专利名称：多口自调节比例压力控制阀的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及比例流体控制阀，而且与具有自调节性能的四通比例压力控制阀最相关。
在先有技术中，经常利用各种流体控制阀来控制流体系统(例如流体动力缸或其他流体动力装置)的工作，其中使用一个控制流体导向的控制系统使控制阀动作。许多这种控制阀是可以比例控制的，但是，对于需要或必须精密控制和调节的装置(如工业机器人或其他类似装置)来说，这些控制阀通常不具备进行精确、自调节和比例控制和性能。虽然可以利用可变调节器或类似装置来实现比例性，但这些装置比较昂贵，从而限制了这些阀的应用，在需要比例控制的气动导向控制系统中尤为如此。另外，即使是以并不昂贵的方式实现这种比例性，这些阀或系统通常也不具有自调节性，至少在不靠昂贵、复杂或不很精确的附加系统或设备的条件下，情况如此。
因此，本发明的一个主要目的是提供一种改进的四通自调节控制阀，此阀的结构简单、造价低，能提供受到更精密地调节的比例压力控制;阀中较小的阀芯或阀件的运动产生相应的压力差，由此使阀芯或阀件正确运动，以保持输出压力。值得注意的是，本发明的上述原理还能应用于其他类型的控制阀中，包括(但并不限于)二通和三通阀。本发明的另一个目的是提供这样一种自调节控制阀在工作之前或工作过程中，它是可编程序的并能改变负载压力;在其中位关闭或中立状态时，它基本上不需要导向控制流或其化信号输出。
本发明的再一个目的是，利用本发明的一些形式提供无数个负载压力选择性;而利用本发明的其他一些形式提供脉冲宽度经过调整的输入信号，以便产生导向控制压力，并使此压力随着与不同的导向信号成比例的控制流出口差动地改变。
本发明的附加目的、优点和特征可从下面结合附图的说明和权利要求中看得更为清楚。
图1是本发明的四通自调节比例压力控制阀和导向控制系统的示意图;
图2是与图1类似的示意图，但它表示出了用于提供与一个无级可变的导向控制压力成比例的无级可变的输出负载压力的理想结构;
图3是与图1类似的示意图，但它表示出了本发明的一个简化的、可选择的实施例;
图4是表示与图3类似的另一个实施例的示意图，但此实施例带有这样一个特征-负载输出的调整能够通过调整输入信号脉冲的宽度来实现。
图1至图4表示了本发明的自调节比例压力控制阀的几个优选实施例。尽管本发明实际上有利地用于气动控制阀中，并被例示为一种滑阀或气动控制阀，但是本领域的技术人员将会很容易地意识到，本发明的原理同样能应用于提升阀、其他已知类型的气动阀以及各种液压控制阀。
在图1中，一个示例性的自调节四通比例压力控制阀组件10一般包括一个导向控制部分12和一个工作流体出口部分14。在图1所示的实施例中，控制阀组件10适用于控制由工作流体作动力的装置的工作，此装置例如是一个压力缸16。压力缸16包括一个往复运动的活塞18，活塞18将压力缸16分隔成两个工作流体腔20和22。通过交替地给流体腔20和22加压和卸压，活塞18的往复运动就能驱动相关联的系统或装置;而通过控制流体腔20和22中的压力强度，就能够控制压力缸的输出压力强度，且这种控制与活塞的速度无关。本领域的技术人员将会容易地意识到，其他类型的流体致动的系统或装置，如回转式马达、涡轮机等等，都能由比例压力控制阀组件10控制。
控制阀组件10的输出部分14一般包括一个控制阀体，该阀体在图中被示意性地示出并由标号26表示。阀体26具有一通孔28，通孔28的两相对端由端盖或端帽30和32密封住。端帽30和32分别具有沿其一部分纵向延伸的孔34和36，它们分别用于滑动地容装控制活塞38和40。
一个阀芯42可滑动地装在阀体26的通孔28内的套筒27中，并通过相应的推杆或推销44和46与控制活塞38和40相连。阀芯42具有多个台肩48、50和52，它们彼此间隔开，以便在阀芯42上形成凹槽54和56。在图1所示的控制阀组件10的示意性实施例中，控制活塞38和40的端面39和41分别大于阀芯42上的台肩48和52的端面49和53。控制活塞40的端面41与台肩48的端面49的面积之比，也即控制活塞38的端面39与台肩52的端面53的面积之比，通常大约是2∶1，当然也可以有选择地采用其他的面积比，这取决于在给定的应用场合下所希望得到的比例压力控制程度。下面还将就确定这种端面面积间的关系的目的进行详细讨论。
控制阀组件10的输出部分14还包括一个进口60，它提供从一个压力工作流体源(未示出)到穿过控制阀体26的通孔28的内部中间位置的流体连通。类似地，一对分别与压力缸16的流体腔20和22流体连通的负载口62和64也与通孔28的内部流体连通。最后，为了构成通孔28的内部与大气或其他排放区之间的流体连通，在阀体26中设置了一对排放口66和68，这对于本领域的技术人员是众所周知的。
控制阀组件10的导向控制部分12包括一个导向控制流体进口80，进口80最好通过过滤器81与压力导向控制流体源(未示出)流体连通。导向进口80分成两条相对的导向回路，两回路分别具有固定的导向口82和84。控制流体流过相应的导向口82和84，并分别与一对排放口86和88连通，排放口86和88分别在电磁线圈控制器90和92的驱动下交替地关闭或打开。应该注意，正如从下面的说明中更易理解的那样，电磁线圈控制器90和92完全能用其他已知类型的开/断控制器取代，或者用信号调整控制器，或者用其它可变控制器，对此下面将要详细说明。导向流体回路或内部通道94和96分别与相应的孔34和36在端帽30和32中流体连通，并且与相应的导向口82和84下游的导向控制压力流体连通。
一个负载或导向强度控制装置100与导向通道94和96相连，导向通道94和96由一对设置在负载强度控制通道101中的止回阀118和120彼此隔开。多个可调节的导向控制口102、104、106和108在止回阀118和120之间与负载强度控制通道101并联。这些可调节的控制口与常闭的相应排放口122、124、126和128串联连通，这些排放口本身能够由相应的电磁线圈控制器110、112、114和116交替地打开或关闭。这种完全能由其他类型的控制器取代的电磁线圈控制器110-116，在排放口122-128关闭时，用于阻挡控制流体流过相应的可变导向控制口102-108。
图中所示的本发明的压力控制阀组件10具有若干个工况或工作状态，下面将对此一一加以描述。在中位关闭或中立工况中，经过过滤的控制空气通过导向进口80进入导向部分12，然后分成两股气流，穿过固定的小导向口82和84，当电磁线圈控制器90和92以及相应的排放口86和88处于断电的关闭状态时，导向流体被阻挡，而且导向通道94和96中的导向控制流体压力一般都稳定在导向进口流体压力水平。当然，这个状态是假定负载强度控制装置中的电磁线圈控制器110-116也都被断电，由此将相应的排放口122-128保持在关闭状态下。
导向通道94和96中的这种稳定的导向进口压力，传到相应的孔34和36以及相应的控制活塞38和40上。由于这两个控制压力大小相等且沿相反的方向作用在相应的控制活塞38和40上，所以输出部分14中的阀芯42仍保持在中间关闭位置上，来自进口50的工作流体被阻止进入阀体26中的通孔28的其他部分，如负载口62和64。这样，本发明的控制阀组件10保持阀芯42的中间关闭位置，此时负载口压力为零，并且在实现这个状态时，基本上没有导向流体流或电输出，只是有可能出现极少量的、微不足道的系统泄漏或损失。
然而，在负载出口的压力不受控制的情况下，图1中的控制阀组件10也可以具有不受调节的工况。在此工况中，阀芯42被移动到最右和最左行程位置，或位于它的零输出中间位置。当阀芯42位于其中一个最大行程位置时，负载输出实质上与供给压力相同，因而是不可调节的。
在这个工况中，电磁线圈控制器110-116被断电，从而将相应的排放口122-128保持在关闭状态。当需要活塞18向图1所示的左方运动时，给导向控制部分12中的电磁线圈90通电，以便使排放口86通向大气，从而允许控制流体流过固定的导向口82并排进大气。排放口86的开度比导向口82的开度大几倍，这样使得导向通道94中的压力降至或近乎于降至大气压。
由于导向通道96中的控制流体压力等于或近乎等于控制流体压力，而导向通道94中的压力基本上等于大气压力，所以在控制活塞38和40上产生一个大的不平衡力。这使得阀芯42向图1所示的右方运动，直到控制活塞38的端面39和端帽30中的孔34的端壁接触而将其止动，或者由于阀芯42与一个阀芯止挡(未示出)接触而将阀芯止动。当阀芯处于这个位置时，进口60通过凹槽54与负载口64流体连通，从而向压力缸16的右侧流体腔22加压。同时，由于阀芯42向右运动，负载口62通过凹槽56与排放口66流体连通，所以使压力缸16的左侧流体腔20排放。如本领域的技术人员所公知的，流体腔22和20之间的这种不平衡压力，将使得活塞18在压力缸16中向左运动，这样活塞18就可利用机械连接机构带动相关联的装置或系统工作。
如果控制阀组件10的操作情况与上述相反，即电磁线圈90断电而电磁线圈92通电，则排放口86和88的状态颠倒，即排放口86关闭而排放口88打开。以与上述类似但相反的方式操作，将使阀芯42向左侧运动，从而对压力缸16的流体腔20加压并使流体腔22排放，由此导致活塞18向右运动。
控制阀组件10的输出部分14还最好包括一对内部反馈通道72和74，它们提供自调节工况。这种自调节工况仅利用较低的负载压力就能实现，由于导向压力较低，使得阀芯42处于其极限行程端点之间的位置上。
反馈通道72和74分别在阀芯42的凹槽54和端面53之间以及在阀芯42的凹槽56和端面49之间构成流体连通。当控制或导向压力施加在活塞38上时，阀芯42向图1所示的左方运动，则内部反馈通道74通过凹槽56将负载口62和阀芯端面49连通，以便向阀芯端面49反馈一个指向右方的负载压力，此力反抗阀芯42向左运动。由于活塞38的端面39的面积与端面49的面积有差异，所以阀芯将稳定在偏左方的力平衡位置上，从而使负载口62处的负载压力与导向压力成比例，并且此负载压力与活塞端面39上的导向压力的比值相同于活塞端面39的面积与阀芯端面49的面积的比值(例如2∶1)。同时，由于阀芯42向左侧运动使反馈通道72和凹槽54以及负载口64与排放口68连通，所以反馈通道72通向大气。
相反地，当控制或导向压力作用在活塞40的端面41上时，阀芯42向图1所示的右方运动。内部反馈通道72就通过凹槽54使负载口64与阀芯端面53流体连通，以便反馈给阀芯端面53一个指向左方的负载压力。这个负载压力反抗阀芯42向右运动，使阀芯42稳定在偏右方的力平衡的位置上，此时负载口64的负载压力与导向压力是成比例的，其比值与活塞端面41的面积相对于阀芯端面53的面积的比值相同(例如2∶1)。同时，由于阀芯42向右运动使反馈通道74的凹槽56以及负载口62与排放口66连通，所以反馈通道74通向大气。
上述这种反馈性能的效果是，由于系统负载的变化而引起的任何一个负载口的负载压力的升高或降低，都将导致阀芯向左或向右移动，以便修正压力并维持上述阀芯的力平衡，从而使负载输出压力不受负载输出流动速度的影响而基本上保持恒定。当然，负载压力是处于控制阀容量的限度之内的。
在下述的另一个工况中，可以利用预先调节或连续可变的方式(下面将会对这两种方式进行说明)，对控制阀组件10进行遥控或程序控制。
在“调节”工况中，控制阀组件10具有压力选择性，可以预定两个或更多个压力强度。在此工况中，与相应的常闭的电磁线圈操纵的排放口122，124，126和128连接的可变负载控制口102，104，106和108，都是独立可调的。应该注意，尽管四个可调的导向控制口102-108被用于图1所示的目的，但是此系统可以有选择地包括任意数目的这种可调的导向控制口102-108。此外，这些预先调定的导向控制口102-108中的一个或多个，可利用对应相联的电磁线圈操纵的排放口122-128实行遥控，以便使负载口62或64获得若干个预定压力强度中的任一个。
对这种压力选择特性和本发明的其他方面，将通过下面的例子更清楚地加以描述。假定需要活塞18在压力缸16中向左运动，并希望将压力缸16的流体腔22中的压力的最大值限制为20磅/吋2(Psig)，而且进口60中的阀进口压力是100磅/吋2。最初，只要所有的电磁线圈都不通电，阀芯42就位于中间关闭位置，因此负载口64和66无负载输出。
当电磁线圈90通电时，排放口86打开，导向通道94的导向压力和活塞38的端面39上的压力都降至大气压。由于活塞40的端面41仍然经受导向压力，所以作用在活塞38和40上的大的压力差使阀芯42向图1所示的右方移动。如果可调节的控制口102已被预调到10磅/吋2的压力降并给电磁线图110通电以打开排放口122，则由于导向空气通过可调控制口102和打开的排放口122排入大气而使导向通道96中的导向压力降至10磅/吋2。因为进口空气从进口60流过打开的台肩50并通过凹槽54，所以负载口64的压力实质上被保持在20磅/吋2。这是因为上述的内部反馈通道72将进口空气从凹槽54反馈到阀芯端面53上。由于活塞端面41和阀芯端面53的面积之比的优选值为2∶1，所以这种反馈能自动调节或修正阀芯位置，以获得阀芯42上的力平衡，从而将负载输出压力保持在20磅/吋2，这个压力正是为平衡导向通道96中的预定导向压力10磅/吋2所需要的。这样，流体腔22中的压力也就维持在20磅/吋2(即所需的最大值)，并且与压力缸16的输出速度无关。
应注意的是，在上述例子中，导向通道96中的导向空气穿过止回阀118，但却被止回阀120阻挡而不能进入导向通道94吋2。还要注意的是，如果为了向左移动活塞18而想要将20磅/吋2的负载输出传递到另一流体腔20中，所要做的仅仅是给电磁线圈92通电而让电磁线圈90断电，同时要保持电磁线圈110处于其通电状态，这样就可使阀芯42反向运动。
由于上述的反馈措施不仅涉及到反馈通道72和74，而且与阀芯端面相对于控制活塞端面的预先选定的面积比有关，所以阀芯将总能稳定在一个力平衡的位置上，在此位置，负载压力与导向压力之比等于控制活塞端面面积与阀芯端面面积之比。因此，如果这个端面面积之比为2∶1(如上例所给定的)，那么对于预定的导向压力为10磅/吋2来说，阀芯将稳定在一个使自调节的负载压力为20磅/吋2的位置上。
本领域的技术人员将会看清，上述的调节工况能规定若干个自调节的、选择性的负载压力，并且具有至少四个独立可调的、预先确定的导向压力(如图1所示)，其中每个预定的导向压力都与四个可调的控制口102-108一一对应。
另外，可选择的负载压力可以是这样一个负载压力如果电磁线圈110-116全被断电(相应的排放口122-128被关闭)而只有电磁线圈90或92通电，在这种情况下，负载口64或62的负载压力将等于进口压力并且实质上是不受调节的(如上所述)。
可以相应地看出，任何一个预先选定的负载压力(与预先选定的导向压力成比例)都能仅仅通过给电磁线圈110-116中的一个通电而被保持住。其中每个电磁线圈分别与预先调定的可变控制口102-108中的一个相连，而每个可变控制口又能预先被调整到不同的压力降，这样就能产生多种不同的导向控制压力。此外，电磁线圈110-116中的任何两个或更多个都能同时通电，以便使导向流体同时流过相应的可变导向控制口102-108，由此提供更低的、可选择的导向控制压力以及由此产生的成比例的负载压力。
另外，因为电磁线圈110-116能单个地或以各种组合形式被通电，所以就有可能产生一个比将单个可变导向控制口102、104、106或108调到最低限时产生的导向控制压力还要低的导向控制压力(以及由此产生的成比例的负载压力)。这是因为，任何一个可变控制口连同被调到最低限的那个可变控制口，都会在导向流体从中流过时，在每个可变控制口的上游产生一个导向压力降。
例如，如果将可变控制口102调到当给电磁线圈110独自通电时能产生20磅/寸负载压力的程度，而且如果将可变控制口104调到20磅/寸以便当电磁线圈112独自通电时产生40磅/寸的负载压力的程度，那么同时给这两个电磁线圈110和112通电，将产生一个导向压力降，这个压力降本身对应于一个比可变控制口102所调定的20磅/寸还要小的负载压力。应该注意的是，对于可变控制口102-108的调定，最好彼此单独地进行，而且最好使这种预先调定能产生所需要的负载压力，此负载压力是当某一被调定的可变控制口受相联的电磁线圈的操纵而工作时所能获得的。
在讨论本发明的其他可选择的实施例以前，应该指出在本说明书所列举的各种实施例中，阀芯42和套筒27最好具有常规的、紧贴的、硬化的和磨光的结构。用于外侧经向密封的密封环设置在套筒27上，以便将套筒27密封在阀体26中。端帽30和32最好使紧贴地轴向安装的控制活塞放入其中，控制活塞通过推杆或推销44和46顶在阀芯的端面上，而推杆穿过低摩擦密封件。
在图1所示的本发明的实施例中，可变导向控制口102-108能被随意和独立地预调节并锁定，以产生所需的负载压力。然而应该注意，对这种可预调的导向压力的设定，只有通过给相应的电磁线圈110-116中的任意一个或多个通电才能进行并随后才开始工作。因此，图1所示的控制阀10是预编程序的，而且可以遥控和有选择地操作，以便产生无数个预先选定的导向压力和负载压力中的任一种。然而在某些系统中，提供无数个有选择地变化的负载压力是必要或者至少是希望或有利的。下面就结合图2对具有这种性能的控制阀组件110进行说明，其中对那些与图1所示的基本相同的元件用相同的标号表示。
在图2中，导向强度控制装置100、电磁线圈90和92以及与之相对应的排放口86和88，由一个无级变化的导向强度控制装置200取代。这个优选的导向强度控制装置200包括一个弹簧对中的、双向的、对置绕组的转矩电动机201，它驱使其衔铁组件202在对置的导向控制喷嘴组件203和204之间运动。
这个电磁式的转矩电动机2保埃卑卑卑礁龆灾玫母思思蛐咀樱05和206，它们分别由电力绕组207和208围绕。绕组207和208是以无级改变其输入电流强度直至转矩电动机201的功率的方式被通电的。一块轭铁210跨过杆件205和206的两相反端并用作为磁力线回路或通路。
一块衔铁211最好被弹性支承，以便在一个弹性的弹簧支承件212的作用下，在导向控制喷嘴组件203和204之间作弹簧对中式摆动，当然其他形式的弹簧对中式摆动装置也可被采用，只要它们能允许衔铁211充分地自由摆动即可，这一点下面将进一步说明。在纵向延伸的衔铁211的相对侧，连接着纵向延伸的、弹性的喷嘴封闭件或挡板213和214。挡板213和214象其自由端横向间隔地安装在衔铁211的相对侧面上的悬臂片簧那样起作用，这样它们被沿相反方向、朝着相应的导向控制喷嘴组件203和204偏压。关于这一点，应该注意其他类型的对置和弹性偏压的阻挡装置是可以用来取代悬臂式片簧挡板213和214的，本领域的技术人员将会从下面对转矩电动机201工作情况的描述中更加明确这一点。
导向控制喷嘴组件203和204最好分别包括一个可调喷嘴，图2中仅仅示出了组件203中的喷嘴215，此喷嘴作为一种典型结构用于两组件203和204中。一条喷嘴进口通道217伸入导向控制喷嘴组件203并与导向控制口84和导向通道96连接，同时还通过孔36与控制活塞40流体连通。类似地，导向控制活塞组件204与导向控制口82和导向通道94连接，同时通过孔34与控制活塞38流体连通。
喷嘴进口通道217还与一个开孔219连通，开孔219通到喷嘴端面221(对于组件204来说是通到喷嘴端面222)。喷嘴端面221和222可和相应的挡板213和214接触，挡板213和214被向相反的方向，即离开衔铁211并朝着相应的喷嘴端面221和222的方向偏压。
在操作中，导向强度控制装置200以下述方式提供无级变化的导向控制压力，以产生无级变化的、成比例的负载压力，而且在控制阀组件110处于其中位关闭状态时，装置200仍具有在零输入信号的情况下保持导向流体流动基本为零的性能。当转矩电动机的绕组207和208都不通电时(或者两绕组都通以相同的电流时)，衔铁211由中心偏压的弹簧支承件212保持在杆件205和206之间的弹簧对中位置上。在此状态下，喷嘴挡板213和214受到完全相同的偏压，离开衔铁211并以同等的力与相应的喷嘴端面221和222密封接触，以防止导向通道94和96排放。这样，导向通道94和96中的导向压力被平衡并大致等于导向进口80的导向进口压力。因此，输出部分14中的阀芯42也就被平衡在其中间关闭位置，此时没有导向控制流体流动或输入电信号，因而也就不会从负载口62或64流出负载流体。
当需要压力缸16动作时，向电力绕组207和208中的一个或两个施加信号电流，由此使衔铁221运动并靠近由相应的通电绕组围绕的杆件205或206。衔铁的这种运动增强了挡板213或214施加在位于转矩电动机201通电侧(或通以较大电流的一侧)的相应喷嘴端面221或222上的密封力。与此同时，衔铁211朝着离开另一喷嘴端面211或222的方向拉动位于转矩电动机201的未通电或通电电流较小一侧的另一个挡板213或214，由此允许未通电(或通电电流较小)的一侧至少部分地排放。其结果是，位于系统的通电(或通电电流较大)一侧的导向通道94或96中的导向压力，随着输入信号电流的增强而升高或维持在导向进口压力水平，而位于系统的未通电(或通电电流较小)一侧的相对的另一条导向通道94或96中的导向压力，随着相关联的挡板213或214向离开其相应的喷嘴端面221或222运动的增大而降低。导向通道94和96之间的不平衡压力，促使控制活塞38和40相应地运动，由此具有结合图1所述的内部自调节反馈性能的阀芯42将输出负载压力保持在这样一个水平上，即负载压力是导向压力差的两倍。
由于转矩电动机201能够使衔铁211根据施加到相应电力绕组207和208的可无级变化的不同输入信号电流在导向控制喷嘴端面211和222之间可无级变化地双向运动，所以导向强度控制装置200能够使阀芯42可无级变化地双向运动，从面相应地自动调节和无级改变负载压力，以便使压力缸16往复动作，实现对其输出力的控制。
由于可以向绕组207和208提供具有微小差异的输入信号电流，使衔铁211做微小运动，从而在相应的喷嘴端面221和222获得差异微小的导向压力，所以导向强度控制装置200能够极精密地控制压力缸16的输出力。另外，由于衔铁的运动和导向压力正比例于输入信号电流，而负载压力正比例于导向压力，所以负载压力正比例于输入信号电流，因而负载压力相应地是可以无级和精密控制的。
虽然图1和图2所示的控制阀组件10和110能提供多种不同的优越性，这些优越性在某些应用场合下是非常需要的，甚至是必需的，但是并不是所有的流体动力系统都要求这种精密或可变控制。图3示意性地示出了本发明的一种简化形式，其中并不要求有选择地改变负载压力，但是能够实现对一个压力强度的自调节的比例控制。
在图3中，图1和图2中的导向强度控制装置100和200被省去了，但在系统中增加了可调控制口382和384。可调控制口382和384与相应的控制口82和84以及相应的常闭排放口86和88流体连通。排放口86和88分别由电磁线圈90和92控制。控制口382和384能被预先调节并锁定到某一开度，以产生预定的差作用导向压力降，从而在负载口62或64获得所需要的、预先选定的负载压力力度。因此，当电磁线圈90和92一起通电时，阀芯42就移动到可产生预先选定的负载压力强度的位置。如果希望得到不同的负载压力强度或输出方向，必须先将相应的控制口382和384开锁，然后调节到所需的新负载压力，再将其锁定。
在这个工况中，导向通道94和96中的导向压力分别通过调节控制口382和384来调定，以便在控制活塞38和40的两头产生控制压力差。每个调节的导向压力的大小由设计要求限制，最大可为阀的进口供给压力的50%。产生这种限制的原因是为了在单个电磁线圈控制工况中将阀芯42保持在这样一个行程止点上，即此时在控制活塞两头的最小导向压力差等于阀进口供给压力的50%。这样，其数值为100%的阀进口供给压力的反馈通道72或74的反馈压力，仍然无法克服这个导向压力差(它最小为50%的阀的进口供给压力)，由此就将阀芯42保持在其相应的行程止点上。这是由于所选用的导向回路与反馈回路的端面面积比是2∶1的缘故。
给任一个电磁线圈90或92通电将分别使导向通道94或96的导向压力下降到最大值-阀进口供给压力的50%(通过预先调节)。当然，由于对置的另一条导向通道上的排放口被阻塞(因其上的电磁线圈未通电)，所以该导向通道的压力为100%的阀的进口供给压力。这样，阀芯42将被移动到其行程止点，此时空气将从进口60开始流到负载口62或64(取决于导向)。这时所能获得的最大负载压力(它与反馈压力相等)不足以使阀芯42离开其止点并反回到中间位置。因此阀芯42就保持在这个行程止点上，而且阀的输出负载压力实质上是不可调的，其值等于或接近阀的进口供给压力。
然而当两个电磁线圈90和92都断电时，阀芯42返回到中间关闭位置，负载口62和64的负载压力回复为零。在这些状态下，由于没有输入信号，所以既没有导向流也没有输出流，最多只存在极少量的、可忽略不计的内部泄漏损失。此外，如果阀芯42偏离其中间关闭位置，那么在一个负载口中产生的压力升将从受影响的负载口传到(通过上述的反馈通道)相反的阀芯端面，这样就会使阀芯返回其中间关闭的位置。
图4示意性地示出了本发明的另一种变型形式，此形式与图3类似，但它具有输入信号脉冲宽度调整功能，以便于可变地控制负载输出。在图4中，控制阀组件410基本上在结构或硬件方面与控制阀组件310相同，但在操作方面稍有不同。
对于这种形式的导向控制来说，可预先调节的控制口382和384一般是不需要的，并且为了减小导向流体的排放阻力应将其取消。然而与图3中的电磁线圈90和92被简单地通电或断电以打开或关闭相应的排放口86和88的方式不同的是，在图4中，施加给每一个电磁线圈90和92的电流输入信号通过调整其开-断脉冲宽度被单个或同时地调整，以便相应地调整导向压力强度。通过分别迅速地打开和关闭导向通道94和96上的排放口86和88所产生的压力脉冲，会产生一个其值为一个时间周期内的平均值的平均压力。两个平均导向压力间的压差就是控制活塞的压差信号，这个压差将使阀芯42按上述相同的方式移动。
图4示出了电磁线圈输入信号的波形，标号415表示供给电磁线圈90和92的输入信号与时间的关系曲线图，其中供给两电磁线圈90和92的输入信号脉冲宽度被同样地调整。这个工况将使相同的平均导向压力沿相反的方向作用在输出部分14的两控制活塞38和40上，且作用相同的时间。这样，阀芯42将保持在其中间关闭位置上。
然而，如果将相应的电输入信号的脉冲宽度调整成使电磁线圈90和92的通电持续时间不同，则产生一种不平衡的信号差，如图中标号416和417所示。在这个工况中，由于施加到控制活塞38和40上的相应的不平衡导向压力的作用，将使阀芯42朝一侧或另一侧偏移。因此，通过有选择地调整输给电磁线圈90和92的电输入信号的脉冲宽度，并由此调整作用到控制活塞38和40上的相应导向压力，就能够精密地控制相应的负载口62和64的负载输出。事实上，可以利用微处理机或其他已知的电力或电子信号处理装置，对这种电输入信号进行程序控制，以产生程序化的、所需的负载输出顺序，从而获得所需要的压力缸16的操作力的控制顺序。在这种设计中，由于可以利用适当的电信号处理器从使用压力缸16的系统中产生外部反馈信号，以便根据系统状态的变化来调整输给电磁线圈90和92的电信号输入顺序，所以可以对压力缸16的操作进行程序控制。这种电信号处理装置对本领域的技术人员来说是众所周知的，因此不加以详述。
上面所示的本发明的各种实施例，通过外部信号调整，可以对各种应用场合下的控制阀提供各种控制能力。这些能力包括当既不希望也不要求最大负载输出的改变性或可调节性时，简化控制的能力，以及能够运用于要求负载输出具有无级可变或可调节性的场合的能力，具有这些能力的控制阀组件的操作较简单、造价较低，但同时仍能提供许多现代应用所要求的高控制精度。
上面的讨论仅仅公开和描述了本发明的几个示例性的实施例。本领域的技术人员将从上述讨论和附图以及权利要求中容易地认识到，在不超出由权利要求所限定的本发明的构思和范围的情况下，能够做出各种改变、修改和变形。
权利要求
1.一种流体控制阀组件包括一个可与压力工作流体源连接的工作流体进口、一对工作流体负载出口、一个可运动的阀件和一个导向控制器，此导向控制器用于有选择地将控制流体压力供给到所述可运动的阀件，以便使一个选定的负载出口与所述工作流体进口连通，从而产生与所述可运动的阀件的位置有关的负载出口压力，其特征是包括用于维持所述负载出口压力与所述控制流体压力成比例的自调节机构，所述自调节机构包括反馈机构，所述反馈机构用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加给所述的可运动的阀件，所施加的负载出口压力趋向于反抗所述可运动的阀件朝连通所述工作流体进口和所述选定的负载出口的方向运动。
2.根据权利要求1的控制阀组件，其特征是所述导向控制器包括一个与所述可运动的阀件相连的控制活塞，所述导向控制器有选择地操作以便将控制流体压力施加给所述的控制活塞，从而使所述可运动的阀件运动，所述自调节机构包括所述可运动的阀件的与所述反馈机构流体连通的部分，所述反馈机构包括当所述工作流体压力与所述选定的负载出口连通时，用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加到所述可运动的阀件的所述部分，以便于趋使所述的可运动的阀件沿第二反方向运动的机构。
3.根据权利要求2的控制阀组件，其特征是所述控制活塞的端面积不同于所述可运动的阀件的所述部分的端面积，所述选定的负载出口的所述负载出口压力与施加到所述控制活塞上的所述控制流体压力成比例，其比值与所述控制活塞的端面积相对于所述可运动的阀件的所述部分的端面积的比值相同。
4.根据权利要求3的控制阀组件，其特征是所述控制活塞的端面积大约为所述可运动的阀件的所述部分的端面积的两倍。
5.根据权利要求1的控制阀组件，其特征是所述阀组件还包括调节机构，所述调节机构用于将施加到所述控制活塞的控制流体压力有选择地调节到预定压力强度。
6.根据权利要求1的控制阀组件，其特征在于所述阀组件还包括调节机构，所述调节机构用于将施加到所述控制活塞的控制流体压力有选择地调节到若干个预定压力强度中的任一个。
7.根据权利要求1的控制阀组件，其特征是所述阀组件还包括调节机构，所述调节机构用于将施加到所述控制活塞的控制流体压力有选择地、无级地调节到无数个压力强度中的任一个。
8.根据权利要求1的控制阀组件，其特征是所述阀组件包括一对分别连接在所述可运动的阀件的相对侧的对置的控制活塞，所述导向控制器可有选择地操作以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞和从每个所述控制活塞泄放掉所述控制流体压力，从而使所述可运动的阀件沿两个相反的方向作有选择的运动，所述导向控制器包括调整机构，所述调整机构用于有选择地、分别地调整向每个所述控制活塞施加控制流体压力和用于从每个所述控制活塞泄放掉所述控制流体压力，以便使所述可运动的阀件有选择地运动到若干个位置中的任一个上，从而有选择地控制流到所述选定的负载出口的所述工作流体的压力强度。
9.根据权利要求8的控制阀组件，其特征是所述调整机构包括一个与每个所述控制活塞流体连通的排放口、电磁线圈装置以及用于分别独立地、有选择地调整每个所述电磁线圈装置的通电和断电持续时间的装置，所述电磁线圈装置有选择地操作以便通过所述排放口使每个所述控制活塞与大气连通，从而由此有选择地泄放掉所述控制流体压力。
10.根据权利要求3的控制阀组件，其特征是所述控制阀组件包括一对分别连接在所述可运动的阀件的相对侧的所述控制活塞，所述导向控制器可有选择地操作以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞和从每个所述控制活塞泄放掉所述控制流体压力，从而使所述可运动的阀件沿两个相反的方向做有选择的运动，所述导向控制器包括调整机构，所述调整机构用于有选择地、分别地调整向每个所述控制活塞施加控制流体压力和用于从每个所述控制活塞泄放掉所述控制流体压力，以便使所述可运动的阀件有选择地运动到若干个位置中的任一个上，从而有选择地控制所述选定的负载出口的负载出口压力。
11.根据权利要求10的控制阀组件，其特征是所述调整机构包括与每个所述控制活塞流体连通的排放口、电磁线圈装置以及用于分别独立地、有选择地调整每个所述电磁线圈装置的通电和断电持续时间的装置，所述电磁线圈装置有选择地操作以便通过所述排放口使每个所述控制活塞与大气连通，从而由此有选择地泄放掉控制流体压力。
12.根据权利要求1的控制阀组件，其特征是所述控制阀组件还包括一对分别连接在所述可运动的阀件的相对侧的对置的控制活塞，所述导向控制器可有选择地操作以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞和从每个所述控制活塞泄放掉所述控制流体压力，从而使所述可运动的阀件沿两个相反方向作有选择的运动，所述导向控制器还包括向两个所述控制活塞同时施加相等的控制流体压力的机构，以便将所述可运动的阀件保持在基本上既无工作流体流又无控制流体流的中间关闭位置。
13.根据权利要求12的控制阀组件，其特征是所述导向控制器还包括与每个所述控制活塞相关联的电磁线圈装置，所述电磁圈装置可有选择地通电以便从每个所述控制活塞泄放掉控制流体压力，并可有选择地断电以便将控制流体压力施加给每个所述控制活塞，所述电磁线圈装置还可以通过断电将控制流体压力同时施加给两个所述控制活塞，以便将所述可运动的阀件保持在基本上不向所述电磁线圈装置供给电输入信号的中间关闭位置。
14.根据权利要求13的控制阀组件，其特征是所述导向控制器还包括调整机构，所述调整机构用于有选择地和分别地调整向每个所述控制活塞施加控制流体压力和从每个所述控制活塞泄放掉控制流体压力，从而使所述可运动的阀件有选择地运动到若干个位置中的任一个上，由此有选择地控制所述选定的负载出口的负载出口压力。
15.一种流体控制阀组件具有一个可与一个压力工作流体源连接的工作流体进口、一对工作流体负载出口、一个可运动的阀件和一个导向控制器，所述导向控制器用于有选择地将控制流体压力施加到所述可运动的阀件上，以便使一个选定的负载出口与所述工作流体进口连通，从而产生与所述可运动的阀件的位置有关的负载出口压力，其特征是所述控制阀组件包括带有反馈机构的自调节机构，自调节机构用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加到所述可运动的阀件上，所施加的负载出口压力趋向于反抗所述可运动的阀件朝连通所述工作流体进口和所述选定的负载出口的方向运动，所述导向控制器包括一对分别与所述可运动的阀件的相对侧相连的对置的控制活塞，所述导向控制器可有选择的操作，以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞和从每个所述控制活塞泄放掉控制流体压力，从而使所述可运动的阀件沿着两个相反的方向做有选择的运动，所述的自调节机构包括位于所述可运动的阀件的两相对侧的、与所述反馈机构流体连通的两部分，所述反馈机构包括用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加到所述可运动的阀件的所述两部分之一上的机构，所施加的负载出口压力趋向于反抗所述可运动的阀件朝连通所述工作流体进口和所述选定的负载出口的方向运动，所述导向控制器中的中位关闭机构，中位关闭机构用于将相等的控制流体压力同时施加到两个所述控制活塞，以便将所述可运动的阀件保持在基本上既没有负载输口流也没有控制流体流的中间关闭位置，所述中位关闭机构包括与每个所述控制活塞关联的电磁线圈装置，所述电磁线圈装置可以有选择地通电以便泄放掉每个所述控制活塞处的控制流体压力，并可以有选择地断电以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞，所述电磁线圈装置还可通过断电将控制流体压力同时施加到两个所述控制活塞，以便将所述可运动的阀件保持在基本上不向所述电磁线圈装置提供电输出信号的中间关闭位置，所述导向控制器还包括与每个所述控制活塞流体连通的导向排放口，当所述电磁线圈装置中的一个通电时，可以通过一个所述的导向排放口使一个所述控制活塞与大气连通，导向控制器中的导向控制机构，所述导向控制机构用于有选择地改变每个所述负载出口的负载出口压力，它包括至少一个与所述控制活塞流体连通的导向控制口和用于分别独立地、有选择地将每个所述控制活塞与大气连通的控制机构，所述导向控制口是可调节的，以便通过它产生一个预定的控制流体压力降，从而相应地产生一个预定的控制流体压力并在所述选定的负载出口相应地产生成比例的负载出口压力。
16.根据权利要求15的控制阀组件，其特征是所述控制机构包括导向控制电磁线圈装置，所述导向控制电磁线圈装置可以有选择地、遥控地通电，以便通过所述可调节的导向控制口使每个所述控制活塞与大气连通。
17.根据权利要求15的控制阀组件，其特征是所述导向控制口可以根据预先选定的负载出口压力被预先调节到预先选定的开度。
18.根据权利要求17的控制阀组件，其特征是所述控制阀组件还包括若干个所述导向控制口，每一个都根据预选的负载出口压力被预先调节到预选的开度，所述控制机构适于通过单个和几个所述导向控制口有选择地使每个所述控制活塞与大气连通。
19.根据权利要求18的控制阀组件，其特征是所述控制机构包括与每个所述导向控制口关联的导向控制电磁线圈装置，每个所述导向控制电磁线圈装置可以有选择地、遥控地通电，以便通过单个或几个所述导向控制口使每个所述控制活塞与大气连通。
20.根据权利要求15的控制阀组件，其特征是所述导向控制口可以根据无数个负载输出压力无级调节到无数个开度。
21.一种流体控制阀组件具有一个可与一个压力工作流体源连接的工作流体进口、一对工作流体负载出口、一个可运动的阀件和一个导向控制器，所述导向控制器用于有选择地将控制流体压力施加到所述可运动的阀件上，以便使一个选定的负载出口与所述工作流体进口连通，从而产生与所述可运动的阀件的位置有关的负载出口压力，其特征是所述控制阀组件包括带有反馈机构的自调节机构，自调节机构用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加到所述可运动的阀件上，所施加的负载出口压力趋向于反抗所述可运动的阀件朝连通所述工作流体进口和所述选定的负载出口的方向运动，所述导向控制器包括一对分别与所述可运动的阀件的相对侧相连的对置的控制活塞，所述导向控制器可有选择地操作，以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞和从第个所述控制活塞泄放掉控制流体压力，从而使所述可运动的阀件沿两个相反的方向作有选择的运动，所述自调节机构包括位于所述可运动的阀件的两相对侧的、与所述反馈机构流体连通的两部分，所述反馈机构包括用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加到所述可运动的阀件的所述两部分之一上的机构，所施加的负载出口压力趋向于反抗所述可运动的阀件朝连通所述工作流体进口和所述选定的负载出口的方向运动，所述导向控制器中的导向控制机构，所述导向控制机构用于有选择地、无级地改变每个所述负载出口的负载出口压力，所述导向控制机构包括一个转矩电动机，该转矩电动机具有一个可双向运动的衔铁、一对用于使所述衔铁朝选定的两相反方向运动的有选择地通电的电力绕组，所述导向控制机构还包括一对位于所述衔铁的相对侧的对开的导向控制喷嘴和一对由所述衔铁携带的喷嘴挡板，每个所述控制喷嘴与一个所述控制活塞和大气流体连通，所述喷嘴挡板根据所述衔铁的运动以无级可变的接触力与所述导向控制喷嘴接触，以便无级改变所述控制喷嘴的开度和所述控制活塞与大气之间的压力降，从而相应地改变施加到所述控制活塞的控制流体压力，以及相应地改变所述选定的负载出口的成比例的负载出口压力，所述一对喷嘴挡板沿着离开所述衔铁的相反方向被弹性地偏压，以便当两个所述电力绕给断电时以相等的接触力与所述控制喷嘴接触，从而平衡施加到所述控制活塞的控制流体压力并将所述可运动的阀件保持在基本上没有负载输出流和控制流体流以及不向所述电力绕组供给电输入信号的中间关闭位置上。
22.一种流体控制阀组件具有一个可与一个压力工作流体源连接的工作流体进口、一对工作流体负载出口、一个可运动的阀件和一个导向控制器，所述导向控制器用于有选择地将控制流体压力施加到所述可运动的阀件上，以便使一个选定的负载出口与所述工作流体进口连通，从而产生与所述可运动的阀件的位置有关的负载出口压力，其特征是所述阀组件包括带有反馈机构的自调节机构，自调节机构用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加到所述可运动的阀件上，所施加的负载出口压力趋向于反抗所述可运动的阀件朝连通所述工作流体进口和所述选定的负载出口的方向运动，所述导向控制器包括一对分别与所述可运动的阀件的相对侧相连的对置的控制活塞，所述导向控制器可有选择地操作，以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞和从每个所述控制活塞泄放掉控制流体压力，从而使所述可运动的阀件沿两个相反的方向作有选择的运动，所述自调节机构包括位于所述可运动的阀件的两相对侧的、与所述反馈机构流体连通的两部分，所述反馈机构包括用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加到所述可运动的阀件的所述两部分之一上的机构，所施加的负载出口压力趋向于反抗所述可运动的阀件朝连通所述工作流体进口和所述选定的负载出口的方向运动，所述导向控制器中的中位关闭机构，所述中位关闭机构用于将相等的控制流体压力同时施加到两个所述控制活塞，以便将所述可运动的阀件保持在基本上没有工作流体流和控制流体流的中间关闭位置上，所述中位关闭机构包括与每个所述控制活塞关联的电磁线圈装置，所述电磁线圈装置可有选择地通电以便泄放掉每个所述控制活塞处的控制流体压力，也可以有选择地断电以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞，所述电磁线圈装置还可通过断电将控制流体压力同时施加到两个所述控制活塞，以便将所述可运动的阀件保持在基本上不向所述电磁线圈装置提供电输出信号的中间关闭位置上，所述导向控制器还包括与每个所述控制活塞流体连通的可预先调节的排放口，当一个所述电磁线圈装置通电时，可以通过一个所述排放口使一个所述控制活塞与大气连通，对所述排放口的预调节能产生一个穿过它的可预先调节的压力降，以便预先调节所述控制流体压力以及所述选定的负载出口的相应成比例的负载出口压力。
23.一种流体控制阀组件具有一个可与一个压力工作流体源连接的工作流体进口、一对工作流体负载出口、一个可运动的阀件和一个导向控制器，所述导向控制器用于有选择地将控制流体压力施加到所述可运动的阀件上，以便使一个选定的负载出口与所述工作流体进口连通，从而产生与所述可运动的阀件的位置有关的负载出口压力，其特征是所述阀组件包括带有反馈机构的自调节机构，自调节机构用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加到所述可运动的阀件上，所施加的负载出口的压力趋向于反抗所述可运动的阀件朝连通所述工作流体进口和所述选定的负载出口的方向运动，所述导向控制器包括一对分别与所述可运动的阀件的相对侧相连的对置的控制活塞，所述导向控制器可有选择地操作，以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞和从每个所述控制活塞泄放掉控制流体压力，从而使所述可运动的阀件沿两个相反的方向作有选择的运动，所述自调节机构包括位于所述可运动的阀件的两相对侧的、与所述反馈机构流体连通的两部分，所述反馈机构包括用于将来自所述选定的负载出口的负载出口压力施加到所述可运动的阀件的所述两部分之一上的机构，所施加的负载出口压力趋向于反抗所述可运动的阀件朝连通所述工作流体进口和所述选定的负载出口的方向运动，所述导向控制器中的中位关闭机构，所述中位关闭机构用于将相等的控制流体压力同时施加到两个所述控制活塞，以便将所述可运动的阀件保持在基本上没有工作流体和控制流体流的中间关闭位置上，所述中位关闭机构包括与每个所述控制活塞关联的电磁线圈装置，所述电磁线圈装置可有选择地通电以便泄放掉每个所述控制活塞处的控制流体压力，也可以有选择地断电以便将控制流体压力施加到每个所述控制活塞，所述电磁线圈装置还可通过断电将控制流体压力同时施加到两个所述控制活塞，以便将所述可运动的阀件保持在基本上不向所述电磁线圈装置提供电输出信号的中间关闭位置上，所述导向控制器还包括与每个所述控制活塞流体连通的可预先调节的排放口，当一个所述电磁线圈装置通电时，可以通过一个所述的排放口使一个所述控制活塞与大气连通，与所述电磁线圈装置关联的电调整机构，所述调整机构用于分别有选择地调整每个所述电磁线圈装置的通电和断电持续时间，以便分别有选择地调整向每个所述控制活塞施加控制流体压力和从每个所述控制活塞泄放掉控制流体压力，从而使所述可运动的阀件有选择地运动到若干个位置中的任一个上，由此有选择地控制所述选定的负载出口的负载出口压力。
全文摘要
一种多口自调节比例控制阀，它最好使用负载输出反馈系统，以便产生出与导向控制流体压力成比例的工作流体负载输出压力。在一些实施例中，此控制阀是可编程的并且能够在操作之前或在操作过程中选定不同的负载出口压力。根据本发明的控制阀组件具有一个中位关闭或中立状态，此时由于控制阀没有输出流，故也不需要导向控制流体流。
文档编号F15B9/03GK1043980SQ89108200
公开日1990年7月18日 申请日期1989年10月27日 优先权日1988年12月27日
发明者查理斯·阿尔伯特·维勒, 洛根·哈罗德·马希斯 申请人:罗斯控制阀公司