多功能流量控制阀的制作方法

本发明涉及一种多功能流量控制阀，属于液压、气动元器件及石化、化工、流体输送控制技术领域。流量控制阀是一种应用非常广泛、极为重要的基础元件，常被称为节流阀、调节阀，依据应用场合、工况目的、技术要求的不同有各不相同的形式和规格。

背景技术：

在现代化工厂的自动控制中，调节阀起着十分重要的作用，这些工厂的生产取决于流动着的介质正确分配和控制。自动控制无论是能量的交换、流量分配、压力的降低或者是简单的容器加料，都需要流量调节控制装置来完成。在工业现场，测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。是工业测量中最重要的仪表之一。随着工业的发展，对流量测量的准确度和范围要求越来越高，因此可以认为流量调节控制、测量和即时显示是工业自动控制乃至智能控制的重要命题。

现有技术中节流阀，或称为调节阀，是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门，通过节流阀的流量不仅取决于节流口面积的大小，还与节流口前后的压差有关，然其原理都以节流的方式改变液阻来进行流量控制。介质在节流阀瓣和阀座之间流速很大，以致使这些零件表面很快损坏-即所谓空化、气蚀现象，节流使液阻增大可改变通过阀的流量，但也同时带来能量损耗，并转换成为热能使流体和阀门升温，对于系统而言其影响无疑是负面的。尤其是在液压传动技术领域，因节流而导致的严重“发热”及“能量损失”是属于“原理性的”后果，因此，从节能减排的观念审视，已成为限制技术发展、应用推广的瓶颈。然而，令人遗憾的是，在控制流体流量这一重要技术领域，现有技术沿用百年却一直未走出“阀芯”、“阀座”之间形成的“狭缝”。“变量泵控制、调节流量的回路”“容积变量回路”从理论上来说是一重要突破，打开了全新的视野、思路，但是由于没有引入“阀”的概念，没有形成独立元件，因而未受到应有的关注，应用不能普及、发展滞后。在这样的现有技术的背景下，本发明提出一种“多功能流量控制阀”。

“多功能流量控制阀”的创新之处在于将“流量控制单元”的理念运用到“阀”中来，而将“阀”的概念拓展到能够实现“流量调节”的功能元件中。举实例而言：现有技术中的斜盘式轴向柱塞变量泵，是一种将旋转机械能转换成流体动能的装置，而且排量即工作容积可调。当发现这个装置是可逆的，它还能够将流体动能转换成旋转机械能时，有了一个改变用途，用于另一种目的的创新，即变量马达。于是这个基本构造相同的装置被表述为“斜盘式轴向柱塞变量泵/马达”。现在，要将其功能扩展到“阀”的领域，无疑在功能上有更多的不同的要求，对其结构的工作原理、机制要有不同的理解，对于其用途上是更大的跨越，是一种突破观念的重要创新，可表述为“斜盘式轴向柱塞变量泵/马达/阀”。显然，事情也不是加一“/”斜杠那么简单，现有技术中的普通斜盘式轴向柱塞变量泵若充当流量控制阀串联到所需进行流量控制的回路中，原理上是可行的，但是，在其工作过程中，进口压力转换成柱塞的直线运动机械能；再通过与斜盘作用转换成缸体的旋转机械能；然后在斜盘的另一侧又将缸体的旋转机械能转换成柱塞的直线运动机械能；柱塞的直线运动转换成流体压力能形成出口压力。可见多次反复转换将带来很大的能量损耗，或者说是压力损失。同时，其变量机构虽然能直接改变排量，却因驱动惯量大，响应不灵敏而不能适应作为流量控制的要求。在现有技术中还有“传统型液压变压器”、“新型液压变压器”技术、产品，其思路、作用、原理与前述实例基本类似，但也还尚在研究开发中，并未达到理论成熟、技术广泛应用的阶段。

现有技术中尚有一种容积累计式的流量计量装置，利用可动元件的标准容积空间连续地测量流体总容积。这种流量计对于流体容积的计量犹如斗量，随着可动元件的转动，标准容积空间循环地容纳流过的介质，根据计量次数就可测定流过介质的总容量。实例如：应用于燃油加油机中的单活塞流量计、四活塞流量计，以气(液)缸为计量室，活塞为测量元件，活塞在缸内可以作往复运动，在进出口流体差压的作用下，流体从入口经换向阀进入缸内，推动活塞运动，完成计量。

此前本人有发明专利申请“一种曲面滚道斜盘轴向柱塞泵及马达”，zl201510295059.2，即双配流盘轴向柱塞泵/马达，其斜盘变化为双向的曲面滚道，增加了将柱塞导向并传递扭矩的导轨组件，且工作部件是双头柱塞与位于两端的组合柱塞缸构成的双作用轴向柱塞缸，双配流盘用以从两端向双作用轴向柱塞缸配流，这一现有技术的基本构造是本发明的核心和基础。关于流量控制、调节的机构可参看[一种双配流盘轴向柱塞泵及马达的变量调节装置】，zl201520622491.3。参考论文：【旋转配流盘型变量柱塞泵研究】徐秀华、欧阳小平、徐兵中国机械工程第17卷、第17期2006年9月。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无“阀芯、阀座”的非液阻式流量控制阀，同时还兼具流量监测、计量功能；截止阀及快速切断阀功能；管道增压泵功能的“多功能流量控制阀”。

曲面滚道斜盘轴向柱塞泵/马达的独特结构及工作原理的应用是“多功能流量控制阀”的核心技术。具体分析：图3是流量控制阀，其核心机构就是“曲面滚道斜盘轴向柱塞泵/马达”，图中可见其主要工作部件是具有同轴双头柱塞(3-10)的双作用轴向柱塞缸，进口压力可施加于刚性柱塞直接传递到出口形成出口压力。进口到出口会有压差，是因“横向滚轴”(3-8)与左曲面滚道(3-6)、右曲面滚道(3-12)作用产生旋转力矩而损耗了很少的能量。在转子(3-7)的两端分别配置有左、右活动配流盘(3-5)、(3-14)，其作用是向柱塞缸配流。设定不对通过的流量进行调节的初始状态为左、右配流盘的配流腰槽相对于左、右曲面滚道(3-6)、(3-12)的上、下死点之间的连线对称分布；左上角接口与右下角接口联通，并作为流体进口，接压力高的管线，而左下角接口与右上角接口联通为出口，串接于管线中控制流过的介质的流量，此时从中分线看左右两边是为同轴联动的两台液压马达在无输出扭矩负载的状态下将会高速空载运转，因此在出口端应带有负荷或者有一定的背压方能安全运行。从纵向轴线看，如前所述，每一个双作用轴向柱塞缸都将进口压力直接传递到出口，当进口接入恒压，作为二次调节元件在压差、负荷、流量达到稳定平衡时是为该状态下的最大流量，其能量损耗和液阻将大大小于普通节流阀。

进行流量调节时，需要转动配流盘，例如将右活动配流盘(3-14)顺时针转动某一角度，则左、右活动配流盘(3-5)、(3-14)的配流腰槽的对应位置被改变，使得“双作用轴向柱塞缸”在随转子(3-7)旋转到某一区域时其柱塞两端会同时联通进口；而在其旋转对称的另一区域柱塞两端会同时联通出口。此时双头柱塞处于阻尼运动状态，将进口高压流量中的一部分回馈到进口配流腰槽，而出口流量也会相应减少并补偿到柱塞低压端。当右活动配流盘(3-14)顺时针转180度时，左、右活动配流盘(3-5)、(3-14)的配流腰槽进、出口在双头柱塞两边位置全部重合，将不会有输入和输出的流量，也不再有转矩，转子将停止转动。也就是说一个活动配流盘转动，从0-180度可控制流量从最大到0输出。值得指出的是，当左、右活动配流盘(3-5)、(3-14)都进行转动调整位置时，情况会比较复杂，会有两个不同方向的转矩同时作用于转子，这对于调整转子转速进而调节流量是有效的。如前面所举的例子，一台现有技术中的普通斜盘式轴向柱塞变量马达，即可充当流量控制阀串联到所需进行流量控制的回路中，本发明的流量控制阀实际上可视为两台同轴联动的“并联的阀”，当这两台阀串联到各自需要控制的旋转执行器回路中，则可对两台旋转执行器分别和同时进行速度控制，而将两阀之出口连通到一起，则共同提供的总流量将在两台并联的旋转执行器中自动根据其负载大小分配流量，得到不同的速度，相当于差速器的效果。因此，多功能流量控制阀将会成为车辆行走液压驱动方案中定量液压车轮马达速度控制阀门的首选。多功能流量控制阀其应用范围很广，尤其对于“有效作用面积不可变”的执行器如液压缸等进行速度控制，将起到节能、精确、便捷不可替代的作用，当然其技术特性有待发掘、优化。但各种工况、状态如：负负载、负流量、能量回收、附加功能元件等等过于繁琐，不在此讨论。

一种多功能流量控制阀由曲面滚道斜盘轴向柱塞马达、控制驱动部件组成，与普通斜盘轴向柱塞泵/马达不同，其斜盘变化为双向的曲面滚道，增加了将柱塞导向并传递扭矩的导轨组件，且工作部件是双头柱塞与两个对置组合液压缸组成的双作用轴向柱塞缸，双配流盘用以从两端向双作用轴向柱塞缸配流，其特征在于：所述双配流盘即，左活动配流盘(3-5)、右活动配流盘(3-14)，分别套置于左连接套(3-4)、右连接套(3-13)中，所述连接套内圆分别有两个环形流道(3-25)，其间和外侧有密封件，也可在所述连接套与所述配流盘间形成间隙密封，所述环形流道连接外部通口，所述双配流盘的底面分别有两个配流腰槽(3-28)，每个所述配流腰槽均有内部通道连接至所述配流盘的外圆柱表面，位置对应于所述连接套之所述环形流道，所述双配流盘顶部设置有内齿环(3-26)与所述控制驱动部件的齿轮啮合，电机齿轮副传动可实现配流盘旋转调节位置，为了增大调节力矩及达到配流盘位置自锁则可使用蜗轮蜗杆传动方式，所述控制驱动部件还包括左控制电机(3-1)、右控制电机(3-16)、左配流盘位置传感器(3-18)、右配流盘位置传感器(3-27)、转速传感器(3-17)。

曲面滚道斜盘轴向柱塞泵/马达的独特结构，使其具有很大的、不可替代的技术优势，但也存在加工、装配工艺上的难度和障碍，甚至需要在结构设计上作一些适应工艺的调整。本发明在此提出一项新的改进型的结构设计，可以达到降低加工工艺难度并提高技术品质的效果。这项改进型的结构就是将原来的转子如图3中的转子(3-7)，分为三个构件，见图5：中间段为滑块(5-1)、横向滚轴(5-2)、导轨体(5-3)、曲面滚道槽(5-4)所组成的“内圆柱凸轮”组件，而两端为具有自由柱塞(5-5)的液压缸，所述自由柱塞(5-5)即所述双头柱塞两端的柱塞部分，与滑块(5-1)、横向滚轴(5-2)分离，而分别置于所述液压缸缸体中可自由进行往复运动，自由柱塞(5-5)的分布位置与滑块(5-1)一一对应，且其外径须小于滑块(5-1)的外缘轮廓，其指向滑块(5-1)的端部装置有减震垫(5-13)。左组合液压缸(5-6)、右组合液压缸(5-7)与导轨体(5-3)由主轴(5-10)及花键(5-15)紧固定位，左曲面滚道(5-8)右曲面滚道(5-9)构成曲面滚道槽(5-4)，并与外壳(5-11)固连。装于导轨体(5-3)两端的轴承(5-12)分别与左曲面滚道(5-8)右曲面滚道(5-9)构成旋转连接支承。当然也可以是一侧的液压缸安装自由柱塞而另一侧的柱塞与滑块(5-1)固连。

附图说明：

图1是多功能流量控制阀，(可广泛应用于石化、电力、化工等流体输送控制技术领域，尤其是用于油品、水、气等流体进行管道输送。)

图2是图1中活动配流盘(4)的零件图

图3是流量控制阀(主要应用于液压、气动系统)

图4是图3之a-a视图、b-b视图

图5是内圆柱凸轮组件及具有自由柱塞的液压缸示意图

其中：

1.端盖2.环形流道3.流量控制电机4.活动配流盘5.蝶簧6.推力轴承7.主轴8.转速传感器9.制动器10.轴承盖11.驱动电机减速、离合器12.驱动电机13.转子14.连接套15.液压缸16.联接管17.曲面滚道18外壳19.双头柱塞20.导向槽21.滚子22.横向滚轴23.固定配流盘24轴承25.隔断26.连接法兰27.阀体28.配流腰槽29.配流腰槽末端30.配流腰槽首端31.连接配流腰槽流道32.内齿环

3-1.左控制电机3-2.左端盖3-3.蝶簧3-4.左连接套3-5.左活动配流盘3-6.左曲面滚道3-7.转子3-8.横向滚轴3-9.滚子3-10.双头柱塞3-11.导向槽3-12.右曲面滚道3-13右连接套3-14.右活动配流盘3-15.右端盖3-16.右控制电机3-17.转速传感器3-18.左配流盘位置传感器3-19.轴承盖3-20.推力轴承3-21.液压缸3-22.主轴3-23.外壳3-24.连接管3-25.环形流道3-26.内齿环3-27.右配流盘位置传感器3-28.配流腰槽

5-1.滑块5-2.横向滚轴5-3.导轨体5-4.曲面滚道槽5-5.自由柱塞5-6.左组合液压缸5-7.右组合液压缸5-8.左曲面滚道5-9.右曲面滚道5-10.主轴5-11.外壳5-12.轴承5-13.减震垫5-14.导轨滑槽5-15.花键

具体实施方式：

图1给出了一种多功能流量控制阀设计，除进行流量控制外它同时具备流量计、截止阀、快速切断阀、管道增压泵的功能。大部分构件的功能、作用在正文中已有详细描述，特别的设置有：驱动电机减速、离合器(11)、驱动电机(12)、制动器(9)，其中，驱动电机减速、离合器(11)作为驱动电机(12)的辅助机构，功能显然。当制动器(9)动作时，可立即将主轴(7)制动，转子(13)停止转动即无流量输出，起到快速切断阀的作用。特别设置驱动电机(12)是为使流量控制阀具有更多功能和更好的技术特性，尤其是在液体管道输送领域，将会发挥更重要作用。如前所述本发明的流量控制阀其工作原理是非狭缝节流液阻式的，而是通过改变容积和进而改变转速来达到调节流量的目的。事实上改变转速的方式是更接近于增加液阻的原理，当我们将流量与转子转速直接联系起来时，让阀运行在较高的转速工况，阀的体积可减小，同时改变排量也变得不太重要，不进行容积调节而只是调节转子转速并回收旋转机械能即可实现流量调节。因此可以设定驱动电机(12)的四种状态：1.离合器分离。2.小功率补偿转子转动损耗，无液阻正常流量。3.大功率运转提速增压，增加流量。4.负功阻尼状态，调节流量并回收能量。

於附图中可见，配流腰槽(28)的形式与现有技术中的设计有些许变化，即由原来的宽度均匀的弧形槽改变为鱼形，这是希望通过改变流道来减少冲击、震动和噪声，其实只是现有技术中减震三角槽的延伸设计。