带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀的制作方法

本发明属于流体传动及控制领域中电液比例控制技术用的流量和换向控制阀，尤其涉及一种带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀。

背景技术：

电液伺服/比例控制系统由于其功率重量比高的核心优势，以及动态响应快和与电子技术融合后的信号传递处理方便等优点，在航空航天、武器、船舶、大型电站和材料试验机等领域得到了广泛的应用。电液伺服/比例阀作为其核心部件，对整个系统的性能起着关键性的影响作用。为了进一步提升功率重量比，从而获得相对于电气传动的竞争优势，电液伺服/比例阀自诞生之初就努力向高压大流量方向发展。而为了克服高压大流量工况下带来的大液动力，则需要以液压力来驱动主阀芯，也就是必须将电液控制元件设计成导控式结构。在众多的导控阀结构创新之中，阮健等提出的基于阀芯双运动自由度理论的二维阀(twodimensionalvalve，2d)将独立的先导级和功率级合二为一，集成于单个阀芯上，具有功率重量比特别高、结构简单和抗污染能力强的优点，在军工和航空航天等场合得到了具体的应用。

从电液伺服控制理论角度而言，二维阀实质为一机液位置直接反馈系统，其核心部分是反馈机构，早先的方案采用在阀套内表面加工空间螺旋槽的方式与节流口构成位置直接反馈，这种方式没有机械接触带来的摩擦磨损问题，对阀静态特性不构成影响，性能优异，但内空间螺旋槽加工难度较大，一般需要三轴以上的进口电火花机床，且加工效率低，故而该种阀较为适合军工、航空航天等高端场合使用，在工业领域内推广难度较大。为解决此问题，将反馈机构从阀芯阀套移出，在电—机械转换器和流量放大机构本体之间设计了特殊的联轴节作为反馈和运动转换环节，同时将推力放大，滚轮—滑楔式联轴节是这种机械反馈放大机构的典型代表，该种阀结构简单，制造成本低，且可以与任意直动式电—机械转换器对接，但主要缺陷在于其滚轮—滑楔摩擦副产生的摩擦磨损等对阀静态精度(滞环和分辨率)的影响较为明显，实验显示即便在叠加颤振的情况下，阀的滞环依然达到了13.9％。后续又尝试了滚珠丝杠型等其他机械反馈放大机构的方案，但受困于机械接触的本质，摩擦带来的问题始终难以解决。磁悬浮压扭机构虽然在斜面处采用了非接触式的“磁悬浮”设计，避免了机械反馈放大机构因间隙、摩擦磨损对阀的线性度、重复度和滞环等静态特性带来的影响，但是该机构中的直线轴承处还是存在着滑动摩擦的影响。此外，还尝试了永磁直线导轨式磁悬浮压扭机构的方案，该机构沿用了磁悬浮压扭机构在斜面处采用的“磁悬浮”设计，并利用永磁直线导轨来实现压扭机构的轴向移动，消除了直线轴承处的摩擦，但是由于其磁刚度不足导致该压扭机构发生旋转，从而给阀带来了工作死区。

技术实现要素：

为了解决机械式压扭机构对二维阀线性度、重复度和滞环等静态特性所造成的影响、磁悬浮压扭机构中存在着滑动摩擦的影响以及永磁直线导轨式磁悬浮压扭机构因磁刚度不足所引起二维阀工作死区的问题，本发明提供一种带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀。

本发明所述的带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀，由比例电磁铁、磁悬浮斜翼节和二维阀三部分所构成。所述二维阀部分包括一个阀芯12、一个阀套13和右端盖组件，阀芯12可转动并可滑动地放置在阀套13的内孔中，阀芯12左端有加长端，用以连接磁悬浮斜翼节装置，阀套13的内孔壁上开设有两道环形沟槽(k1，k2)，其都与阀套13的低压油道t相通，在两道环形沟槽(k1，k2)之间的阀套13周向上依次开设有2个t口、4个全周开口a口、6个p口、4个全周开口b口，其中p口为进油口，且与阀套13的高压油道p相通，此处压力为系统压力；所述阀芯12的左端端部台肩上套有一个同心环11，与阀芯12的左端第二台肩一起形成高压腔g，阀芯12上有两个高压孔，分别为与高压腔g相通的高压孔a和与p口相通的高压孔b，阀芯12的右端端部台肩上还开设有一个与p口相通的矩形高压槽c和一个与t口相通的矩形低压槽d；此外，阀套13的右端内孔安装一堵头15并用固定销14进行轴向固定，防止油液从阀套13右侧泄漏，从而与阀芯12的右端端部台肩形成一敏感腔f；并在阀套13右端的内壁上轴对称的开设两条矩形感受通道e，其右端和敏感腔f相通，左端上下侧与阀芯12的高压槽c、低压槽d之间形成由阀芯12转动的2个节流口，并串联形成液压阻力半桥，以此控制敏感腔f内的压力。

所述的右端盖组件与阀套13螺纹连接，并且右端盖9上的2个p口、2个t口分别和阀套13的高压油道p、低压油道t一一对应；磁性弹簧20由左磁铁座2、右磁铁座6和左环形磁铁3、右环形磁铁5所组成，安装在比例电磁铁1和磁悬浮斜翼节21之间，其中左磁铁座2的左端面与左端盖4和电磁铁1的推杆19相接触，右磁铁座6的右端面与中间连接端盖7和外动子8相接触，磁性弹簧20主要起力平衡和复位作用，并起消除间隙和零位对中(比例电磁铁1不通电时，导控桥路转动对中，主阀轴向开口处于零位对中状态)的作用。所述二维阀的左端通过磁悬浮斜翼节21与电—机械转换器固连。

所述磁悬浮斜翼节21部分包括一个外动子8、4片外动子磁片16、2块斜翼动子磁片17和一个斜翼动子18，其中外动子8套在右端盖组件的两根引流管10上，限制其径向转动，使得外动子8只能作轴向直线运动；此外，外动子8和引流管10之间预留了间隙，以便形成静压支撑所需的油膜，所述的间隙连通中间连接端盖7和右端盖9所形成的容腔。引流管10的开口端穿过右端盖9、连通阀套13的高压油道p，引流管10上开有贯通管壁的小孔，当高压油从阀套13的p口经高压油道p从引流管10的小孔流出填满该间隙，由于该间隙并不是密闭空间，因此油液会从外动子8的两端(间隙两端)溢出，填满中间连接端盖7和右端盖9所形成的整个容腔，再从右端盖9的t口流回油箱，该过程中外动子8和引流管10始终被一层薄薄的油膜所隔开，使得外动子8和引流管10之间无摩擦运动，提高了运动精度、延长了使用寿命也消除了原磁悬浮联轴节中摩擦力所引起的滞环特性；此外，静压支撑的油膜刚度要远大于永磁直线导轨式的磁刚度，因此不会引起阀的工作死区。

外动子8左右两侧各开设了两条磁片斜槽，相应的斜槽上粘贴外动子磁片16，斜翼动子18的左右两个叉型翼面上各安装一块斜翼动子磁片17；外动子8的斜槽和斜翼动子18的叉型翼面都有相同的倾角β，且均呈以阀芯12为中心轴的180°阵列特征，斜翼动子18置于外动子8的中间位置，以此产生磁排斥力，形成前后两个相同高度的倾斜工作气隙，使得斜翼动子18纯粹靠磁力可转动地悬浮在外动子8中间。

优选地，动子8和引流管10之间预留的间隙的厚度是0.05mm。

本发明的有益效果主要表现在：

1、本发明所设计的带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀，其磁悬浮斜翼节采用了静压支撑的设计，从而使得磁悬浮斜翼节无摩擦运动，提高了运动精度、延长了使用寿命，并且也消除了原磁悬浮联轴节中摩擦力所引起的滞环特性。此外，静压支撑的油膜刚度要远大于永磁直线导轨式的磁刚度，因此不会引起阀的工作死区。

2、本发明所设计的带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀，其磁悬浮联轴节可以与任意的直动式电—机械转换器相连，如开关电磁铁、音圈电机和线性力马达等，从而构成换向、比例和伺服等多种不同用途的二维电液控制元件。

3、本发明所设计的带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀，采用阀芯双自由度的二维流量放大机构，将导控级与功率级集成于单个阀芯上，在简化结构、降低加工成本的同时大大提高了功率重量比；此外，将二维阀做成插装式使得其密封的性能得到了很大的提升，也易于系统集成和加工改型。

4、本发明所设计的带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀，采用磁性弹簧机构，将传统弹簧压缩产生的弹簧力由磁排斥力来代替，使得二维阀的结构变得更加紧凑，也使得电—机械转换器与磁悬浮斜翼节之间的安装变得更加方便。

附图说明

图1是带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀的装配示意图；

图2是图1的ⅰ部放大图；

图3是比例电磁铁1与推杆19的装配示意图；

图4是左端盖4的结构示意图；

图5是中间连接端盖7的结构示意图；

图6是右端盖9的结构示意图；

图7a是阀套13的剖视图，是以2个高压油道p为基准面的剖视图；

图7b是阀套13的剖视图，是2个低压油道t为基准面的剖视图；

图8是阀套组件与右端盖组件装配结构的爆炸图；

图9是磁性弹簧20、磁悬浮斜翼节21与阀芯12装配结构示意图；

图10是磁性弹簧20、磁悬浮斜翼节21与阀芯12装配结构的爆炸图；

图11是推杆19、磁性弹簧20组件、外动子8、左端盖4与中间连接端盖7装配结构示意图；图12a～图12d是插装式二维磁悬浮伺服比例阀的运动过程示意图，其中，图12a是插装式二维磁悬浮伺服比例阀初始平衡状态的示意图，图12b是插装式二维磁悬浮伺服比例阀通电后的阀芯转动示意图，图12c是插装式二维磁悬浮伺服比例阀通电后的阀芯滑动示意图，图12d是插装式二维磁悬浮伺服比例阀达到新平衡状态的示意图；

图13是磁悬浮斜翼节受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀，包括比例电磁铁1、左端盖4、磁悬浮斜翼节端盖7、右端盖9、引流管10、同心环11、阀芯12、阀套13、固定销14、堵头15、推杆19、磁性弹簧20和磁悬浮斜翼节21组成；磁性弹簧20包括左磁铁座2、右磁铁座6和左环形磁铁3、右环形磁铁5所组成；阀套组件包括阀套13、固定销14、堵头15；右端盖组件主要由右端盖9、两根引流管10所组成；带静压支撑的插装式二维磁悬浮伺服比例阀主要由比例电磁铁、磁悬浮斜翼节和二维阀三部分所构成。

所述磁悬浮斜翼节21部分包括一个外动子8、4片外动子磁片16、2块斜翼动子磁片17和一个斜翼动子18，其中外动子8套在右端盖组件的两根引流管10上，限制其径向转动，使得外动子8只能作轴向直线运动；此外，从图2中可以看到，外动子8和引流管10中间预留了0.05mm左右的间隙，以便形成静压支撑所需的油膜，所述的间隙连通中间连接端盖7和右端盖9所形成的容腔。引流管10的开口端穿过右端盖9、连通阀套13的高压油道p，引流管10上开有贯通管壁的小孔，当高压油从阀套13的p口经高压油道p从引流管10的小孔流出填满该间隙，由于该间隙并不是密闭空间，因此油液会从外动子8的两端(间隙两端)溢出，填满中间连接端盖7和右端盖9所形成的整个容腔，再从右端盖9的t口流回油箱，该过程中外动子8和引流管10始终被一层薄薄的油膜所隔开，使得外动子8和引流管10之间无摩擦运动，提高了运动精度、延长了使用寿命也消除了原磁悬浮联轴节中摩擦力所引起的滞环特性；此外，静压支撑的油膜刚度要远大于永磁直线导轨式的磁刚度，因此不会引起阀的工作死区。

外动子8左右两侧各开设了两条磁片斜槽，相应的斜槽上粘贴外动子磁片16，斜翼动子18的左右两个叉型翼面上各安装一块斜翼动子磁片17；外动子8的斜槽和斜翼动子18的叉型翼面都有相同的倾角β，且均呈以阀芯12为中心轴的180°阵列特征，斜翼动子18置于外动子8的中间位置，以此产生磁排斥力，形成前后两个相同高度的倾斜工作气隙，使得斜翼动子18无须借助任何机械结构，纯粹靠磁力“悬浮”在外动子8中间，并可旋转一定的角度。

所述二维阀部分包括一个阀芯12、一个阀套13和右端盖组件，阀芯12可转动并可滑动地放置在阀套13的内孔中，阀芯上设有5个台肩，其中有2个为端部台肩；如图7所示，所述阀套13的内孔壁上有两道环形沟槽(k1，k2)，其都与阀套13的低压油道t相通；在两道环形沟槽(k1，k2)之间，阀套13周向上依次开设有2个t口、4个全周开口a口、6个p口、4个全周开口b口，其中p口为进油口，且与阀套13的高压油道p相通，此处压力为系统压力；所述阀芯12的左端端部台肩上套有一个同心环11，与阀芯12的左端第二台肩一起形成高压腔g，阀芯12上有两个高压孔，分别为与高压腔g相通的高压孔a和与p口相通的高压孔b，阀芯12的右端端部台肩上还开设有一个与p口相通的矩形高压槽c和一个与t口相通的矩形低压槽d；此外，阀套13的右端内孔安装一堵头15并用固定销14进行轴向固定，防止油液从阀套13右侧泄漏，从而与阀芯12的右端端部台肩形成一敏感腔f；并在阀套13右端的内壁上轴对称的开设两条矩形感受通道e，其右端和敏感腔f相通，左端上下侧与阀芯12的高压槽c、低压槽d之间形成由阀芯12转动的2个节流口，并串联形成液压阻力半桥，以此控制敏感腔f内的压力。

所述的比例电磁铁1通过紧定螺钉与推杆19相连，并安装在左端盖4上，左端盖4、中间连接端盖7和右端盖9都利用螺钉进行固定。所述的右端盖组件与阀套13螺纹连接，并且右端盖9上的2个p口、2个t口分别和阀套13的高压油道p、低压油道t一一对应；所述的磁性弹簧20由磁铁座2、6和环形磁铁3、5所组成，安装在比例电磁铁1和磁悬浮斜翼节21之间，其中磁铁座2的左端面与左端盖4和推杆19相接触，磁铁座6的右端面与中间连接端盖7和外动子8相接触，磁性弹簧20主要起力平衡和用来将比例电磁铁1的推力转换为位移的作用，并起消除间隙和零位对中(比例电磁铁1不通电时，导控桥路转动对中，主阀轴向开口处于零位对中状态)的作用。

该二维阀仅左端通过磁悬浮斜翼节21连接电—机械转换器，其中阀芯13与斜翼动子18通过紧定螺钉进行轴向固定，外动子8通过销轴与比例电磁铁1上的推杆19过渡配合连接。

所述电—机械转换器为目前市场上成熟的商用比例电磁铁，需要说明的是，驱动磁悬浮斜翼节21的不局限于比例电磁铁，而可以是任意的直动式电—机械转换器，如开关电磁铁、音圈电机和线性力马达等，从而可以构成换向、比例和伺服等多种不同用途的二维电液控制元件。磁悬浮联轴节21的主要作用是将电—机械转换器输出的位移信号转换成转动信号，驱动二维阀阀芯12的转动，使得其转角在±2°以内，平动位移在±2.5mm之内。

本发明实施的工作原理，如图12a，12b，12c，12d和图13所示。当比例电磁铁1不通电时，由于其结构对称，磁悬浮斜翼节21所形成的4个倾斜工作气隙高度相等(d1＝d2)，使得斜翼动子18上下两侧翼面所受的磁排斥力相等(f1＝f2)，即此时阀芯12处于平衡状态。当比例电磁铁1通电时，磁悬浮斜翼节21的外动子8在比例电磁铁1的推动下向右移动，直到比例电磁铁1的推力fm与磁性弹簧20压缩产生的磁排斥力fs相平衡时，外动子8停止移动，在此过程中，磁悬浮斜翼节21的4个倾斜工作气隙高度发生变化(d1>d2)，导致斜翼动子18上下两侧翼面所受的磁排斥力发生改变(f2>f1)，阀芯12不再处于平衡状态，此时阀芯12受到向右的轴向驱动力fa(f1a和f2a的合力)和由切向力ft(f1t和f2t的合力)所产生的逆时针方向的磁力矩(从左往右看)。由于二维阀部分处在高压大流量下，阀芯12受到液动力fh的影响，该力远大于轴向驱动力fa，故无法直接驱动阀芯12轴向移动。与此同时，阀芯12在磁力矩的作用下逆时针转动，该磁力矩足以克服阀芯12和阀套13之间的粘性摩擦力(通常极小)，从而使得阀芯12转动δθ。由于阀芯12逆时针转动，阀芯12右端矩形高、低压槽(c和d)与感受通道e的沟通面积发生变化，使得敏感腔f的压力降低，因此，阀芯12向右轴向移动δx，油液从p口流向b口，a口流向t口。在右移过程中，由于斜翼动子18的180°阵列特征，使得磁悬浮斜翼节21的4个倾斜工作气隙高度再次发生变化(d1<d2)，导致斜翼动子18上下两侧翼面所受的磁排斥力再次发生改变(f1>f2)。由前述受力分析可知，这会使得阀芯12同步往回转动(即顺时针转动)，直至磁悬浮斜翼节21的4个倾斜工作气隙变到高度相等的位置，敏感腔f的压力重新恢复为以前的平衡值，阀芯12到达一个新的平衡位置。当比例电磁铁1失电或反向通电时，情况正好相反。

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。