小调节阀的开度；
[0019]当双向齿轮泵自右向左供油时，液压油先通过液压锁，然后由下油口进入双出杆对称液压缸的下腔，推动活塞带着上活塞杆和下活塞杆向上运动。下活塞杆作用在柔性连接套件上，柔性连接套件通过自身调节作用，平稳均衡地将双出杆对称液压缸输出的拉力作用在阀杆上，阀杆再拉调节阀的阀芯向上运动，增大调节阀的开度。
[0020]本发明的有益效果如下:
[0021]与传统的液压驱动调节阀相比，本发明的集成式电液驱动调节阀体积小，重量轻，采用变频器与普通驱动电机组合的方式来实现控制电机的功能，具有比较好的性价比，电液驱动系统的输出压力和流量能随负载的变化而自动调整，功率消耗小，延长了调节阀的寿命，保证系统长时间稳定运行，具有很高的可靠性。
[0022]液压执行机构输出的力作用在柔性连接套件上，由于柔性连接套件的小圆柱销与大圆柱销可以自由转动，在上座与左耳环、右耳环间会发生转动，能够自动矫正执行机构的输出轴和调节机构输入轴不同轴造成的位置差别，从而将执行机构输出的力作用快速有效地传递给调节机构，改变控制阀的开度。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明的结构原理示意图；
[0024]图2为本发明中液压系统插装结构示意图；
[0025]图3为本发明的控制原理示意图；
[0026]图4为本发明中单片机控制器的控制算法示意图；
[0027]图5为本发明中柔性连接套件的结构示意图；
[0028]图6为图2的A-A剖视图；
[0029]图中:1、补油油箱，2、安全阀，3、4、5、6、单向阀，7、电机，8、双向齿轮泵，9、液压锁，10、阀杆，11、上活塞杆，12、双出杆对称液压缸，13、上油口，14、活塞，15、下油口，16、下活塞杆，17、支架，18、柔性连接套件，18-1、左耳环，18-2、螺栓，18-3、大圆柱销，18-4、小圆柱销，18-5、防滑均力弹簧，18-6、上座，18-7、头部螺纹，18_8、右耳环，18_9、工字形凹槽，18-10、上座弧形轴架；19、阀体，20、阀芯，21、油标，22、过滤器，23、插装阀阀块，24、39、液压油口，25、37、液压锁插装口，26、35、双向齿轮泵安装螺孔，27、36、双向齿轮泵油口，28、34、安全阀插装口，29、32、阀块安装螺孔，30、33、安全阀卸油口，31齿轮泵卸油口，38、油箱安装螺孔，40、电机安装螺孔，41、通孔。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0031]本发明的整体包括插装结构的闭式液压驱动系统、连接驱动系统与阀杆的柔性连接套件、阀门部件和控制模块。液压驱动系统为插装结构的闭式系统，用于控制调节阀的开口大小，包括变频器、电机、双向齿轮泵、过滤器、单向阀、安全阀、液压锁、双出杆对称液压缸12。变频器与控制模块相连，接收控制模块的输出信号。电机7为驱动用普通电机，其控制线和变频器相连，输出轴与双向齿轮泵8连接。双向齿轮泵8的两个油口通过液压锁9与双出杆对称液压缸12相通，液压缸的活塞杆通过柔性连接套件与调节阀阀门部件的阀杆10连接。阀门部件是调节阀的调节部分，直接与被控介质接触，通过阀芯动作，可改变阀门的节流面积，使流体的压力和速度等参数发生变化。阀门部件与液压驱动系统相连，可响应控制模块传来的信号。控制模块采用单片机控制，内装控制系统软件，可完成数据的采集、处理和储存，并可与上位机进行远程通讯。
[0032]具体结构如下:
[0033]如图1所示，本发明的集成式电液驱动调节阀包括补油油箱1、安全阀2、单向阀
3-6、普通电机7、双向齿轮泵8、液压锁9、双出杆对称液压缸12、支架17、柔性连接套件18、阀体19等。双向齿轮泵8与普通电机7连接，由普通电机7带动双向齿轮泵运转，普通电机7上有变频器，变频器与单片机控制单元连接。双向齿轮泵8的两个出油口通过液压锁9与双出杆对称液压缸12的上下油口 13、15连接，双出杆对称液压缸的下活塞杆16通过柔性连接套件18与阀杆10相连，阀杆10再与调节阀的阀芯20相连。
[0034]图2是本发明的液压系统插装结构图，普通电机7通过电机安装螺孔40安装在阀块23的后端面上，双向齿轮泵8通过双向齿轮泵安装螺孔26和35安装在阀块23的前端面上。普通电机7的输出轴伸入插装阀阀块23上开的通孔41中，双向齿轮泵8的输入轴也伸入插装阀阀块34上开的通孔41中，普通电机7的输出轴和双向齿轮泵8的输入轴通过联轴器连接在一起。27和36为双向齿轮泵8的油口，31为双向齿轮泵的泄油口。补油油箱I通过油箱安装螺孔38安装在阀块23的前端面上，把双向齿轮泵8、双向齿轮泵泄油口 31和安全阀卸油口 30、33包围到油箱内腔中。当油箱灌入液压油后，双向齿轮泵8便被浸入液压油中。
[0035]根据需要，插装阀阀块23上加工出一系列阀门插装孔和油液流道。2个液压锁9分别安装在液压锁插装口 25、37中，2个安全阀2分别安装在安全阀插装口 28、34中，单向阀3、4、5、6和过滤器22分别安装在双向齿轮泵8上。阀块23对外的液压油口 24、39，通过软管分别接到双出杆对称液压缸12的上油口 13和下油口 15上。这样，整套液压动力系统除了液压油口与双出杆对称液压缸12间连接有软管外，其余各处均不用液压管路，系统结构高度集成，节省了空间，结构紧凑。
[0036]柔性连接套件，包括左耳环18-1和右耳环18-8，左耳环18_1和右耳环18_8中间形成与阀杆的顶端相配合的凹槽，左耳环18-1与右耳环18-8分别串在大圆柱销的两端，在大圆柱销的中部设有一个与其轴线垂直相交且贯通大圆柱销的小孔，小孔内穿过一个连接大圆柱销18-3与上座弧形轴架的小圆柱销18-4，在所述的上座弧形轴架18-10上套装一个对其实施预紧力的防滑均力弹簧，防滑均力弹簧将大圆柱销、小圆柱销包围起来；防滑均力弹簧18-5上端部顶在上座18-6上，下端部顶在左耳环与右耳环上，所述的上座上设有与活塞杆相配合的头部螺纹18-7。左耳环与右耳环对称设置，且形成工字形凹槽18-9。大圆柱销、小圆柱销的长度均小于防滑均力弹簧的内径，故防滑均力弹簧可以防止大圆柱销、小圆柱销滑出销孔。左耳环与右耳环之间通过螺栓18-2连接。
[0037]当液压缸输出的力作用在柔性连接套件后，作用力将通过上座、上座弧形支撑架、小圆柱销、大圆柱销、左耳环与右耳环、阀杆，传递给阀芯，调整控制阀的开口度。
[0038]由于在控制阀的实际安装过程中，很难完全做到活塞和阀杆完全同轴，因此作用在阀杆上的力可能会发生偏载，如果在活塞杆下端与阀杆之间采用传统的刚性连接，则容易导致控制阀的阀杆被压弯，造成控制阀发生卡阻现象。采用本发明的柔性连接套件后，当活塞杆下端与阀杆不同轴时，由于小圆柱销与大圆柱销可以自由转动，在上座与左耳环、右耳环间会发生转动，能够自动矫正活塞杆下端和阀杆不同轴造成的位置差别，从而将液压缸I输出的力快速有效地传递给阀芯，避免了不同轴造成的控制阀卡阻现象，延长了控制阀的寿命，提高了控制阀的响应速度和控制精度。
[0039]图3给出了本发明的控制原理。在双出杆对称液压缸12的上活塞杆11顶端设有阀位检测传感器。阀位检测传感器检测上活塞杆11的移动距离，并将检测结果反馈给调节阀控制器，该距离反映了调节阀的开口度。被控参数检测传感器安装在流体输送管道上，用于检测管道中输送流体的被控参数，如压力、流量等。通过调节阀控制器设定管路输送流体的被控参数，如流体的压力和流量等，被控参数检测传感器将采集到的信号反馈到调节阀控制器，与设定值进行差值换算，根据控制算法，调节阀控制器再将运算所得的信号输出给变频器，控制液压驱动系统对调节阀的开度进行调整，以稳定管路输送流体的被控参数，如流量和压力等。
[0040]变频器接收来自调节阀控制器的信号，并根据控制信号确定普通电机7的旋转方向和速度。普通电机7带动双向齿轮泵8运转并向系统供油。如图1所示，当双向齿轮泵8自左向右供油时，液压油先通过液压锁9，然后由上油口 13进入双出杆对称液压缸12的上腔，推动活塞14带着上活塞杆11和下活塞杆16向下运动。下活塞杆16作用在柔性连接套件18上，柔性连接套件18通过自身调节作用，平稳均衡地将双出杆对称液压缸12输出的推力作用在阀杆10上，阀杆10再推动调节阀的阀芯20向下运动，减小调节阀的开度。当双向齿轮泵8自右向左供油时，液压油先通过液压锁9，然后由下油口 15进入双出杆对称液压缸12的下腔，推动活塞14带着上活塞杆11和下活塞杆16向上运动。下活塞杆16作用在柔性连接套件18上，柔性连接套件18通过自身调节作用，平稳均衡地将双出杆对称液压缸12输出的拉力作用在阀杆10上，阀杆10再拉调节阀的阀芯20向上运动，增大调节阀的开度。
[0041]图4为本发明中单片机控制器的控制算法示意图。串级控制系统是一种常用的复杂控制系统。为消除时滞环节对控制系统的影响，0.J.M.Smith提出一种时滞补偿方法，即smith预估控制算法。在本发明中，为了消除管道输送系统的时滞特性对调节阀控制性能的影响，提出了将串级控制与Smith预估控制进行复合的智能复合控制算法。前一个控制器的输入为管路输送流体的被控参数与被控参数检测传感器将采集到的信号的差值；前一个控制器的输出作为下一个控制器的设定值；后一个控制器的输入为前一个控制器的输出值与调节阀阀位反馈值的差值；后一个控制器的输出给调节阀；处于主环上的前一个PID控制器为主控制器，处于副环上的后一个PID控制器为副控制器采用本发明的智能复合控制算法后，各环节的参数变化对系统增益的影响程度变小，控制系统允许各环节的特性在一定范围内变动，而不影响整个系统的控制品质，即系统具有较好的自适应能力。
【权利要求】
1.集成式电液驱动调节阀，包括阀体，阀体内设有相连的阀芯和阀杆，其特征在于:所述的阀杆通过一个柔性连接套与一个双出杆对称液压缸的下活塞杆相连，所述的双出杆对称液压缸的上活塞杆的顶端设有阀位检测传感器；且所述的双出杆对称液压缸的上、下油口与双向齿轮泵的两个出油口相连通，所述的双向齿轮泵与电机连接，由电机带动双向齿轮泵运转；且在普通电机上有变频器，变频器与单片机控制单元连接。
2.如权利要求1所述的集成式电液驱动调节阀，其特征在于:所述的双向齿轮泵的两个出油口通过液压锁与双出杆对称液压缸的上下油口连接。
3.如权利要求1所述的集成式电液驱动调节阀，其特征在于:所述的电机通过电机安装螺孔安装在一个插装阀阀块的后端面上，双向齿轮泵通过双向齿轮泵安装螺孔安装在所述阀块的前端面上；所述的电机的输出轴伸入所述阀块上开的通孔中，双向齿轮泵的输入轴也伸入所述阀块上开的通孔中，电机的输出轴和双向齿轮泵的输入轴通过联轴器连接在一起。
4.如权利要求1所述的集成式电液驱动调节阀，其特征在于:所述的补油油箱通过油箱安装螺孔安装在阀块的前端面上，把双向齿轮泵、双向齿轮泵泄油口和安全阀卸油口包围到油箱内腔中。
5.如权利要求1所述的集成式电液驱动调节阀，其特征在于:所述的插装阀阀块上还设有液压锁插装口、安全阀插装口、液压油口，所述的液压锁插装口用于插装液压锁，所述的安全阀插装口用于插装安全阀，所述的液压油口通过软管分别接到双出杆对称液压缸的上油口和下油口上。
6.如权利要求1所述的集成式电液驱动调节阀，其特征在于:在流体输送管道上安装有被控参数检测传感器。
7.如权利要求1所述的集成式电液驱动调节阀，其特征在于:所述的柔性连接套件，包括左耳环和右耳环，左耳环和右耳环中间形成与阀杆的顶端相配合的凹槽，左耳环与右耳环分别串在大圆柱销的两端，在大圆柱销的中部设有一个与其轴线垂直相交且贯通大圆柱销的小孔，小孔内穿过一个连接大圆柱销与上座弧形轴架的小圆柱销，在所述的上座弧形轴架上套装一个对其实施预紧力的防滑均力弹簧，防滑均力弹簧将大圆柱销、小圆柱销包围起来；防滑均力弹簧上端部顶在上座上，下端部顶在左耳环与右耳环上，所述的上座上设有与活塞杆相配合的头部螺纹。
8.如权利要求7所述的集成式电液驱动调节阀，其特征在于:左耳环与右耳环对称设置，且形成工字形凹槽。
9.如权利要求7所述的集成式电液驱动调节阀，其特征在于:大圆柱销、小圆柱销的长度均小于防滑均力弹簧的内径，故防滑均力弹簧可以防止大圆柱销、小圆柱销滑出销孔。
10.如权利要求1所述的集成式电液驱动调节阀的控制方法，其特征在于: 通过调节阀控制器设定管路输送流体的被控参数，被控参数检测传感器将采集到的信号反馈到调节阀控制器，与设定值进行差值换算；根据控制算法，调节阀控制器再将运算所得的信号输出给变频器，变频器接收来自调节阀控制器的信号，并根据控制信号确定电机的旋转方向和速度；电机带动双向齿轮泵运转并向系统供油； 当双向齿轮泵自左向右供油时，液压油先通过液压锁，然后由上油口进入双出杆对称液压缸的上腔，推动活塞带着上活塞杆和下活塞杆向下运动；下活塞杆作用在柔性连接套件上，柔性连接套件通过自身调节作用，平稳均衡地将双出杆对称液压缸输出的推力作用在阀杆上，阀杆再推动调节阀的阀芯向下运动，减小调节阀的开度； 当双向齿轮泵自右向左供油时，液压油先通过液压锁，然后由下油口进入双出杆对称液压缸的下腔，推动活塞带着上活塞杆和下活塞杆向上运动。下活塞杆作用在柔性连接套件上，柔性连接套件通过自身调节作用，平稳均衡地将双出杆对称液压缸输出的拉力作用在阀杆上，阀杆再拉调节阀的阀芯向上运动，增大调节阀的开度。
【文档编号】F15B13/02GK104197074SQ201410414844
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】谢玉东, 王勇 申请人:山东大学