專利名稱：高頻大流量2d數(shù)字伺服閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體傳動及控制領(lǐng)域中的電液伺服閥，尤其涉及一種 高頻大流量2D數(shù)字伺服閥。 '
背景技術(shù)：
高頻大流量電液伺服閥是高頻電液振動臺、高頻材料試驗(yàn)機(jī)及其 它高頻電液伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。它的性能決定了電液伺服系統(tǒng)的性 能。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，要求電液振動臺具有高頻響大推力；再者， 為了縮短材料試驗(yàn)的時(shí)間周期，提高材料試驗(yàn)機(jī)的性能，也要求材料 試驗(yàn)機(jī)具有高頻性能。這就要求作為控制元件的電液伺服閥具有高頻 響、大流量。
目前大流量的伺服閥基本為多級閥結(jié)構(gòu)，以期有效提高伺服閥的 流量。國內(nèi)外常采用動態(tài)響應(yīng)較好的噴嘴擋板閥或射流管閥加上一級 滑閥的"三級伺服閥"方案以獲得超大流量，但是，噴嘴-擋板伺服閥 的抗污染能力差，是其致命的弱點(diǎn)。正常使用要求油液的過濾精度在 5微米以下，使用環(huán)境要求苛刻，維護(hù)成本很高。此外，噴嘴-擋板閥 的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工和裝配精度高、導(dǎo)控級泄漏限制工作壓力提高及莫 明的自激振蕩等缺點(diǎn)，都進(jìn)一步阻礙了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。采用射流 管閥代替噴嘴-擋板閥作為大流量伺服閥的先導(dǎo)級，雖然在一定程度上 改善了閥的抗污染性能，但卻以較大的先導(dǎo)泄漏功耗為代價(jià)。
國外也有基于音圈電機(jī)開發(fā)成功所謂的動圈式伺服閥，其具有電
4感很小、動態(tài)響應(yīng)速度非常高的優(yōu)點(diǎn)。但動圈式伺服閥由于受閥芯摩 擦力的影響較為嚴(yán)重，靜態(tài)特性不夠理想；同時(shí)由于結(jié)構(gòu)限制動圈無
法貼壁散熱，大電流工作時(shí)往往需要采取附助的冷卻措施。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有大流量電液伺服閥存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、級數(shù)多、抗污 染能力差、動態(tài)特性不夠優(yōu)良的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種具有良好的動 '態(tài)響應(yīng)特性、適合在大流量狀態(tài)下工作、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、抗污染
能力強(qiáng)的高頻大流量2D數(shù)字伺服閥。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是-
一種高頻大流量2D數(shù)字伺服閥，.包括閥體、多極交流伺服電機(jī)、 力矩放大機(jī)構(gòu)、閥芯和閥套，所述多極交流伺服電機(jī)安裝在閥體上， 所述多極交流伺服電機(jī)的輸出軸與所述力矩放大機(jī)構(gòu)輸入端連接，所 述力矩放大機(jī)構(gòu)的輸出端與所述閥芯的前端固定連接，所述閥套密封 安裝在閥體內(nèi)，所述閥芯可轉(zhuǎn)動地安裝在閥套內(nèi)，所述閥芯的左端、 閥套和后蓋板構(gòu)成敏感腔，所述敏感腔內(nèi)的閥芯臺肩表面分別開有一 對軸對稱的高壓孔和一對軸對稱的低壓孔，所述高壓孔和低壓孔均呈 滿弓形，所述高壓孔的弓弦和低壓孔的弓弦平行，所述敏感腔外的閥 套的內(nèi)表面設(shè)有一對軸對稱的螺旋槽，所述螺旋槽的一端與所述敏感 腔連通，所述螺旋槽的另一端覆蓋相鄰的高壓孔弓弦和低壓孔弓弦之 間的區(qū)域。
進(jìn)一步，所述力矩放大機(jī)構(gòu)包括齒輪和擺輪，所述齒輪安裝在多 極交流伺服電機(jī)的輸出軸上，所述擺輪的上端與所述齒輪嚙合，所述 擺輪的下端與閥芯固定連接。再進(jìn)一步，所述多極交流伺服電機(jī)與電機(jī)安裝板固定連接，所述 輸出軸穿過所述電機(jī)安裝板，所述電機(jī)安裝板上設(shè)有限位銷，所述齒 輪上開有扇形的限位槽，所述限位銷位于所述限位槽內(nèi)。
更進(jìn)一步，相鄰的高壓孔的中心和低壓孔的中心之間的徑向夾角
為90度。
所述閥芯上安裝同心環(huán)，所述閥芯的右端安裝右塞環(huán)。 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為為了使2D數(shù)字伺服閥具有高頻響特性，
除了要保證伺服螺旋機(jī)構(gòu)的閥芯軸向位移對旋轉(zhuǎn)角位移之間具有快速 響應(yīng)外，還應(yīng)保證電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件即伺服電機(jī)具有快速響應(yīng)特性，多
極交流伺服電機(jī)27的驅(qū)動力矩電磁扭簧的剛度與轉(zhuǎn)子組件的轉(zhuǎn)動慣 量決定了電機(jī)的固有頻率，而電磁剛度大小與電機(jī)極數(shù)(轉(zhuǎn)子齒數(shù)) 成正比，因而可以直接采用規(guī)格齊全、價(jià)格低廉的商用、智合式步進(jìn)電 機(jī)(其固有頻率高達(dá)200 400Hz)，也可以自行研制頻響更高的多極空 心杯轉(zhuǎn)子低慣量伺服電機(jī)。(該電機(jī)也已申報(bào)國家發(fā)明專利，申請?zhí)?200910095983.0)
為保證所需大流量，伺服閥的閥芯直徑必須取得較大，從而要求 其電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器要有較大的輸出力/輸出力矩。
伺服螺旋機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)伺服閥閥芯轉(zhuǎn)角與軸向直線位移(主閥開口) 轉(zhuǎn)換的導(dǎo)控結(jié)構(gòu)，其包括閥芯和閥套等，閥芯與閥套、后蓋板配合構(gòu) 成敏感腔d，靠近敏感腔d端的閥芯臺肩表面上開設(shè)有兩對軸對稱的 高低壓孔f和c。根據(jù)伺服閥的流量要求，高低壓孔為滿弓形的高低壓 孔f和c，如圖4所示，滿弓形高低壓孔的弓弦對準(zhǔn)螺旋槽，以加大面 積梯度，滿足2D數(shù)字伺服閥大流量的要求。閥芯裝于閥套中，兩者之間通過O型密封圈密封，閥芯上裝有同心環(huán)和右塞環(huán)以保證闊芯、 閥套和閥體之間的定位。閥套的內(nèi)表面上開設(shè)有一對軸對稱的螺旋槽，
該槽的一端和敏感腔d相通，另一端與高低壓孔f和c構(gòu)成阻力半橋， 阻力半橋通過螺旋槽控制敏感腔d內(nèi)的壓力。
為了使2D數(shù)字伺服閥具有高頻響特性，必須要保證伺服螺旋機(jī) 構(gòu)的閥芯軸向位移對旋轉(zhuǎn)角位移之間具有快速響應(yīng)，伺服螺旋機(jī)構(gòu)的 液壓固有頻率決定于敏感腔d的體積及閥芯的質(zhì)量，2D伺服閥的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)決定了其敏感腔d可以設(shè)計(jì)的很小(基本沒有死容腔)，因而其液 壓固有頻率很高，大約在104 105Hz的范圍，如此高的液壓固有頻率 使得二階振蕩環(huán)節(jié)對閥芯的動態(tài)響應(yīng)幾乎不產(chǎn)生影響，閥芯的軸向位 移對其旋轉(zhuǎn)角位移之間的響應(yīng)不產(chǎn)生振蕩，可簡化為一慣性環(huán)節(jié)。
由于2D伺服閥伺服螺旋機(jī)構(gòu)的.周有頻率很高，在設(shè)計(jì)中高低壓 孔與螺旋槽之間可以取為零遮蓋即可保證穩(wěn)定。因?yàn)榱阏谏w閥使零位 導(dǎo)控流量泄T漏幾乎為零，并使閥芯24的靜態(tài)軸向剛度很大，閥芯24 的轉(zhuǎn)角位移與軸向直線位移(主閥開口)之間的轉(zhuǎn)換精度很高。
伺服螺旋機(jī)構(gòu)還具有自清潔功能， 一旦某一側(cè)的高壓(或低壓) 弓形孔堵塞，閥芯24的力平衡將受到破壞而產(chǎn)生軸向移動，從而增大 堵塞弓形孔的面積，清除堵塞物，從而大大降低了對油液過濾精度的 要求，抗污染能力強(qiáng)。 '
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、采用了改進(jìn)型的液壓伺服螺旋 機(jī)構(gòu)，用滿弓形的高低壓孔來增大面積梯度，使得伺服閥具備在大流 量狀態(tài)下工作的能力；同時(shí)也可將高低壓孔的結(jié)構(gòu)改成圓形，以適合 中小流量的應(yīng)用場合；2、頻響高，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好；3、采用了帶限位功能的力矩放大機(jī)構(gòu)，可有效放大電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力 矩，從而降低了對電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力矩要求；4、對油液過濾精 度要求低，抗污染能力強(qiáng)；5、結(jié)構(gòu)簡單，無需彈性元件，生產(chǎn)成本低; 6、零位導(dǎo)控泄漏流量幾乎為零，精度高。


圖1為高頻大流量2D數(shù)字伺服閥的結(jié)構(gòu)原理示意圖。 圖2是敏感腔的放大示意圖。 圖3為閥芯結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為滿弓形高低壓孔的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是圖4的D-D剖面圖。一
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對太發(fā)明作進(jìn)一步描述。 .
參照圖1 圖5， 一種高頻大流量2D數(shù)字伺服閥，包括多極交流 伺服電機(jī)27、力矩放大機(jī)構(gòu)、伺服螺旋機(jī)構(gòu)、限位銷3、閥體26、后 蓋板20、盒蓋6、右塞環(huán)8、同心環(huán)9、電機(jī)安裝板l、 O型密封圈14、 15、 16、 17、 18、 22和螺釘4、 10、 11、 12、 13、 19、 23、 25、 28、 29、 3.0。
所述多極交流伺服電機(jī)27作為驅(qū)動數(shù)字閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，位 于閥體26上端，通過螺釘28、 29、 30與電機(jī)安裝板1相連接。盒蓋 6通過螺釘4、 11、.12連接到電機(jī)安裝板1上。 .
力矩放大機(jī)構(gòu)包括齒輪2和擺輪5，齒輪2被壓配在多極交流伺 服電機(jī)27的外伸軸上，與擺輪5相嚙合構(gòu)成定傳動比的力矩放大機(jī)構(gòu)， 其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，有效降低了對多極交流伺服電機(jī)27的輸出力矩要求；為防止伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角位移過大，在齒輪上開有扇形的限位 槽，與裝在電機(jī)安裝板1上的限位銷3 —起構(gòu)成伺服閥的限位機(jī)構(gòu)。 擺輪5下端與閥芯24相連，通過螺釘10固定。
伺服螺旋機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)伺服閥閥芯轉(zhuǎn)角與軸向直線位移(主閥開口) 轉(zhuǎn)換的導(dǎo)控結(jié)構(gòu)，其包括閥芯24和閥套21等，閥芯24與閥套21、 后蓋板20配合構(gòu)成敏感腔d，靠.近敏感腔d端的閥芯24臺肩表面上 開設(shè)有兩對軸對稱的高低壓孔f和c。根據(jù)伺服閥的流量要求，高低壓 孔為滿弓形的高低壓孔f和c，如圖4所示，滿弓形高低壓孔的弓弦對 準(zhǔn)螺旋槽，以加大面積梯度。閥芯24裝于閥套21中，兩者之間通過 0型密封圈15、 16、 17、 18和22密封，閥芯24上裝有同心環(huán)9和右 塞環(huán)8以保證閥芯24、閥套21和閥體26之間的定位。閥套21的內(nèi) —表面上開設(shè)有一對軸對稱的螺旋槽，該槽的一端和敏感腔d相通，另 一端與高低壓孔f和c構(gòu)成阻力半橋，阻力半橋通過螺旋槽控制敏感 腔d內(nèi)的壓力。
2D伺服閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其敏感腔d可以設(shè)計(jì)的很小(基本沒 有死容腔)，因而其液壓固有頻率很高，大約在104~105Hz的范圍， 如此高的液壓固有頻率使得二階振蕩環(huán)節(jié)對閥芯24的動態(tài)響應(yīng)幾乎 不產(chǎn)生影響，閥芯24的軸向位移對其旋轉(zhuǎn)角位移之間的響應(yīng)不產(chǎn)生振 蕩，可簡化為一慣性環(huán)節(jié)。 '
高低壓孔與螺旋槽之間可以取為零遮蓋即可保證穩(wěn)定。因?yàn)榱阏?蓋閥使零位導(dǎo)控流量泄漏幾乎為零，并使閥芯24的靜態(tài)軸向剛度很 大，閥芯24的轉(zhuǎn)角位移與軸向直線位移(主閥開口)之間的轉(zhuǎn)換精度 很高。本實(shí)施例以閥芯直徑為16mm、力矩放大機(jī)構(gòu)傳動比為3: 1的 300L大流量2D數(shù)字伺服閥為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本實(shí)施例的工作原理如圖1和圖2所示，2D數(shù)字伺服閥的右腔 通過小孔a，經(jīng)閥芯24桿內(nèi)通道和小孔b與進(jìn)油P 口 (系統(tǒng)壓力)相 通，其面積為左敏感腔d的一半；左敏感腔d的壓力由開設(shè)在閥芯24 左端臺肩上的一對高低壓孔f和c與開設(shè)于閥套21內(nèi)表面的螺旋槽e 相交的兩個(gè)微小弓形面積串聯(lián)的液壓祖力半橋控制。在靜態(tài)時(shí)若不考 慮摩擦力及閥口液動力的影響，左敏感腔d的壓力為P口壓力(系統(tǒng) 壓力)的一半，閥芯24軸向保持靜壓平衡，與螺旋槽e相交的高低壓 孔兩側(cè)的遮蓋面積相等。當(dāng)以逆時(shí)針(面對閥芯伸出桿)的方向轉(zhuǎn)動 閥芯24，則高壓側(cè)的遮蓋面積增大、低壓側(cè)的遮蓋面積減小，左敏感 腔d的壓力升高，并推動閥芯24右移，同時(shí)高低壓孔f和c又回到螺 旋槽e的兩側(cè)，處于高低壓》L兩側(cè)遮蓋面積相等的位置，左敏感腔d 的壓力恢復(fù)為P口壓力(系統(tǒng)壓力)的一半，保持軸向力平衡；若順 時(shí)針方向轉(zhuǎn)動閥芯24，變化則正好相反，閥芯24向左移動。在2D數(shù) 字伺服閥中，閥芯24的旋轉(zhuǎn)角位移與軸向直線位移之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)動與 普通的機(jī)械螺旋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換運(yùn)動相一致，不同之處在于閥芯24的軸向 運(yùn)動由液壓靜壓力驅(qū)動，因此實(shí)現(xiàn)2D數(shù)字伺服閥閥芯旋轉(zhuǎn)角位移與 軸向直線位移(主閥開口)轉(zhuǎn)換的導(dǎo)控結(jié)構(gòu)被稱為液壓伺服螺旋機(jī)構(gòu)。 從結(jié)構(gòu)和工作原理可以看出2D數(shù)字伺服閥為一雙級位置反饋液壓流 量伺服閥。 -上述具體實(shí)施方式
用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制， 在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改 和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種高頻大流量2D數(shù)字伺服閥，包括閥體、多極交流伺服電機(jī)、力矩放大機(jī)構(gòu)、閥芯和閥套，所述多極交流伺服電機(jī)安裝在閥體上，所述多極交流伺服電機(jī)的輸出軸與所述力矩放大機(jī)構(gòu)輸入端連接，所述力矩放大機(jī)構(gòu)的輸出端與所述閥芯的前端固定連接，所述閥套密封安裝在閥體內(nèi)，所述閥芯可轉(zhuǎn)動地安裝在閥套內(nèi)，其特征在于所述閥芯的左端、閥套和后蓋板構(gòu)成敏感腔，所述敏感腔內(nèi)的閥芯臺肩表面分別開有一對軸對稱的高壓孔和一對軸對稱的低壓孔，所述高壓孔和低壓孔均呈滿弓形，所述高壓孔的弓弦和低壓孔的弓弦平行，所述敏感腔外的閥套的內(nèi)表面設(shè)有一對軸對稱的螺旋槽，所述螺旋槽的一端與所述敏感腔連通，所述螺旋槽的另一端覆蓋相鄰的高壓孔弓弦和低壓孔弓弦之間的區(qū)域。
2、 如權(quán)利要求1所述的高頻大流量2D數(shù)字伺服閥，其特征在于所 述力矩放大機(jī)構(gòu)包括齒輪和擺輪，所述齒輪安裝在多極交流伺服電機(jī) 的輸出軸上，所述擺輪的上端與所述齒輪嚙合，所述擺輪的下端與閥 芯固定連接。
3、 如權(quán)利要求2所述的高頻大流量2D數(shù)字伺服閥，其特征在于所述多極交流伺服電機(jī)與電機(jī)安裝板固定連接，所述輸出軸穿過所述電 機(jī)安裝板，所述電機(jī)安裝板上設(shè)有限位銷，所述齒輪上開有扇形的限 位槽，所述限位銷位于所述限位槽內(nèi)。
4、 如權(quán)利要求1一3之一所述的高頻大流量2D數(shù)字伺服閥，其特征 在于相鄰的高壓孔的中心和低壓孔的中心之間的徑向夾角為90度。
5、 如權(quán)利要求l一3之一所述的高頻大流量2D數(shù)字伺服閥，其特征在于所述閥芯上安裝同心環(huán)，所述閥芯的右端安裝右塞環(huán)。
全文摘要
一種高頻大流量2D數(shù)字伺服閥，包括閥體、多極交流伺服電機(jī)、力矩放大機(jī)構(gòu)、閥芯和閥套，多極交流伺服電機(jī)的輸出軸與力矩放大機(jī)構(gòu)輸入端連接，力矩放大機(jī)構(gòu)的輸出端與閥芯的前端固定連接，閥套密封安裝在閥體內(nèi)，閥芯可轉(zhuǎn)動地安裝在閥套內(nèi)，閥芯的左端、閥套和后蓋板構(gòu)成敏感腔，敏感腔內(nèi)的閥芯臺肩表面分別開有一對軸對稱的高壓孔和低壓孔，高壓孔和低壓孔均呈滿弓形，高壓孔的弓弦和低壓孔的弓弦平行，敏感腔外的閥套的內(nèi)表面設(shè)有一對軸對稱的螺旋槽，螺旋槽的一端與敏感腔連通，螺旋槽的另一端覆蓋相鄰的高壓孔弓弦和低壓孔弓弦之間的區(qū)域。本發(fā)明具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性、適合在大流量狀態(tài)下工作、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、抗污染能力強(qiáng)。
文檔編號F15B13/02GK101666341SQ20091015301
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者彬 孟, 勝 李, 健 阮 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)