一种大流量的二维活塞式流量伺服阀的制作方法

本发明属于流体传动及控制领域中的液压控制元件，具体涉及一种大流量的二维活塞式流量伺服阀。

背景技术：

目前典型的大规格电液伺服阀一般为电磁铁直接控制的电磁直驱式，其动静态特性水平会受一定抑制，而且其流量往往会受到电磁线圈的功率和液动力的限制，电液伺服阀是电液伺服控制系统中的关键元件，其性能在很大程度上直接决定了整个伺服系统的性能。

浙江工业大学提出的2d阀因其功率重量比高，结构简单、原理先进、性能优越和抗污染能力强等特点，受到航空航天、军事等领域液压系统的青睐。二维伺服阀利用阀芯旋转和滑动的双自由度而设计的伺服螺旋机构实现了伺服阀功率级和液压放大功能，克服了喷嘴挡板伺服阀抗污染能力的缺点。

技术实现要素：

为了克服目前市场上电磁插装阀受电磁铁体积、功耗限制，导致阀芯推力不足，尤其是高压大流量工况下稳定性不足，对油液污染敏感的缺点，本发明提出了一种用具有伺服螺旋机构的二维活塞为先导阀，推动阀芯运动的二维活塞式流量伺服阀，本发明具有功耗小、响应快、驱动力大、抗污染能力强等优点。

本发明采用的技术方案如下：

大流量的二维活塞式流量伺服阀，其特征在于：包括力矩马达、连接板、同心环、二维活塞壳、二维活塞、推力轴承、压套、压板、阀套、阀芯、敏感腔环、调节活塞、弹簧、弹簧底座、插销。力矩马达与连接板通过螺钉固连，连接板与阀套通过螺纹固连，二维活塞为力矩马达输出轴，二维活塞可转动并可轴向平动地连同二维活塞壳一起套装在阀套内；二维活塞上装有同心环、推力轴承并与压套装配成一个整体；压板与阀芯过盈固连，阀芯可轴向移动地安装在阀套内，调节活塞可轴向移动地安装在敏感腔环内并一同插入阀套内，弹簧的一端与调节活塞固连，另一端与弹簧底座固连，弹簧底座、敏感腔环通过插销与阀套固连。

所述阀套为非导磁材料，阀套左端上凸部分设有外螺纹，阀套与连接板通过螺纹固连。阀套的轴向外环周面均设置有环形沟槽，从左往右依次为第一环形沟槽、第二环形沟槽、第三环形沟槽与第四环形沟槽，每个环形沟槽内安装有o型密封圈。第二环形沟槽、第三环形沟槽与第四环形沟槽的侧面分别设有分布均匀且互不连通的a通道、b通道、t通道，第二环形沟槽与第三环形沟槽之间沿径向设有七个分布均匀的进油口p。阀套右凸部分沿径向设有两个轴对称的定位通孔，阀套与敏感腔环通过插销固连，阀套内壁从左往右依次设有第一回油槽、进油槽、第二回油槽。第二环形沟槽与第三环形沟槽相邻两端面沿轴向均设有高压流道，阀套第一回油槽左侧内壁与第二回油槽右侧内壁依次设有控制流道与调节流道，并皆与高压流道相通。

所述阀芯设有台阶，从左往右依次为第一台阶、第二台阶、第三台阶，其中第一台阶、第三台阶沿径向分别设有六个分布均匀且相同的第一回油孔与第二回油孔。阀芯中心沿轴线设有未完全贯穿的锥形流道，锥形流道左端口与压板过盈配合连接，阀芯右端面沿轴向设有四个中心对称且分布均匀的回流口并与锥形流道相沟通。

所述二维活塞壳为非导磁材料且有阶梯，二维活塞壳表面设有斜槽与敏感腔相通，二维活塞壳的轴向外环周面设有环形盲槽，环形盲槽沿径向设有六个中心对称且分布均匀的高压通孔。

所述二维活塞为非导磁材料且有轴肩，从左往右依次为第一轴肩、第二轴肩与第三轴肩，其中第一轴肩左侧二维活塞表面沿径向设有一对轴对称的小孔，第二轴肩表面沿轴向设有一对轴对称的高压槽和一对轴对称的低压槽，其中低压槽表面沿径向设有盲孔，二维活塞末端表面沿径向设有一对轴对称的低压通孔，并且中心沿轴向设有中心流道，中心流道沟通小孔、低压通孔和盲孔，二维活塞与同心环、推力轴承、压套装配成一个整体。

所述敏感腔环外表面沿轴向设有调节油槽，并且调节油槽外表面沿径向设有两对轴对称且分布均匀的调节孔，敏感腔环伸出端沿径向设有定位通孔可通过插销与阀套固连。

二维活塞可转动也可轴向移动地设置在力矩马达内，并且通过压板与阀芯相抵触。同心环、二维活塞壳、第二轴肩将阀套内腔密封形成敏感腔，高压槽和低压槽通过二维活塞壳上的斜槽与敏感腔沟通，敏感腔压力由高压槽和低压槽与斜槽相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制，高压槽和高压通孔通过控制油道与高压流道相通，高压流道沟通进油口p；二维活塞的第二轴肩、第三轴肩和二维活塞壳将阀套内腔气密围成高压控制腔，高压控制腔和高压槽沟通；工作过程中，二维活塞的旋转与位移使斜槽与高压槽、低压槽重叠面积交替变化。二维活塞壳右端、压板与阀套内腔形成低压腔，压板沿轴向设有一对轴对称的孔道，低压腔经孔道与锥形流道沟通，其中锥形流道与第一回油孔、第二回油孔、回流口依次相通；阀套第一回油槽与阀芯第一台阶密封形成第一回油腔，阀套第二回油槽与阀芯第三台阶密封形成第二回油腔，阀芯第二台阶将其左右两端内腔密封间隔开分别形成工作腔a1与工作腔b1，其中工作腔a1与通道a沟通，工作腔b1与通道b沟通，a通道、b通道皆与系统沟通，第二回油腔与t通道沟通，t通道与低压油箱沟通，进油口p位于阀芯第二台阶的运动轨迹上，进油口p与高压出口沟通，进油槽与第二台阶形成进油腔。阀芯右端面与调节活塞相抵触，弹簧设于调节活塞与弹簧底座之间，调节活塞可轴向移动地安装在敏感腔环内并一同设置在阀套内，调节活塞的外周环面与敏感腔环间设有较小缝隙，其中敏感腔环左端面、调节活塞、阀芯右端面与阀套内腔形成低压调节腔，并经回流口与第二回油腔相通；敏感腔环调节油槽与阀套内腔形成高压腔并经调节油道与高压流道相通，调节活塞与敏感腔环内腔形成高压调节腔并通过调节孔与高压腔相通，工作过程中阀芯在二维活塞和调节活塞的共同作用下实现轴向位移与各腔交替沟通。

优选的，所述二维活塞第二轴肩沿轴向设有一对轴对称的高压槽和一对轴对称的低压槽，且高压槽和低压槽交替设置；高压槽与低压槽通过二维活塞壳上的斜槽与敏感腔沟通；敏感腔压力由高压槽和低压槽与斜槽相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制；高压槽通过高压通孔、控制流道、高压流道与进油口p相通；进油口p沟通高压出口使得高压槽处的腔室形成高压控制腔，低压槽通过盲孔、中心流道、低压通孔、孔道、锥形流道与t通道相通，t通道与低压油箱沟通使得推力轴承所在腔室形成低压腔。二维活塞的旋转改变弓形面积，影响敏感腔的压力，敏感腔与高压控制腔的压力差导致二维活塞的直线位移；而二维活塞的直线位移也会改变弓形面积，影响敏感腔的压力，最终重新达到平衡。

优选的，所述压套右端球面与压板为点接触，可减小二维活塞旋转时的摩擦力，保证二维活塞在转动过程中只受液压卡紧力的作用，大大提高了其响应速度；所述调节活塞左端球面与阀芯亦为点接触，减少流体运动阻力增强了回流口的通流能力。

优选的，所述连接板左端外环与中心孔分别装有第一密封圈、第二密封圈；所述二维活塞壳左侧环形外圆装有第三密封圈，所述敏感腔环左右两侧环形凹槽分别装有第四密封圈、第五密封圈，所述阀套的环形沟槽内均装有o型密封圈，每个o型密封圈均垂直于阀套中心轴、且相邻的o型密封圈平行状态布置。第一密封圈、第二密封圈用于密封力矩马达右侧；第三密封圈用于密封敏感腔左侧；第四密封圈、第五密封圈分别用于密封高压腔左右侧；o型密封圈用于密封各通道。

当电信号未接入时，设为初始位置，力矩马达断电，高压槽与高压通孔沟通，高压槽通高压油；低压槽与低压通孔沟通，低压槽通低压油，设计时将高压控制腔面积定为敏感腔的一半，当高压槽、低压槽与斜槽重叠面积相等时敏感腔的压力为进油口p压力(系统压力)的一半，敏感腔液压力与高压控制腔相等。敏感腔环内通入高压油，高压油通过调节活塞和敏感腔环内腔之间的缝隙流入调节活塞右腔，由于调节活塞缸底左右两端面积差使得调节活塞受到轴向向左的液压力作用；此时二维活塞高压槽与斜槽重叠的弓形面积大于低压槽与斜槽的弓形面积，敏感腔压力超过高压控制腔压力的一半，敏感腔液压力大于高压控制腔液压力。阀芯在调节活塞与二维活塞轴向合力的作用下保持静压平衡，阀芯第一回油口、第二回油口分别与第一回油腔、第二回油腔相通，第二回油腔与回油口通道t常通，进油口与工作腔a1、工作腔b1皆不沟通。

当电信号接入时，力矩马达通电，力矩马达驱动二维活塞顺时针(从阀套看往力矩马达的方向)周向旋转一定角度的过程中，低压槽与斜槽的重叠面积变大，高压槽与斜槽的重叠面积减小，导致左侧敏感腔压力下降，而其右侧的高压控制腔压力不变，从而使得二维活塞向左(敏感腔体积减小的方向)轴向位移。调节活塞的液压力也未发生变化，此时阀芯左端面轴向向右的力小于阀芯右端面轴向向左的力，阀芯的轴向合力推动阀芯左移，工作腔b1与进油口p沟通面积逐渐变大。而二维活塞在直线位移过程中也会改变弓形面积，高压槽和低压槽与斜槽的重叠面积发生与上述相反的情况，敏感腔的压力相反逐渐增大，二维活塞轴向力再次与调节活塞轴向力相等，阀芯重新保持静压平衡。如果初始力矩马达通电驱动二维活塞逆时针旋转，则各部件运动状况与上述正好相反，工作腔a1与进油口p沟通面积逐渐变大。工作时阀芯的轴向位移对应了一定的流量输出，在负载压力为定值时阀芯输出流量与力矩马达输入电信号成正比。

当电信号断开时，力矩马达断电，在力矩马达中弹簧杆作用下二维活塞逆向旋转(与通电方向相反)回到零位，使得低压槽、高压槽与斜槽重叠面积变化情况与通电时相反，阀芯再次处于初始位置，各油口、各腔体沟通状态和阀芯位置均与初始状态一致,此时可视为二维先导式插装伺服阀完成动作一次。

所述轴向指的是阀芯、二维活塞中心轴所在的方向；所述周向指的是阀芯、二维活塞绕中心轴旋转所在的方向；所述径向是指垂直于阀芯、二维活塞中心轴的方向。

所述对称中心指的是阀芯、二维活塞中心轴线。

本发明的有益效果体现在：

1、二维活塞体现了伺服螺旋机构的特性：较小的电磁输出力矩通过伺服螺旋机构进行功率放大，可以转化为较大的液动力(两腔的压力差)，从而推动阀芯直动。

2、调节活塞采用液压力作用，调节能力强，响应时间短；

3、采用液压力驱动阀芯滑动，驱动力大，频率响应高；

4、弹簧保证了阀芯在运输过程中不易受损，提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图1a为图1的h-h截面图。

图2为阀体的结构示意图。

图2a为阀体的剖视图。

图3为阀芯的结构示意图。

图3a为图3的j-j截面图。

图4为二维活塞壳的结构示意图。

图4a为图4的l-l截面图。

图5为二维活塞的结构示意图。

图5a为图5的m1-m1截面图。

图5b为图5的m2-m2截面图。

图6为敏感腔的结构示意图。

图6a为图6的m-m截面图。

图7为二维机构的结构原理图。

图7a为图7的s-s截面图。

具体实施方式

下面参照图1至图7a进一步说明本发明的技术方案。

大流量的二维活塞式流量伺服阀，包括力矩马达1、连接板5、同心环7、二维活塞壳8、二维活塞9、推力轴承10、压套11、压板12、阀套13、阀芯14、敏感腔环16、调节活塞17、弹簧19、弹簧底座21、插销22。力矩马达1与连接板5通过螺钉固连，连接板1与阀套13通过螺纹固连，二维活塞9为力矩马达1输出轴，二维活塞9在一定角度内转动的同时还可沿轴向平动，并连同二维活塞壳8一起套装在阀套13内；二维活塞9上装有同心环7、推力轴承10并与压套11装配成一个整体；压板12与阀芯14过盈固连，阀芯14可轴向移动地安装在阀套13内，调节活塞9可轴向移动地安装在敏感腔环16内并一同插入阀套13内，弹簧19的一端与调节活塞17固连，另一端与弹簧底座21固连，弹簧底座21、敏感腔环16通过插销22与阀套13固连。

所述阀套13为非导磁材料，阀套13左端上凸部分设有外螺纹，阀套13与连接5板通过螺纹固连。阀套13的轴向外环周面均设置有环形沟槽，从左往右依次为第一环形沟槽131、第二环形沟槽132、第三环形沟槽133与第四环形沟槽134，每个环形沟槽内安装有o型密封圈。第二环形沟槽132、第三环形沟槽133与第四环形沟槽134的侧面分别设有分布均匀且互不连通的a通道、b通道、t通道，第二环形沟槽132与第三环形沟槽133之间沿径向设有七个分布均匀的进油口p。阀套13右凸部分沿径向设有两个轴对称的定位通孔138，阀套13与敏感腔环16通过插销22固连，阀套13内壁从左往右依次设有第一回油槽135、进油槽136、第二回油槽137。第二环形沟槽132与第三环形沟槽133相邻两端面沿轴向均设有高压流道b，阀套13第一回油槽135左侧内壁与第二回油槽137右侧内壁依次设有控制流道b1与调节流道b2，并皆与高压流道b相通。

所述阀芯14设有台阶，从左往右依次为第一台阶141、第二台阶142、第三台阶143，其中第一台阶141、第三台阶143沿径向分别设有六个分布均匀且相同的第一回油孔t1与第二回油孔t3。阀芯14中心沿轴线设有锥形流道t2，锥形流道t2左端口与压板12过盈配合连接，阀芯14右端面沿轴向设有四个中心对称且分布均匀的回流口t4并与锥形流道t2相沟通。

所述二维活塞壳8为非导磁材料且有阶梯，二维活塞壳8表面设有斜槽k与敏感腔k相通，二维活塞壳8的轴向外环周面设有环形盲槽81，环形盲槽81沿径向设有六个中心对称且分布均匀的高压通孔a。

所述二维活塞9为非导磁材料且有轴肩，从左往右依次为第一轴肩91、第二轴肩92与第三轴肩93，其中第一轴肩91左侧二维活塞9表面沿径向设有一对轴对称的小孔d1，第二轴肩92表面沿轴向设有一对轴对称的高压槽p和一对轴对称的低压槽t，其中低压槽t表面沿径向设有盲孔d3，二维活塞9末端表面沿径向设有一对轴对称的低压通孔d2，并且中心沿轴向设有中心流道d，中心流道d沟通小孔d1、低压通孔d2和盲孔d3，二维活塞9与同心环7、推力轴承10、压套11装配成一个整体。

所述敏感腔环16外表面沿轴向设有调节油槽161，并且调节油槽上沿径向设有两对轴对称且分布均匀的调节孔c，敏感腔环16伸出端沿径向设有定位通孔162可通过插销22与阀套13固连。

二维活塞9可转动也可轴向移动地设置在力矩马达1内，并且通过压板12与阀芯14相抵触。同心环7、二维活塞壳8、第二轴肩92将阀套13内腔密封形成敏感腔k，高压槽p和低压槽t通过二维活塞壳8上的斜槽k与敏感腔k沟通，敏感腔k压力由高压槽p和低压槽t与斜槽k相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制，高压槽p和高压通孔a通过控制油道b1与高压流道b相通，高压流道b沟通进油口p；二维活塞9的第二轴肩92、第三轴肩93和二维活塞壳8将阀套13内腔气密围成高压控制腔c，高压控制腔c和高压槽p沟通；工作过程中，二维活塞9的旋转与位移使斜槽k与高压槽p、低压槽t重叠面积交替变化。二维活塞壳8右端、压板12与阀套13内腔形成低压腔d，压板12沿轴向设有一对轴对称的孔道e，低压腔d经孔道e与锥形流道t2沟通，其中锥形流道t2与第一回油孔t1、第二回油孔t3、回流口t4依次相通；阀套13第一回油槽135与阀芯第一台阶141密封形成第一回油腔t1，阀套13第二回油槽137与阀芯14第三台阶143密封形成第二回油腔t2，阀芯14第二台阶142将其左右两端内腔密封间隔开分别形成工作腔a1与工作腔b1，其中工作腔a1与通道a沟通，工作腔b1与通道b沟通，a通道、b通道皆与系统沟通，第二回油腔与t通道沟通，t通道与低压油箱沟通，进油口p位于阀芯14第二台阶142的运动轨迹上，进油口p与高压出口沟通，进油槽136与第二台阶142形成进油腔p1。阀芯13右端面与调节活塞17相抵触，弹簧19设于调节活塞17与弹簧底座21之间，调节活塞17可轴向移动地安装在敏感腔环16内并一同设置在阀套13内，调节活塞17的外周环面与敏感腔环16间设有较小缝隙，其中敏感腔环16左端面、调节活塞17、阀芯14右端面与阀套13内腔形成低压调节腔e，并经回流口t4与第二回油腔t2相通；敏感腔环16调节油槽162与阀套13内腔形成高压腔f并经调节油道b2与高压流道b相通，调节活塞17与敏感腔环16内腔形成高压调节腔g并通过调节孔c与高压腔f相通，工作过程中阀芯14在二维活塞9和调节活塞17的共同作用下实现轴向位移与各腔交替沟通。

所述二维活塞9第二轴肩92沿轴向设有一对轴对称的高压槽p和一对轴对称的低压槽t，且高压槽p和低压槽t交替设置；高压槽p与低压槽t通过二维活塞壳8上的斜槽k与敏感腔k沟通；敏感腔k压力由高压槽p和低压槽t与斜槽k相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制；高压槽p通过高压通孔a、控制流道b1、高压流道b与进油口p相通；进油口p沟通高压出口使得高压槽p处的腔室形成高压控制腔c，低压槽t通过盲孔d2、中心流道d、低压通孔d2、孔道e、锥形流道t2与t通道相通，t通道与低压油箱沟通使得推力轴承10所在腔室形成低压腔d。二维活塞9的旋转改变弓形面积，影响敏感腔k的压力，敏感腔k与高压控制腔c的压力差导致二维活塞9的直线位移；而二维活塞9的直线位移也会改变弓形面积，影响敏感腔k的压力，最终重新达到平衡。

所述压套11右端球面与压板12为点接触，可减小二维活塞9旋转时的摩擦力，保证二维活塞9在转动过程中只受液压卡紧力的作用，大大提高了其响应速度；所述调节活塞17左端球面与阀芯14亦为点接触，减少流体运动阻力增强了回流口的通流能力。

所述连接板5左端外环与中心孔分别装有第一密封圈3、第二密封圈4；所述二维活塞壳8左侧环形外圆装有第三密封圈6，所述敏感腔环16左右两侧环形凹槽分别装有第四密封圈15、第五密封圈18，所述阀套13的环形沟槽内均装有o型密封圈，每个o型密封圈均垂直于阀套中心轴、且相邻的o型密封圈平行状态布置。第一密封圈3、第二密封圈4用于密封力矩马达1右侧；第三密封圈6用于密封敏感腔k左侧；第四密封圈15、第五密封圈18分别用于密封高压腔c左右侧；o型密封圈用于密封各通道。

轴向指的是阀芯14、二维活塞9中心轴所在的方向；周向指的是阀芯14、二维活塞9绕中心轴旋转所在的方向；径向是指垂直于阀芯14、二维活塞9中心轴的方向。

对称中心指的是阀芯14、二维活塞9中心轴线。

本实施例的工作原理：

当电信号未接入时，设为初始位置，力矩马达1断电，高压槽p与高压通孔a沟通，高压槽p通高压油；低压槽t与低压通孔d2沟通，低压槽t通低压油，设计时将高压控制腔c面积定为敏感腔k的一半，当高压槽p、低压槽t与斜槽k重叠面积相等时敏感腔k的压力为进油口p压力(系统压力)的一半，敏感腔k液压力与高压控制腔c相等。敏感腔环16内通入高压油，高压油通过调节活塞17和敏感腔环16内腔之间的缝隙流入调节活塞17右腔，由于调节活塞17缸底左右两端面积差使得调节活塞17受到轴向向左的液压力作用；此时二维活塞9高压槽p与斜槽k重叠的弓形面积大于低压槽t与斜槽k的弓形面积，敏感腔k压力超过高压控制腔c压力的一半，敏感腔k液压力大于高压控制腔c液压力。阀芯14在调节活塞17与二维活塞9轴向合力的作用下保持静压平衡，阀芯14第一回油口t1、第二回油口t3分别与第一回油腔t1、第二回油腔t2相通，第二回油腔t2与t通道常通，进油口p与工作腔a1、工作腔b1皆不沟通。

当电信号接入时，力矩马达1通电，力矩马达1驱动二维活塞9顺时针(从阀套13看往力矩马达1的方向)周向旋转一定角度的过程中，低压槽t与斜槽k的重叠面积变大，高压槽p与斜槽k的重叠面积减小，导致左侧敏感腔k压力下降，而其右侧的高压控制腔c压力不变，从而使得二维活塞9向左(敏感腔k体积减小的方向)轴向位移。调节活塞17的液压力也未发生变化，此时阀芯14左端面轴向向右的力小于阀芯14右端面轴向向左的力，阀芯14的轴向合力推动阀芯14左移，工作腔b1与进油口p沟通面积逐渐变大。而二维活塞9在直线位移过程中也会改变弓形面积，高压槽p和低压槽t与斜槽k的重叠面积发生与上述相反的情况，敏感腔k的压力相反逐渐增大，二维活塞9轴向力再次与调节活塞17轴向力相等，阀芯14重新保持静压平衡。如果初始力矩马达1通电驱动二维活塞9逆时针旋转，则各部件运动状况与上述正好相反，工作腔a1与进油口p沟通面积逐渐变大。工作时阀芯14的轴向位移对应了一定的流量输出，在负载压力为定值时阀芯14输出流量与力矩马达1输入电信号成正比。

当电信号断开时，力矩马达1断电，在力矩马达1中弹簧杆作用下二维活塞9逆向旋转(与通电方向相反)回到零位，使得低压槽t、高压槽p与斜槽k重叠面积变化情况与通电时相反，阀芯14再次处于初始位置，各油口、各腔体沟通状态和阀芯14位置均与初始状态一致,此时可视为二维先导式插装伺服阀完成动作一次。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明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，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。