专利名称：一种螺旋全桥先导级结构的制作方法
技术领域：
本发明属于液压、气动伺服控制技术领域，涉及一种新型的液压或气动螺旋全桥先导级结构。
背景技术：
在液压、气动伺服控制技术领域，伺服阀是液压和气动流体伺服控制技术的关键部件，由于液动力的存在，使大流量的液压、气动伺服阀阀芯推动需要很大的驱动力，目前的机电作动器很难达到直接推动的目的，所以大流量的伺服阀普遍釆用两级或三级控制。传统的喷嘴挡板或射流管阀采用二级液压气动放大，解决了大流量阀的设计问题，伹其缺点是加工困难，对油液清洁度要求高，可靠性低。
发明 内容
本发明为了解决现有伺服阀存在的问题，提出了一种新型螺旋全桥先导级结构，对于研制新型的液压、气动螺旋全桥先导级伺服阀有着很高的实用意义。
本发明提供的螺旋全桥先导级结构通过控制先导控制棒的旋转或直线运动改变可变节流孔的面积，使液压阻尼全桥失去平衡，形成压差推动二级运动活塞做直线运动，使阻尼全桥重新平衡。该结构可以利用现在已经十分成熟的旋转电机或直线电机控制技术实现先导级的控制。先导控制棒负载力矩或力极小，对电机的力矩或推力要求很低，可以选用转动惯量或惯性很小的旋转电机或直线电机，使先导级具有很高的动态特性。
本发明的螺旋全桥先导级结构包括先导控制棒、二级运动活塞、活塞筒和活塞端盖四个
部分，其中的先导控制棒为圆柱形结构，夕卜表面加工有螺旋槽；二级运动活塞加工有对称活塞，成对的通流孔，活塞杆一端加工有一个和先导控制棒直径相等的轴向中心孔，用于插入先导控制棒；活塞筒与二级运动活塞配合，使二级运动活塞可以在活塞筒中轴向滑动。
所述的螺旋全桥先导级结构利用先导控制棒的螺旋槽与二级运动活塞的通流孔形成可变节流面积，即可变液压、气动阻尼，与活塞筒上的固定节流孔形成液压、气动阻尼全桥结构，通过先导控制棒的旋转或直线运动调节可变液压、气动阻尼，使活塞左右两腔形成压差推动二级运动活塞直线运动，二级运动活塞直线运动的同时使液压、气动阻尼全桥达到新的平衡，实现了先导控制棒的转角或直线位移与二级运动活塞直线位移之间的一一对应关系，如果先导棒采用转动控制可以通过设计螺旋槽的螺距实现先导棒转角和二级运动活塞直线位移的对应比例，如果采用直动，将实现两者一比一的位移对应关系。本发明的优点是
1. 结构简单，加工难度较低，控制方式灵活。
2. 先导控制棒可以采用旋转或直动驱动，利用成熟的旋转电机或直线电机技术，降低成本。先导控制棒负载力矩或负载力极小，驱动电机可以选用转动惯量很小的旋转电机或惯性很小的直线电机，使驱动级的动态特性达到很高。
3. 可变阻尼孔的阻尼变化范围大，使阻尼全桥放大系数大。如果将圆形通流孔改成与螺旋槽平行的方孔，阻尼全桥变化梯度可以更大且更加线性。
4. 螺旋槽和通流孔采用对称加工，具有天然的余度，同时在弓形可变节流孔堵塞的情况下具有自清洁功能，降低了对油液清洁度的要求，大大提高了可靠性。
图l是本发明螺旋先导级结构剖视图2是本发明先导控制棒结构图2a是本发明先导控制棒螺旋^f的截面图3是本发明二级运动活塞结构示意图3a是本发明二级运动活塞剖面图4是本发明活塞筒结构示意图4a是本发明活塞筒的剖面图5是本发明活塞端盖剖面结构示意图6是本发明螺旋液压气动先导级结构原理图7是本发明螺旋先导级结构的液压阻尼全桥原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和实例对本发明的螺旋先导级结构做进一步详细说明。本发明提供了一种螺旋先导级结构，如图1所示，该结构包括先导控制棒1、 二级运动活塞2、活塞筒3、活塞端盖4，所述的活塞筒3套在二级运动活塞2的外部，并通过活塞端盖4进行固定，所述的活塞端盖4起到密封和限制二级运动活塞2位移的作用，先导控制棒l在二级运动活塞2内部往复旋转或直线运动，实现二级运动活塞直线运动。下面以液压为例来说明本发明的螺旋先导级结构，气动情况也同样适用。
如图2所示的是先导控制棒1的结构示意图，所述的先导控制棒1为圆柱形结构，先导控制棒1的第一端102截面上开有轴孔104，用于与电机连接，所述电机可以是旋转电机也可以是直线电机，起到带动先导控制棒1旋转或直线运动的作用。先导控制棒1的第二端103外表面加工有螺旋槽101，如图2a，螺旋槽101采用成对对称加工，用来平衡先导控制棒1的径向力。如图3所示是二级运动活塞2的结构示意图，所述的二级运动活塞2采用双出杆活塞结构，主体为一个圆柱形结构的活塞杆201，该活塞杆201 —端开有中心孔202，中心孔202的内径与先导控制棒1的第二端103直径相同，先导控制棒1的第二端103在中心孔202内作旋转或直线运动。活塞杆201的另一端可以连接运动对象，如阀芯等。活塞杆201上带有活塞204，活塞204两侧的活塞杆201上分别设置有一对通流孔203,通流孔203通向中心孔202,如图3a，这一对通流孔203都沿活塞杆201的径向，伹成一定的角度，目的是使两个通流孔203分别处于某一条螺旋槽101的两侧，通流孔203与先导控制棒1的螺旋槽101相交，形成可变弓形节流孔。通流孔203和螺旋槽101—样，周向也是成偶数对称加工，与螺旋槽101数目匹配，成对称分布，平衡先导控制棒l的径向力，同时也提供余度。图4所示的是活塞筒3的结构示意图，所述的活塞筒3采用圆筒结构，外表面加工一道环槽302，工作时环槽302与外部壳体形成一个密闭的第一空间5,第一空间5内部连通高压流体。如图4a,在环槽302中成一定距离沿活塞筒3径向加工两个面积相等的固定节流孔301，固定节流孔301连通了活塞筒3的内外两侧。活塞筒3的内径与活塞204的外径相同。所述的通流孔203为圆孔或者方孔，当通流孔203为圆孔的时候，螺旋槽101与通流孔203相交形成弓形可变节流孔，弓形高度由先导控制棒l转角或直线位移决定，弓形面积与弓形高度成非线性变化，在弓形高度较小时，变化梯度较小；当通流孔203为与螺旋槽101平行的方孔时，相交面积将是一个矩形，矩形面积与矩形高度成线性关系，变化梯度为矩形长度，可以根据需要选择。
当油液中的微小杂质颗粒堵塞一端可变节流孔的时候，造成该节流孔的通油面积减小，液阻增大，使液压阻尼全桥失去平衡。在活塞204左右两腔的压差下，二级运动活塞2将产生轴向运动，轴向运动将增大堵塞端的可变节流孔面积，从而迫使油液中的杂质通过节流孔203，避免被堵塞。
图5所示是活塞端盖4，活塞端盖4套在二级运动活塞2外表面，每两个活塞端盖4为一组，将活塞简3固定限制在二级运动活塞2的外表面上，起到密封和限制活塞位移的作用。安装后，在活塞204的两侧，活塞筒3的内部与活塞端盖4形成两个空间，分别为第二空间6和第三空间7。
下面介绍本发明的螺旋先导级结构的工作原理。
图6是本发明螺旋先导级结构的工作原理图，令第一空间5内的供油压力为PS，第二空间6内的压力为PA，第三空间7内的压力为PB，所述的第二空间6和第三空间7通过活塞筒3上的固定节流孔301与第一空间5连通,第二空间6内的压力PA经过左边通流孔203与螺旋槽101相交的可变弓形面积与中心孔202和螺旋槽101右端相通，第三空间7内的压力PB经过右边通流孔203与螺旋槽101相交的可变弓形面积与中心孔202和螺旋槽101
5右端相通。先导控制棒1的螺旋槽101右端与回油压力PT相通。图6中所示状态是两个相交弓形面积相等，即可变弓形节流孔大小相等，左右两边的固定节流孔与可变节流孔形成的液压阻尼全桥处于平衡位置，PA-PB, 二级运动活塞2处于平衡位置。
图7是本发明螺旋先导级结构的液压阻尼全桥原理图，PS为系统供油压力，即第一空间5的压力。PA与PB分别为活塞左右两腔的压力，即第二空间6和第三空间7的压力。PS与PA、 PB之间为固定节流孔301,即固定液压阻尼。PT为系统回油压力，即螺旋槽右端所连的压力。PA、 PB与PT之间为螺旋槽101与通流孔203形成的弓形面积的可变节流孔，即可变液压阻尼。在阻尼桥平衡的起始状态下，先导控制棒的旋转或直线运动将导致螺旋槽101与左右两边通流203分别形成的弓形可变节流孔面积都发生变化，即可变液压阻尼发生变化，使得液压阻尼全桥失去平衡，PA和PB发生变化，二级运动活塞在压差的作用下做直线运动。
以先导控制棒1转动输入为例说明本结构的工作原理。当先导控制棒1转动一定角度时，如图1中的向上方向，螺旋槽101与第三空间7压力PB连通的弓形面积(即可变节流孔面积)增大，与第二空间6压力PA连通的弓形面积减小，由液阻原理可知，第三空间7压力PB端的可变液阻变小，第二空间6压力PA端的可变液阻增大，由液压全桥平衡原理，第三空间7压力PB将减小，第二空间6压力PA将增大，二级运动活塞2将受到向右的推力，从而向右直线运动，二级运动活塞2的直线运动又使螺旋槽101与第三空间7压力PB相连的弓形面积减小，与第二空间6压力PA相连的弓形面积增大，两个可变节流孔面积相等时，可变液阻重新相等，PA=PB， 二级运动活塞2形成新的平衡。即先导控制棒1 一定的转角输入将对应二级运动活塞2 —定的直线位移，先导控制棒1的转角和二级运动活塞2的位移成一一对应的关系。二级运动活塞2由PA, PB的压差推动，达到了先导放大的目的。
先导控制棒1的直线输入将达到与转动输入同样的目的，这里不再重复分析。不同点是先导控制棒1用转动输入，输入转角和二级运动活塞2位移的比例关系由螺旋槽101螺距和先导控制棒1的直径决定，先导控制棒1直线输入时，先导控制棒1和二级运动活塞2位移的比例关系与先导控制棒1上螺旋槽101的螺距和先导控制棒1的直径都没有关系，先导控制棒1输入位移与二级运动活塞2位移形成一比一的关系。
原理图6中所示是一种可行的螺旋槽101螺旋方向和通流孔203位置分布，如果选用另一种螺旋方向同时需要调换通流孔203与螺旋槽101的相对关系。
权利要求
1、一种螺旋全桥先导级结构，其特征在于包括先导控制棒、二级运动活塞、活塞筒和活塞端盖，所述的活塞筒套在二级运动活塞的外部，并通过活塞端盖进行固定，所述的活塞端盖起到密封和限制二级运动活塞位移的作用，先导控制棒在二级运动活塞内部的往复旋转或直线运动，通过液压或气动的二级放大作用将推动二级运动活塞做直线运动，实现液压或者气动驱动力的放大。
2、 根据权利要求1所述的螺旋全桥先导级结构，其特征在于先导控制棒采用圆柱形结构， 先导控制棒的第一端用于与电机连接，先导控制棒的第二端外表面加工有螺旋槽，螺旋槽采 用成对对称加工，用来平衡先导控制棒的径向力。
3、 根据权利要求2所述的螺旋全桥先导级结构，其特征在于所述电机是旋转电机或直线 电机，起到带动先导控制棒旋转或直线运动的作用。
4、 根据权利要求1所述的螺旋全桥先导级结构，其特征在于所述二级运动活塞采用双出 杆活塞结构，主体为一个圆柱形结构的活塞杆，该活塞杆一端开有中心孔，中心孔的内径与先导控制棒的第二端直径相同；活塞杆的另一端连接运动对象，如阀芯；活塞杆上带有活塞,活塞两侧的活塞杆上分别设置有一对通流孔，通流孔通向中心孔，这一对通流孔都沿活塞杆 的径向，但成一定的角度。
5、 根据权利要求4所述的螺旋全桥先导级结构，其特征在于所述的两个通流孔分别处于 某一条螺旋槽的两侧，通流孔与先导控制棒的螺旋槽相交，形成可变弓形节流孔。
6、 根据权利要求4或5所述的螺旋全桥先导级结构，其特征在于通流孔和螺旋槽一样， 周向也是成偶数对称加工，与螺旋槽数目匹配，成对称分布，平衡先导控制棒的径向力，同 时也提供余度。
7、 根据权利要求1所述的螺旋全桥先导级结构，其特征在于所述的活塞筒采用圆筒结构， 外表面加工一道环槽，工作时环槽与外部壳体形成一个密闭的第一空间，第一空间内部连通 高压流体，在环槽中成一定距离沿活塞筒径向加工两个面积相等的固定节流孔，固定节流孔 连通了活塞筒的内外两侧。
8、 根据权利要求7所述的螺旋全桥先导级结构，其特征在于活塞筒的内径与活塞的外径 相同。
全文摘要
本发明属于液压气动伺服控制技术领域，公开了一种螺旋全桥先导级结构。所述的螺旋全桥先导级结构包括先导控制棒、二级运动活塞、活塞筒和活塞端盖，该结构通过电机驱动一个较小的先导控制棒在二级运动活塞内部作旋转或者直线运动，配合活塞筒和活塞端盖改变液压或气动阻尼全桥推动二级运动活塞运动，达到液压或气动放大的作用，可广泛应用于两级比例伺服阀设计。该先导级结构与传统的喷嘴挡板或射流先导级结构相比，优点在于先导放大系数大，便于制作大流量的比例阀、伺服阀；先导控制棒转动惯量及惯性都很小，受负载力矩或负载力极小，便于控制和提高动态性能；该先导级结构简单，便于加工；降低了对油液清洁度的要求，提高了先导级的工作可靠性。
文档编号F15B13/02GK101598151SQ20091008608
公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者T﹒R﹒巴顿, 俞军涛, 帅 吴, 焦宗夏, 健 阮 申请人:北京航空航天大学