专利名称：直动式2d电液比例数字阀的制作方法
技术领域：
本发明属于流体传动及控制领域中的电液比例阀，尤其涉及一种直动式2D电液比例数字阀。
背景技术：
近年来，利用伺服螺旋机构原理工作的2D数字阀因其具有结构简单，响应速度快，精度高，抗污染能力强等优点，而在金属材料试验机、地震模拟震动台以及相关航空航天领域得到了广泛应用。所谓的“2D数字阀”其实包含了机械和电控两方面的含义其一，从结构角度来讲，通过引入液压伺服螺旋机构，使得一个滑阀阀芯同时具有轴向移动和径向转动两个自由度，这就可以将原本在物理上分离的液压先导级和功率级合二为一，大大简化了阀的结 构，降低了成本，因此使用液压伺服螺旋机构的阀可以被称为“2D阀”，是当今世界上除了滑阀和转阀之外的第三种阀的设计形式。其二，从控制角度而言，将“2D阀”与基于高速DSP芯片的直接数字式控制方法相结合，便构成了所谓的“2D数字阀”，视应用场合而定可构成2D电液数字换向阀、2D电液数字比例阀、2D电液数字伺服阀等从低端到高端的全系列流体控制兀件。阀用电-机械转换器按照衔铁工作腔是否有油液进入可以分为干式和湿式两种，后者与前者相比，由于其结构上的耐高压特性而允许衔铁工作时可以浸在油液中，从而具有散热好，摩擦小，换向和复位时冲击噪声小，工作平稳和寿命长的优点，因此应用日益广泛。现有的2D数字阀采用商用混合式步进电机作为电-机械转换器，其结构一般是将步进电机安装在一块专用的电机安装板之上，电机输出轴与阀芯之间采用固定传动比的齿轮传动机构连接，为防止油液的泄漏，在阀芯的阀杆部分要加上动密封。这样整个阀的结构设计较为复杂，零件数也较多，且动密封的存在不但使得阀芯运动时需要克服阀杆处O型密封圈带来的摩擦力，而且总是存在阀杆处容易泄漏的隐患。之所以如此设计，根本原因还在于商用的混合式步进电机的控制线圈与转子工作腔之间无密封耐高压结构，油液一旦进入工作腔，控制线圈将直接浸在油液中而导致电机的损坏，因而无法在湿式状态下工作。
发明内容
为了克服已有的2D数字阀存在的结构复杂、零件数较多以及阀杆处存在动密封容易泄漏的缺点，本发明提供一种结构简单、无动密封的直动式2D电液比例数字阀。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种直动式2D电液比例数字阀，包括2D阀体，所述2D阀体内安装阀芯和阀套，阀芯、阀套和后盖板配合构成敏感腔，靠近敏感腔端的阀芯台肩表面上开设有两对轴对称的高低压孔，阀芯装于阀套中，阀套和阀体之间通过O型密封圈密封，阀芯上装有同心环和右塞环，阀套的内表面上开设有一对轴对称的螺旋槽，该螺旋槽的一端和敏感腔相通，螺旋槽的另一端与高低压孔构成阻力半桥；所述直动式2D电液比例数字阀还包括耐高压低惯量旋转电磁铁，所述耐高压低惯量旋转电磁铁包括固连螺棒、第一定子轭铁、第二定子轭铁、第三定子轭铁、第四定子轭铁、第一控制线圈、第二控制线圈、第一线圈保持架、第二线圈保持架、空心杯转子、永磁体和后端盖，所述第一定子轭铁、第二定子轭铁、第三定子轭铁、第四定子轭铁依次布置在所述空心杯转子外圈，第一定子轭铁和第二定子轭铁相对设置形成第一空腔，所述第一空腔内置第一线圈保持架，第一控制线圈环绕在第一线圈保持架上组成电流励磁的一相，第三定子轭铁和第四定子轭铁相对设置形成第二空腔，所述第二空腔内置第二线圈保持架，第二控制线圈环绕在第二线圈保持架上组成电流励磁的另一相，永磁体被放置在第二定子轭铁和第三定子轭铁的中间且被轴向磁化成N极和S级；所述固连螺棒依次穿过后端盖、第四定子轭铁、第三定子轭铁、第二定子轭铁、第一定子轭铁与所述阀体固定连接，所述阀芯的外端与所述空心杯转子固定连接。进一步，所述第二定子轭铁和第三定子轭铁的外侧各开有一个环形槽用来放置密封圈，阀体右侧开有一个环形槽用来放置密封圈，后端盖的内侧开有一个环形槽用来放置 封圈。更进一步，所述第一定子轭铁和第四定子轭铁外表面开有导线引出孔，第一定子轭铁、第二定子轭铁、第三定子轭铁和第四定子轭铁内圆周面开有数目相同且均匀分布的多个小齿，空心杯转子的外圆周面上开有多个和定子铁心齿数相同的转子齿。第一定子轭铁、第二定子轭铁、第三定子轭铁和第四定子轭铁上的齿需要彼此分另Ij错开1/2、1/4和1/2个齿距角。后端盖、第一线圈保持架、第二线圈保持架和阀芯均为非导磁材料制成的非导磁体，第一定子轭铁，第二定子轭铁，第三定子轭铁和第四定子轭铁和空心杯转子均为软磁材料制成的良导磁体。本发明的有益效果主要表现在1、将电-机械转换器直接和2D阀阀体相连，取消了多余的电机安装板和上下摆轮等零件，大大简化了结构，降低了成本；2、取消了阀杆处固有的动密封，从而使得泄漏问题得以解决；且阀芯动作时无需克服动密封的摩擦力，提高了阀切换的可靠性。
图I为现有的2D数字阀结构原理示意图。图2为直动式2D电液比例数字阀的结构原理示意图。图3为直动式2D电液比例数字阀阀芯的结构示意图。图4为直动式2D电液比例数字阀阀套的结构示意图。图5为液压伺服螺旋机构的工作原理示意图。图6为图5的D-D剖面图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。图I所示为现有的2D数字阀结构原理示意图，包括作为电-机械转换器的商用混合式步进电机1，十字槽盘头螺钉2、3、6和7，上摆轮5和下摆轮8，上摆轮的紧固螺钉4、下摆轮的紧固螺钉12，内六角圆柱头螺钉9、14和26，电机安装板10，阀芯11，弹簧垫圈13和27，0型密封圈15、17、19、20、21、22、23、25和29，右塞环16，同心环18，阀套24，阀体28，堵头30和后盖31。商用混合式步进电机的控制线圈与转子工作腔之间无密封耐高压结构，油液一旦进入工作腔，控制线圈将直接浸在油液中而导致电机的损坏，无法在湿式状态下工作，因此在结构设计时将商用混合式步进电机I放置于阀体28上端，十字槽盘头螺钉2、3、6和7与电机安装板10相连接，电机I的输出轴与阀芯11之间采用由上摆轮5和下摆轮8组成的齿轮传动机构连接，电机I输出轴和上摆轮5之间以紧固螺钉4锁紧，阀芯11和下摆轮8之间以紧固螺钉12锁紧，由上摆轮5和下摆轮 8组成的齿轮传动机构同时也起到了一个力矩放大的作用，以用来克服阀芯阀套之间的液压卡紧力，提高阀的工作可靠性，但同时齿轮传动机构也带来了间隙、摩擦和磨损问题，导致控制上未知的死区和零点漂移，因此现有2D数字阀控制算法中内嵌了高频颤振算法用来解决齿隙问题。为防止油液的泄漏，在堵头30和阀套24之间设置O型密封圈29，在阀套24和阀体28之间设置O型密封圈20、21、22、23和25，在同心环18和阀套24之间设置O型密封圈19，在右塞环16和阀体28之间设置O型密封圈15，以上均为静密封，对阀的工作可靠性没有影响；然而在阀芯11的阀杆部分和右塞环16之间设置的O型密封圈17，其和阀芯11形成的是动密封，O型密封圈和阀芯11之间的摩擦力随着工作压力和阀芯直径的增大而增大，在高压大流量工况下会直接影响到阀的工作可靠性。如上所述，由于商用混合式步进电机不具备耐高压能力，导致现有的2D数字阀整体的结构设计较为复杂，零件数也较多，且动密封的存在不但使得阀芯运动时需要克服阀杆处O型密封圈带来的摩擦力，而且总是存在阀杆处容易泄漏的隐患。发明人曾提出一种耐高压低惯量旋转电磁铁并获得国家发明专利授权(授权号200910095983.0)，其具有简单可靠的耐高压结构，可以作为湿式的阀用电-机械转换器使用。又由于比例阀的动态特性要求较伺服阀为低，而油液进入衔铁腔时会产生阻尼作用，使得衔铁动作变慢，因此这种耐高压低惯量旋转电磁铁特别适合作为比例阀的电-机械转换元件。将耐高压低惯量旋转电磁铁作为电-机械转换机构直接与2D阀现有的阀体相连，便可取消动密封，构成结构非常简单的直动式2D电液比例数字阀，如图2所示，其由耐高压低惯量旋转电磁铁和2D阀阀体两部分组成。耐高压低惯量旋转电磁铁部分包括固连螺棒I、13和18，第一定子轭铁2，第二定子轭铁5，第三定子轭铁6和第四定子轭铁9，O型密封圈3、15、16、17、19、21、22和24，第一控制线圈4和第二控制线圈7，第一线圈保持架23和第二线圈保持架8，空心杯转子10，后端盖11，永磁体14，压环20。第一定子轭铁2和第二定子轭铁5相配合，内置第一线圈保持架23，第一控制线圈4环绕在第一线圈保持架23上组成电流励磁的一相，第三定子轭铁6和第四定子轭铁9相配合，内置第二线圈保持架8，第二控制线圈7环绕在第二线圈保持架8上组成电流励磁的另一相，永磁体14被放置在第二定子轭铁5和第三定子轭铁6的中间且被轴向磁化成N极和S级。当有油液进入转子工作腔时，第二定子轭铁5和第三定子轭铁6的外侧各开有一个环形槽用来放置密封圈21、19，阀体40右侧开有一个环形槽用来放置密封圈24，后端盖11的内侧开有一个环形槽用来放置密封圈17，以防止油液从电磁铁零部件之间的配合间隙中泄漏出来；第一线圈保持架23和第二线圈保持架8内孔各开有一对左右均布的环形槽，用来放置密封圈22、3、6、15，使得第一控制线圈4和第二控制线圈7与充满油液的转子工作腔相隔离；上述的耐高压结构简单可靠，容易实现，从而使得系统具有了在湿式状态下工作的能力。第一定子轭铁2和第四定子轭铁9外表面开有导线引出孔，以方便将控制线圈4、7端引出与外界控制电路相连；第一定子轭铁2，第二定子轭铁5，第三定子轭铁6和第四定子轭铁9内圆周面开有数目相同且均匀分布的多个小齿，为减小转子的转动惯量，设计了空心杯转子10与阀芯12固连，其外圆周面上开有多个和定子铁心齿数相同的转子齿。为满足永磁极化磁通和电流控制磁通的要求，后端盖11、第一线圈保持架23、第二线圈保持架8和阀芯12均为非导磁材料制成的非导磁体，第一定子轭铁2，第二定子轭铁5,第三定子轭铁6和第四定子轭铁9和空心杯转子10均为软磁材料制成的良导磁体；为加 强散热，降低第一控制线圈4、第二控制线圈7的温升，第一线圈保持架23、第二线圈保持架8的材料还应有良好的导热性能。为实现耐高压低惯量旋转电磁铁的连续转动，第一定子轭铁2，第二定子轭铁5，第三定子轭铁6和第四定子轭铁9上的齿需要彼此分别错开1/2、1/4和1/2个齿距角。2D阀阀体部分包括O型密封圈25、27、29、30、31、32、34和38，阀芯12，右塞环26，同心环28，阀套33，内六角圆柱头螺钉35，弹簧垫圈36，后盖板37，堵头39和阀体40。如图3、4和5所示，直动式2D电液比例数字阀主要依靠伺服螺旋机构来实现阀芯转角与轴向直线位移(主阀开口)的转换，伺服螺旋机构主要包括阀芯12和阀套33等，阀芯12与阀套33、后盖板37配合构成敏感腔，靠近敏感腔端的阀芯12台肩表面上开设有两对轴对称的高低压孔f和C。阀芯12装于阀套33中，阀套33和阀体40之间通过O型密封圈34、32、31、30和29密封，阀芯12上装有同心环28和右塞环26以保证阀芯12、阀套33和阀体40之间的定位。阀套33的内表面上开设有一对轴对称的螺旋槽e，该槽的一端和敏感腔相通，另一端与高低压孔f和c构成阻力半桥，阻力半桥通过螺旋槽e控制敏感腔内的压力。由于伺服螺旋机构的固有频率很高，在设计中高低压孔与螺旋槽之间可以取为零遮盖即可保证稳定。因为零遮盖阀使零位导控流量泄漏几乎为零，并使阀芯12的静态轴向刚度很大，阀芯12的转角位移与轴向直线位移(主阀开口)之间的转换精度很高。本实施例以阀芯直径为12. 5mm的100L直动式2D电液比例数字阀为例，结合附图对本发明作进一步说明。本实施例的工作原理如图2、3、4和5所示，直动式2D电液比例数字阀的右腔通过小孔b，经阀芯12杆内通道和小孔a与进油口(系统压力)相通，其面积为左敏感腔的一半；左敏感腔的压力由开设在阀芯12左端台肩上的一对高低压孔f和c与开设于阀套33内表面的螺旋槽e相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，左敏感腔的压力为进油口压力(系统压力)的一半，阀芯12轴向保持静压平衡，与螺旋槽e相交的高低压孔两侧的遮盖面积相等。当以逆时针(面对阀芯伸出杆)的方向转动阀芯12，则高压侧的遮盖面积增大、低压侧的遮盖面积减小，左敏感腔的压力升高，并推动阀芯12右移，同时高低压孔f和c又回到螺旋槽e的两侧，处于高低压孔两侧遮盖面积相等的位置，左敏感腔的压力恢复为进油口压力(系统压力)的一半，保持轴向力平衡；若顺时针方向转动阀芯12，变化则正好相反，阀芯12向左移动。在直动式2D电液比例数字阀中，阀芯12的旋转角位移与轴向直线位移之间的转换运动与普通的机械螺旋机构的转换运动相一致，不同之处在于阀芯12的轴向运动由液压静压力 驱动，从结构和工作原理可以看出直动式2D电液比例数字阀为一双级位置反馈液压流量伺服阀。上述具体实施方式
用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种直动式2D电液比例数字阀，包括2D阀体，所述2D阀体内安装阀芯和阀套，阀芯、阀套和后盖板配合构成敏感腔，靠近敏感腔端的阀芯台肩表面上开设有两对轴对称的高低压孔，阀芯装于阀套中，阀套和阀体之间通过O型密封圈密封，阀芯上装有同心环和右塞环，阀套的内表面上开设有一对轴对称的螺旋槽，该螺旋槽的一端和敏感腔相通，螺旋槽的另一端与高低压孔构成阻力半桥；其特征在于所述直动式2D电液比例数字阀还包括耐高压低惯量旋转电磁铁，所述耐高压低惯量旋转电磁铁包括固连螺棒、第一定子轭铁、第二定子轭铁、第三定子轭铁、第四定子轭铁、第一控制线圈、第二控制线圈、第一线圈保持架、第二线圈保持架、空心杯转子、永磁体和后端盖，所述第一定子轭铁、第二定子轭铁、第三定子轭铁、第四定子轭铁依次布置在所述空心杯转子外圈，第一定子轭铁和第二定子轭铁相对设置形成第一空腔，所述第一空腔内置第一线圈保持架，第一控制线圈环绕在第一线圈保持架上组成电流励磁的一相，第三定子轭铁和第四定子轭铁相对设置形成第二空腔，所述第二空腔内置第二线圈保持架，第二控制线圈环绕在第二线圈保持架上组成电流励磁的另一相，永磁体被放置在第二定子轭铁和第三定子轭铁的中间且被轴向磁化成N极和S级；所述固连螺棒依次穿过后端盖、第四定子轭铁、第三定子轭铁、第二定子轭铁、第一定子轭铁与所述阀体固定连接，所述阀芯的外端与所述空心杯转子固定连接。
2.如权利要求I所述的直动式2D电液比例数字阀，其特征在于所述第二定子轭铁和第三定子轭铁的外侧各开有一个环形槽用来放置密封圈，阀体右侧开有一个环形槽用来放置密封圈，后端盖的内侧开有一个环形槽用来放置密封圈；第一线圈保持架和第二线圈保持架内孔各开有一对左右均布的环形槽用来放置密封圈。
3.如权利要求I或2所述的直动式2D电液比例数字阀，其特征在于所述第一定子轭铁和第四定子轭铁外表面开有导线引出孔，第一定子轭铁、第二定子轭铁、第三定子轭铁和第四定子轭铁内圆周面开有数目相同且均匀分布的多个小齿，空心杯转子的外圆周面上开有多个和定子铁心齿数相同的转子齿。
4.如权利要求I或2所述的直动式2D电液比例数字阀，其特征在于第一定子轭铁、第二定子轭铁、第三定子轭铁和第四定子轭铁上的齿需要彼此分别错开1/2、1/4和1/2个齿距角。
5.如权利要求I或2所述的直动式2D电液比例数字阀，其特征在于后端盖、第一线圈保持架、第二线圈保持架和阀芯均为非导磁材料制成的非导磁体，第一定子轭铁，第二定子轭铁，第三定子轭铁和第四定子轭铁和空心杯转子均为软磁材料制成的良导磁体。
全文摘要
一种直动式2D电液比例数字阀，包括2D阀体，2D阀体内安装阀芯和阀套，阀芯、阀套和后盖板配合构成敏感腔，靠近敏感腔端的阀芯台肩表面上开设有两对轴对称的高低压孔，阀芯上装有同心环和右塞环，阀套的内表面上开设有一对轴对称的螺旋槽，耐高压低惯量旋转电磁铁包括固连螺棒、第一定子轭铁、第二定子轭铁、第三定子轭铁、第四定子轭铁、第一控制线圈、第二控制线圈、第一线圈保持架、第二线圈保持架、空心杯转子、永磁体和后端盖，固连螺棒依次穿过后端盖、第四定子轭铁、第三定子轭铁、第二定子轭铁、第一定子轭铁与阀体固定连接，阀芯的外端与空心杯转子固定连接。本发明结构简单、无动密封。
文档编号F15B13/02GK102878135SQ201210346399
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者孟彬, 林琼, 阮健 申请人:浙江工业大学