带变传动比传动机构的斜槽型2D电液高速开关阀的制作方法

本实用新型涉及一种开关阀，尤其涉及带变传动比传动机构的斜槽型2D电液高速开关阀。

背景技术：

高速开关阀已成为电液数字控制技术发展的重要方向，广泛应用于航空航天领域、液压锁紧、工程机械以及军事等用途中。近年来，高速开关阀作为电液数字控制技术的一个重要部分，以及作为实现电液数字控制的关键元件，对其提出了更高的要求，即必须具有耐高压、响应速度快、流量大、密封性能好等优点。

目前，高速开关阀常采用球阀式、滑阀式及锥阀式阀芯结构形式。球阀式阀芯结构简单、工艺性能好、动作比较灵敏、行程短且动态性能较好，但阀芯易受液动力影响，只能做成小通径阀。滑阀式阀芯易获得液动力补偿和液压平衡，但阀芯行程短、响应慢、加工工艺及装配精度低、密封性能差，只能在一些对流量、压力以及密封性能要求低的场合下选用。锥阀式阀芯较两者相比，可以克服滑阀式阀芯行程短泄漏量大等问题，也可以克服球阀式阀芯的液动力不平衡等问题，且具有响应速度快、通油能力强、密封性能好、抗污染能力强等特点。但运用在高压、高频响等特殊环境中时对此类阀而言，既要保证可靠的密封性能又要保证阀芯不被卡死，对加工精度要求极高，加工工艺难度大，制造成本高，不利于此类阀的广泛应用。

近年来，利用伺服螺旋机构原理工作的2D电液高速开关阀具有阀芯径向转动和轴向移动的双自由度、控制灵活、精度高、频响快、低滞环、泄漏量小、结构简单等优点，目前主要运用在航空航天，导弹等军事领域且多为极端恶劣环境下。当给2D电液高速开关阀的控制器通电时，利用电-机械转换器将电信号转换成机械信号，并传递给机械传动机构，将电-机械转换器输出的驱动力矩放大并带动阀芯转动。但是，对此类阀的阀芯加工难度较大，阀芯上设有的通孔在高压、高振荡下对阀芯的冲击较大，降低了阀芯的刚度，易在通孔处折断；且阀芯尾部的堵头在压力过高情况下易被冲出，造成对阀体整体结构的破坏。且在高压下，阀芯的“卡紧”现象容易导致流量无法上升。

技术实现要素：

为克服上述问题，本实用新型提供一种带变传动比传动机构的斜槽型2D电液高速开关阀。

本实用新型的技术方案是：

带变传动比传动机构的斜槽型2D电液高速开关阀，包括阀本体、驱动阀本体打开的传动机构和驱动阀本体关闭的零位保持机构；

阀本体包括由阀体和阀芯构成的伺服螺旋机构，阀芯可转动地设置在阀体内，阀芯从左向右依次设有第一台肩、第二台肩和第三台肩，阀体的左端盖和第一台肩将阀体内腔气密围隔成敏感腔，第一台肩和第二台肩将阀体内腔气密围隔成环绕阀芯的环形出油腔，第二台肩和第三台肩将阀体内腔气密围隔成环绕阀芯的环形进油腔；

进油腔与阀体上的进油口连通，且进油腔与阀芯通过阀芯上的通油孔连通；第一台肩上分别开有一对轴对称的高压孔和一对轴对称的低压槽，且高压孔和低压槽交替设置，高压孔与阀芯连通，阀体的内壁上设有一对轴对称的斜槽，斜槽的一端与敏感腔连通，斜槽的另一端位于高压孔的运动轨迹和低压槽的运动轨迹上，敏感腔通过通油孔、高压孔和斜槽与进油腔连通；

敏感腔通过低压槽、斜槽与出油腔连通，且出油腔与阀体上的出油口连通；第二台肩沿轴向的长度大于出油口的直径，以使第二台肩在阀芯位于关闭状态时完全密封出油口，且出油口位于第二台肩的运动轨迹上；

设置在阀本体右侧的传动机构包括位于正上方的上拨杆和位于正下方的下拨叉，上拨杆的下半部呈椭圆形，下拨叉的上半部是开口向上的U形叉，上拨杆的下半部延伸至下拨叉的U形叉内，转动设备的转动轴与上拨杆固定连接，以驱动上拨杆带动下拨叉转动，且下拨叉的底部与阀芯的右端固定连接，以带动阀芯同步转动；上拨杆的顶部可滑动的设置在水平杆上，且水平杆的一端套设有将上拨杆抵紧在零位的上拨杆复位弹簧，上拨杆复位弹簧将上拨杆倾斜抵紧在下拨叉内；

阀芯的右端贯穿阀体，且阀体的右侧设有迫使阀体保持零位的零位保持机构，所述零位保持机构包括套设在阀芯上的阀芯复位弹簧，阀芯复位弹簧的一端抵紧在第三台肩的右侧面上，迫使第二台肩 位于出油口上方并密封出油口，另一端抵紧在固套在阀芯上的卡簧上。

进一步，所述转动设备为旋转电磁铁。

进一步，所述高压孔的出口端处设有高压槽，高压孔通过高压槽与斜槽连通，且低压槽与高压槽之间的距离与斜槽的宽度相等。

进一步，阀体的右侧设有连接座，零位保持机构设置在连接座内，传动机构设置在连接座上方的连接板上，所述连接座通过第一密封圈与阀体气密连接。

进一步，阀芯的右端通过第二密封圈与连接座气密连接；左端盖通过第三密封圈与阀体气密连接。

进一步，阀芯复位弹簧的左端通过弹簧座抵紧在第三台肩的右侧面上，且阀芯复位弹簧的右端端通过弹簧垫抵紧在卡簧上，弹簧座和弹簧垫均固定套设在阀芯上。

进一步，上拨杆复位弹簧通过垫片抵紧在上拨杆上，所述垫片可滑动地设置在所述水平杆上。

进一步，如权利要求6所述的带变传动比传动机构的斜槽型2D电液高速开关阀，其特征在于：所述连接座和连接板配有盒盖。

进一步，所述旋转电磁铁设置在阀体的上方，并配有保护罩。

进一步，所述上拨杆通过第一螺钉夹紧在旋转电磁铁的输出轴上，所述下拨叉通过第二螺钉夹紧在阀芯上。

本实用新型的技术构思为：

为了使2D电液高速开关阀具有大流量、高频响特性，除了要保证电-机械转换器即旋转电磁铁具有快速响应特性外，还应保证伺服螺旋机构的阀芯轴向位移对旋转角位移之间具有快速响应的特性，此外机械传动机构也要满足提供阀芯运转所需的较大驱动力矩。

伺服螺旋机构是实现开关阀阀芯转角与轴向直线位移转换的导控结构。阀体内壁左端开有斜槽，斜槽g与敏感腔f相通，阀芯的第一台肩上开有两对轴对称的高压槽1311和低压槽b。高压槽1311和低压槽b均是横截面呈不规则平行四边形状的凹槽，高压槽1311和低压槽b位于斜槽g的两侧，且高压槽1311和低压槽b的距离与斜槽宽相等，以增加面积梯度，满足2D电液高速开关阀大流量，高频响的要求。阀芯可旋转的安装在阀体内，斜槽g的一端与敏感腔f相通，另一端与高压槽1311和低压槽b构成阻力半桥，阻力半桥通过斜槽g控制敏感腔f内的压力。

为了保证2D电液高速开关阀具有大流量、高频响的特性，必须保证液压伺服螺旋机构的阀芯轴向位移对旋转角位移能够做出快速响应，液压伺服螺旋机构固有频率取决于阀芯端部敏感腔f体积和阀芯质量，2D电液高速开关阀的结构特点决定了其敏感腔f可以设计的很小，因而其液压固有频率很高，大约10⁴～10⁵Hz。如此高的液压固有频率使得二阶振荡不会影响到阀芯的动态响应，阀芯的轴向运动对输入的转角信号的响应不会造成影响，二阶振荡可简化成惯性环节。

因液压伺服螺旋机构的固有频率很高，设计的高压槽1311和低压槽b与斜槽采用正遮盖方式，遮盖量0.003～0.007mm，可以保证导控级零位泄漏量很小，提高阀芯转角位移和轴向位移之间的转换精度，并且可以使阀芯轴向刚度很大，有效提高2D电液高速开关阀工作时的可靠性与稳定性。

斜槽型液压伺服螺旋机构具有很高的自清洁能力。只要高压槽1311和低压槽b与斜槽构成的平行四边形区域的一面被阻塞，那么阀芯的力平衡就会被破坏，阀芯便进行轴向运动，在运动过程中阻塞面积增加，可以有效的清除障碍物，抗污染能力强。

为了提高本实用新型的响应速度，必须提高驱动阀芯转动的驱动力矩。设计的传动机构可使阀芯开始工作时获得无穷大的驱动力矩。设计的拨叉拨杆之间的传动比是无穷大，旋转电磁铁通电后输出力矩，通过拨叉拨杆传动机构将驱动力矩放大无穷倍并驱动阀芯快速径向旋转和轴向移动，以克服液压卡紧力，提高阀的抗污染能力，降低阀芯加工精度。此传动机构同样可适用于三位四通2D电液高速开关阀。

本实用新型的有益效果是：

1、采用了斜槽型液压伺服螺旋机构，用不规则平行四边形的高压槽和低压槽以增大面积梯度，响应速度快、且加工简单；

2、采用变传动比的传动机构，有效放大阀芯的驱动力矩，以克服阀芯处的液压卡紧力，同时降低对电-机械转换器的输入力矩要求；

3、频响快，动态性能好；

4、零位保持机构转动惯量小、零位导控泄漏量小，精度高；

5、结构简单，加工成本低；

6、对油液过滤精度要求低，抗污染能力强。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理示意图。

图2为高压槽和低压槽的放大示意图。

图3为阀芯的结构示意图。

图4为伺服螺旋机构原理示意图。

图5为图4中E-E向剖视图。

图6为传动机构结构示意图。

具体实施方式

如图所示，带变传动比传动机构的斜槽型2D电液高速开关阀，包括阀本体、驱动阀本体打开的传动机构和驱动阀本体关闭的零位保持机构；

阀本体包括由阀体22和阀芯13构成的伺服螺旋机构，阀芯13可转动地设置在阀体22内，阀芯13从左向右依次设有第一台肩131、第二台肩132和第三台肩133，阀体22的左端盖24和第一台肩131将阀体22内腔气密围隔成敏感腔f，第一台肩131和第二台肩132将阀体22内腔气密围隔成环绕阀芯13的环形出油腔m，第二台肩132和第三台肩133将阀体22内腔气密围隔成环绕阀芯13的环形进油腔n；

进油腔n与阀体22上的进油口P连通，且进油腔n与阀芯13通过阀芯13上的通油孔c连通；第一台肩131上分别开有一对轴对称的高压孔a和一对轴对称的低压槽b，且高压孔和低压槽交替设置，高压孔a与阀芯13连通，阀体22的内壁上设有一对轴对称的斜槽g，斜槽g的一端与敏感腔f连通，斜槽g的另一端位于高压孔a的运动轨迹和低压槽b的运动轨迹上，敏感腔f通过通油孔c、高压孔a和斜槽g与进油腔n连通；

敏感腔f通过低压槽b、斜槽g与出油腔m连通，且出油腔m与阀体22上的出油口A连通；第二台肩132沿轴向的长度大于出油口A的直径，以使第二台肩132在阀芯13位于关闭状态时完全密封出油口A，且出油口A位于第二台肩132的运动轨迹上；

设置在阀本体右侧的传动机构包括位于正上方的上拨杆10和位于正下方的下拨叉12，上拨杆10的下半部呈椭圆形，下拨叉12的上半部是开口向上的U形叉，上拨杆10的下半部延伸至下拨叉12的U形叉内，转动设备的转动轴与上拨杆10固定连接，以驱动上拨杆10带动下拨叉12转动，且下拨叉12的底部与阀芯13的右端固定连接，以带动阀芯13同步转动；上拨杆10的顶部可滑动的设置在水平杆2上，且水平杆2的一端套设有将上拨杆10抵紧在零位的上拨杆复位弹簧5，上拨杆复位弹簧5将上拨杆10倾斜抵紧在下拨叉12内；

阀芯12的右端贯穿阀体22，且阀体22的右侧设有迫使阀体22 保持零位的零位保持机构，所述零位保持机构包括套设在阀芯12上的阀芯复位弹簧19，阀芯复位弹簧19的一端抵紧在第三台肩133的右侧面上，迫使第二台肩132位于出油口A上方并密封出油口A，另一端抵紧在固套在阀芯13上的卡簧17上。

所述转动设备为旋转电磁铁9。

所述高压孔a的出口端处设有高压槽1312，高压孔a通过高压槽与斜槽连通，且低压槽1311与高压槽112之间的距离与斜槽g的宽度相等。

阀体22的右侧设有连接座，零位保持机构设置在连接座内，传动机构设置在连接座上方的连接板1上，所述连接座通过第一密封圈21与阀体22气密连接，

阀芯13的右端通过第二密封圈16与连接座气密连接。

阀芯复位弹簧19的左端通过弹簧座20抵紧在第三台肩133的右侧面上，且阀芯复位弹簧19的右端端通过弹簧垫18抵紧在卡簧17上，弹簧座20和弹簧垫18均固定套设在阀芯13上。

上拨杆复位弹簧5通过垫片4抵紧在上拨杆10上，所述垫片4可滑动地设置在所述水平杆2上。

左端盖24通过第三密封圈23与阀体22气密连接。

所述连接座和连接板配有盒盖11。

所述旋转电磁铁9设置在阀体22的上方，并配有保护罩26。

所述上拨杆10通过第一螺钉8夹紧在旋转电磁铁9的输出轴上， 所述下拨叉12通过第二螺钉14夹紧在阀芯13上。

旋转电磁铁9与控制器相连。

所述旋转电磁铁9作为本实用新型的电-机械转换器，位于阀体22上方，并通过第一螺钉28与连接板1相连接，保护罩26通过第二螺钉27与连接板1相连，同时盒盖11通过第三螺钉3又连接到保护罩26上，水平杆2的支架7通过第三螺钉6固定在连接板1上，左端盖24通过第四螺钉25固定在阀体22上。

(1)伺服螺旋机构：

伺服螺旋机构是实现开关阀阀芯转角与轴向直线位移转换的导控机构，其包括阀体22和阀芯13，阀芯13、阀体22和左端盖24配合构成敏感腔f，高压槽1311和低压槽b的横截面呈不规则平行四边形，高压槽1311和低压槽b分别位于斜槽的两侧，且高压槽1311和低压槽b之间的距离与斜槽g的宽度相等，以增加面积梯度，降低加工工艺难度，实现满足2D电液高速开关阀大流量，频响快的要求。斜槽g的一端与敏感腔f相通，另一端与高压槽1311和低压槽b构成阻力半桥，阻力半桥通过斜槽g控制敏感腔f内的压力。

当阀芯13位于零位时(即本实用新型位于关闭状态时)，第二台肩132的侧面完全密封出油口A，斜槽g的一端同时覆盖高压槽1311和低压槽b，且两者的覆盖面积相等，斜槽g的另一端与敏感腔f连通。

油液经进油口P进入进油腔n内，进油腔n内的压力为p₁，进油 腔n内的油液经过通油孔c进入阀芯22内，并从高压孔a溢出到高压槽1311内，高压槽1311内的油液经过斜槽g进入敏感腔f内，敏感腔f内的油液经斜槽g进入低压槽b内，并从低压槽b进入出油腔m内，由于出油口A密封，油液不会外流，在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，高压槽1311、低压槽b与斜槽g分别相交的面积相等，敏感腔f内的压力只有进油腔n内的压力(系统压力)的一半，但设定敏感腔f的横截面是进油腔n的横截面的2倍，则阀芯13分别位于敏感腔f内和进油腔n内的两头的压力相等，阀芯13轴向保持静压平衡，开关阀处于零位状态。

若阀芯13转动，则阀芯13上高压槽1311和低压槽b与阀体22上斜槽g的相交面积发生变化，从而引起敏感腔f的压力变化，阀芯13的受力平衡被破坏，随之阀芯13产生轴向运动。

如图4所示，当传动机构驱动阀芯13顺时针转动时，高压槽1311与斜槽g相交的面积减小，低压槽b与斜槽g相交的面积增大，引起敏感腔f的压力降低，阀芯13向左运动，则第二台肩132从出油口A上移开，阀门打开，油液流出。若阀芯13继续逆时针转动，高压槽1311与斜槽g的相交面积又逐渐增大，低压槽b与斜槽g的相交面积逐渐减小，直至高压槽1311与斜槽g的相交面积、低压槽b与斜槽g的相交面积再次相等时，阀芯13轴向力平衡，阀芯13停止运动，重新进入平衡状态；反之，当阀芯13逆时针方向旋转时，以上变化过程恰好相反。因此，本实用新型是具有双运动自由度的两级高速开 关阀，阀芯角位移与轴向位移之间是线性关系，本实用新型利用旋转电磁铁和传动机构驱动阀芯作旋转运动，实现导阀功能，在油液压力差的作用下推动阀芯轴向移动，实现阀口的高速启闭。

(2)传动机构

旋转电磁铁9的转动幅度为21°，旋转电磁铁9带动上拨杆10逆时针转动，则上拨杆10带动下拨叉12和阀芯13顺时针转动，高压槽1311与斜槽g相交的面积减小，低压槽b与斜槽g相交的面积增大，引起敏感腔f的压力降低，阀芯13向左运动，则第二台肩132从出油口A上移开，出油口A畅通，油液流出，从而本实用新型处于打开状态。

但摩擦力、液动力、油污和阀芯阀体加工精度等都会在阀芯转动的瞬间产生较大的阻力，容易出现液压“卡滞”现象，为了使本实用新型不出现液压“卡滞”现象，传动机构在启动瞬间必须具有较大的力矩。

本实用新型的传动机构可以实现变力矩，上拨杆10的下半部呈椭圆形，以实现变传动比，由于旋转电磁铁9的转动幅度为21°，为了方便装配，以及实现上拨杆10的对称设计，上拨杆10的初始安装位置(即零位状态)偏离上拨杆10与下拨叉12旋转中心连线21°，上拨杆10与下拨叉12之间为线接触配合，且上拨杆10与下拨叉12分别相交于R点和S点，如图5所示。此时，接触点R的法线正好经过上拨杆10的旋转中心，根据“三心定理”，上拨杆10与下拨叉12 的相对瞬心重合，传动机构的瞬时传动比为无穷大，下拨叉12对上拨杆10的响应相当于一个冲击响应，输出力矩很大，足以克服液压“卡滞”现象。

随着上拨杆10的继续运动，相对瞬心向下拨叉12的转动中心靠近。由瞬心定理可知，上拨杆10与下拨叉12的传动比为各自转动中心到瞬心距离的反比，因此传动比随之减小，但足以满足阀芯13启动后所需的转动力矩。

与已有的定传动比传动机构相比，本实用新型的传动机构在运动初始便会产生无穷大的力矩，以克服2D电液高速开关阀易受摩擦力、液动力、油污和阀芯阀体加工精度等问题对阀芯产生的液压“卡滞”现象。

为保证在开关阀的控制器未通电或失效的情况下使得阀芯13仍能处于零位，在水平杆2上安装拨叉复位弹簧5，复位弹簧5、水平杆2和垫片4构成上拨叉的限位机构。上拨叉在启动后会逆时针转动，并通过垫片4压迫上拨叉复位弹簧5，当上拨叉转动到最大位置并停止转动后，上拨叉和复位弹簧5均处于静止状态，当控制器断电时，拨叉复位弹簧5驱动上拨叉复位。

为了提高本实用新型的工作稳定性，平衡惯性力，需将上拨杆10和第一螺钉8的重心与旋转电磁铁9的转子轴的中心重合，以及阀芯13中心轴与下拨叉12和第二螺钉14的重心重合。

(3)零位保持机构

阀芯13上装有卡簧17、弹簧垫18、阀芯复位弹簧19和弹簧座20，以防止开关阀在运输过程中阀芯13在阀体22内部窜动，保证调零时阀芯13做平稳的轴向运动，防止与阀体22发生碰撞，并同时保证在控制器未通电情况下阀芯处于绝对零位。

阀本体打开的瞬间，阀芯向左移动，并压迫阀芯复位弹簧19，当控制器断电时，复位弹簧19驱动阀芯13向右移动并恢复零位，本实用新型处于关闭状态。

图1中T为回油口。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。