專利名稱：高速數(shù)字控制比例閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液壓系統(tǒng)液流方向、流量及壓力控制用閥技術(shù)領(lǐng)域。
液壓控制系統(tǒng)通過對執(zhí)行元件(油缸或馬達(dá))中液流的方向、流量和壓力的控制，使液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)(油缸或馬達(dá))能根據(jù)不同作業(yè)對象和工作狀態(tài)的變化，實現(xiàn)特定的位置、速度或力(力矩)的要求。實現(xiàn)液壓系統(tǒng)控制的系統(tǒng)主要有三類，一類是簡單的開關(guān)型控制系統(tǒng)，即由電磁/手動開關(guān)型換向閥實現(xiàn)液流方向的控制；第二類是能接受模擬式或數(shù)字式信號，使閥的輸出流量或壓力連續(xù)正比地受到控制的電液比例控制系統(tǒng)；第三類是能使壓力或流量完全正比于控制輸入電流或電壓的伺服控制系統(tǒng)。開關(guān)型控制系統(tǒng)只能實現(xiàn)液流方向控制，可用于對運動或動力無精度要求的簡單液壓系統(tǒng)。若需對液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度(轉(zhuǎn)速)或力(力矩)進(jìn)行精確和/或快速的控制，則需要在進(jìn)行方向控制的同時，對輸出的流量或壓力進(jìn)行精確控制。目前，能滿足精確或高速相應(yīng)要求的控制系統(tǒng)主要是閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。但伺服閥10倍于開關(guān)閥的價格、對介質(zhì)過濾精度的極高要求(5μm左右)和較高的閥內(nèi)壓力損失(7Mpa)，使伺服控制系統(tǒng)只能在極為重要的場合得到應(yīng)用，如航空、航天和軍事裝備。性能和價格均介于開關(guān)型和伺服型控制系統(tǒng)、抗污染能力等同開關(guān)型控制系統(tǒng)(25μm)的比例控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)對輸出流量和壓力進(jìn)行控制，被廣泛應(yīng)用于對精度和相應(yīng)速度有一定要求的開環(huán)或閉環(huán)控制。
對于中小流量(50L/min)的比例控制，比例閥一般采用直動式閥芯節(jié)流。模擬式比例電磁閥通過控制比例電磁鐵通電電流大小，使鐵芯在一定電磁力的作用下與壓縮回位彈簧并推動閥芯產(chǎn)生與控制電流成比例的位移，當(dāng)電磁力與彈簧反力和液動力達(dá)到平衡時，使比例閥實現(xiàn)一定的流量或壓力。由于回位彈簧反力較大，以及閥芯及被驅(qū)動部分的質(zhì)量較大，直動式比例閥的響應(yīng)速度一般不超過25Hz，流量不大于10L/min。對于流量大于50L/min的控制，一般采用高速比例閥作為先導(dǎo)控制，其系統(tǒng)總響應(yīng)小于15Hz。隨著計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的不斷普及，也產(chǎn)生了相應(yīng)的數(shù)字電液比例控制系統(tǒng)。根據(jù)所采用的數(shù)控元件，數(shù)字電液比例控制系統(tǒng)主要有四種模擬式比例閥、組合式數(shù)字閥、步進(jìn)式數(shù)字閥及高速開關(guān)閥。由模擬式比例元件構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，或采用脈寬調(diào)制方式進(jìn)行控制，實際上是一種間接式數(shù)字控制；組合式數(shù)字閥是由成組的普通電磁閥和壓力閥或流量閥組成的數(shù)字式壓力或流量比例調(diào)節(jié)閥組，各電磁閥可接受由計算機(jī)輸出并放大的開關(guān)型電壓信號。若需實現(xiàn)一定精度的控制，數(shù)量眾多的電磁閥會使系統(tǒng)的體積過于龐大，成本也難以承受；步進(jìn)式數(shù)字閥由計算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動閥芯運動，實現(xiàn)對閥芯節(jié)流開度的控制，該系統(tǒng)因傳動環(huán)節(jié)增多、機(jī)械慣量大而響應(yīng)速度慢(小于10Hz)；由快速開關(guān)閥組成的高速比例控制系統(tǒng)一般采用時間比率式脈沖調(diào)制來達(dá)到控制流量的目的，其響應(yīng)頻率也相對較高(75Hz)，但只能對小流量(小于10L/min)的壓力或流量進(jìn)行調(diào)速，所以多用在先導(dǎo)控制部分。
對上述各種液壓控制系統(tǒng)的分析可以看出開關(guān)型控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)對流量和壓力的控制；伺服控制系統(tǒng)因價格高、抗污染能力差，對系統(tǒng)放大電路的零漂等因素也極為敏感，而難以得到廣泛應(yīng)用；而比例控制系統(tǒng)存在的主要問題則是響應(yīng)速度不夠高(響應(yīng)速度稍高的又流量太小)和難以實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化。無論是伺服閥還是現(xiàn)有的比例閥，還無法同時滿足液壓系統(tǒng)控制高精度、快響應(yīng)、大流量、抗污染、低成本和數(shù)字化的各項要求。此外，比例電磁鐵體積較大(電磁鐵兩端對置)、工作時耗能多(電磁鐵工作時持續(xù)通電)、發(fā)熱等問題也對比例電磁閥的應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。
本發(fā)明的目的是提出實現(xiàn)液壓系統(tǒng)液流方向、流量和壓力進(jìn)行高速數(shù)字控制比例閥，使比例閥實現(xiàn)數(shù)字化、快響應(yīng)、高精度、大流量和低成本的綜合要求，并通過合理的設(shè)計，減小閥體尺寸，降低電磁閥工作能耗、減少發(fā)熱和提高閥的壽命。
本發(fā)明的基本思路是由多組線圈構(gòu)成數(shù)字驅(qū)動線圈取代傳統(tǒng)單一比例電磁線圈，通過由計算機(jī)控制多位數(shù)字開關(guān)放大器對各繞組線圈進(jìn)行激磁，各線圈在啟動時峰值電磁力的疊加，產(chǎn)生較單一比例電磁鐵大的峰值啟動推力。其次，集中對稱布置的兩組數(shù)字電磁鐵可對鐵芯實施推或拉力，實現(xiàn)閥芯回位或定位，從而取消回位彈簧或大大降低原比例電磁閥回位彈簧的剛度。再者，數(shù)字電磁鐵集中對稱布置，可大大降低被驅(qū)動部件的質(zhì)量(減少一側(cè)的鐵芯和挺桿)。由于提高了數(shù)字比例電磁鐵的啟動推力、取消或降低了彈簧剛度、減少了被驅(qū)動部件，本發(fā)明所提出的比例閥可在直動方式下，對大流量的流量或壓力實施高速直接數(shù)字控制，實現(xiàn)閥體快速開啟和實施所期望的比例控制；利用對較少電磁鐵組的激磁，還可大大降低閥保持狀態(tài)下的能耗。
附圖
是本發(fā)明實施例的剖視圖。以下結(jié)合附圖的實施例，詳細(xì)說明本發(fā)明。如圖所示，本發(fā)明主要由閥體6、閥芯5、傳感器1、組合數(shù)字電磁鐵9和12、非磁性隔離環(huán)11、助動挺桿7、閥體左端蓋3、活動鐵芯10、固定鐵芯組8和右端蓋14等零件組成。組合數(shù)字電磁鐵9和12各由四個或四個以上的獨立電磁鐵組合而成，并相對于鐵芯10對稱布置在閥體一側(cè)，其間用非導(dǎo)磁材料制成的隔離環(huán)11間隔。固定鐵芯8由導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料間隔組成，以便構(gòu)成磁力回路，使各獨立繞組在不同通電方向時均可對活動鐵芯10產(chǎn)生一定推或拉電磁力；活動鐵芯10通過與之連接的挺桿7，用螺紋與閥芯5剛性相連；傳感器1安裝在閥體6的另一側(cè)的端蓋3上，傳感器連接桿2通過螺紋與閥芯5相連，傳感器1對閥芯5的位移進(jìn)行精確實時檢測；多路接頭15與由計算機(jī)數(shù)字信號驅(qū)動的放大電路相連，實現(xiàn)對各電磁鐵繞組的開關(guān)量激磁控制。剛度較傳統(tǒng)比例電磁閥小5倍以上的彈簧4和13用于靜止?fàn)顟B(tài)下使閥芯5對中。兩組數(shù)字電磁鐵的激磁控制可以是兩組、八個電磁鐵的不同通電方向、不同排列的通電和不同電流強度的組合，使之產(chǎn)生與液動力和彈簧力相平衡的電磁力。由傳感器1和控制器構(gòu)成局部閉環(huán)控制，可實現(xiàn)對閥芯位移的精確控制，從而對液動機(jī)流量或壓力進(jìn)行調(diào)定，滿足不同控制要求。
與現(xiàn)有用于控制的電磁換向閥、伺服閥、比例閥相比，本發(fā)明提出的由組合數(shù)字電磁閥構(gòu)成的直動式高速比例閥，可實現(xiàn)真正意義的比例閥直接數(shù)字控制，并具有響應(yīng)快、流量大、控制精度高和節(jié)能的獨特優(yōu)點。本發(fā)明通過的巧妙構(gòu)思，將傳統(tǒng)單級、單向作用、模擬量控制電磁鐵，改為多級、組合雙向作用數(shù)字控制電磁鐵，即提高了閥芯瞬間啟動驅(qū)動力，又可通過不同繞組的激磁組合，產(chǎn)生強度不同的推或拉力，使之與液動力和較小的彈簧復(fù)位力平衡，并通過閥芯位移反饋和局部閉環(huán)控制，對閥芯位移量的進(jìn)行精確控制，從而實現(xiàn)對流量或壓力的比例控制。試驗表明在與傳統(tǒng)電磁閥總繞組匝數(shù)相同的情況下(四個一組的數(shù)字電磁鐵總匝數(shù)與原一側(cè)的比例電磁鐵匝數(shù)相同)，該組合數(shù)字電磁鐵能產(chǎn)生較原電磁閥大50％的瞬間啟動推力。此外，由于減小了被驅(qū)動部分的一側(cè)鐵芯、一側(cè)挺桿和部分連接件(總質(zhì)量減小略三分之一)，大大提高了比例閥的響應(yīng)速度。流量為100L/min時，閥的響應(yīng)頻率高達(dá)170Hz，300L/min時高達(dá)100Hz，大大高于傳統(tǒng)直動比例閥的流量和響應(yīng)頻率。本發(fā)明的高速響應(yīng)和高精度特性還得益于其閥芯、挺桿和傳感器連桿為剛性連接，避免了傳統(tǒng)分離電磁閥閥芯與挺桿件存在一定間隙的不足(因安裝原因而無法實現(xiàn)閥芯與挺桿的剛性連接)，消除了系統(tǒng)的延遲環(huán)節(jié)。在液壓系統(tǒng)工作期間，閥芯位置的保持可采用較少的組合電磁鐵激磁，以減小能耗。試驗表明其節(jié)能效果十分顯著，節(jié)能可達(dá)1/2以上。此外，尺寸小、重量輕和制作成本較低也是本發(fā)明的特點。
由于采用了獨特的構(gòu)思，本發(fā)明所提出的高速數(shù)字比例電磁閥可采用數(shù)字控制方式，實現(xiàn)大流量、高響應(yīng)的直動式比例控制，其制作成本僅稍高于傳統(tǒng)的比例電磁換向閥，但大大低于伺服閥，對液壓系統(tǒng)運行條件的要求也不高，是取代部分伺服閥，提升傳統(tǒng)比例閥性能，實現(xiàn)大流量、高精密、快響應(yīng)液壓系統(tǒng)控制的新型高速數(shù)字控制比例閥。
權(quán)利要求
1.一種高速數(shù)字控制比例閥，由閥體、左右端蓋、閥芯、活動鐵芯、固定鐵芯、閥芯位置傳感器、電磁鐵、非磁性隔離環(huán)、閥芯挺桿等組成，其特征在于電磁鐵是由四個或四個以上的獨立線圈組合成為數(shù)字電磁鐵組，各電磁鐵繞組可獨立控制。
2.如權(quán)利要求1所述的高速數(shù)字控制比例閥，其特征在于組合數(shù)字電磁鐵集中布置在閥體的一側(cè)，且只有一個活動鐵芯。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高速數(shù)字控制比例閥，其特征在于組合數(shù)字電磁鐵分為兩組，相對于活動鐵芯對稱布置。
4.如權(quán)利要求2或3所述的高速數(shù)字控制比例閥，其特征在于回位彈簧的剛度較傳統(tǒng)比例電磁閥回位彈簧的剛度小5倍以上。
5.如權(quán)利要求2、3或4所述高速數(shù)字比例閥，其特征在于閥芯挺桿、活動閥芯和傳感器連接桿為剛性連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液壓系統(tǒng)液流方向、流量及壓力控制用比例閥。本發(fā)明采用多級、組合雙向作用數(shù)字控制電磁鐵組,提高了啟動電磁力,本發(fā)明通過取消或降低回位彈簧剛度、減少被驅(qū)動部件和消除間隙,提高了比例閥響應(yīng)速度。本發(fā)明能耗低、閥體尺寸小、重量輕、成本低,響應(yīng)性能接近伺服閥,抗污染能力強,在直動方式和大流量情況下可實現(xiàn)對流量或壓力的快速向應(yīng)比例控制(100L/min時為170Hz,300L/min時為100Hz)。
文檔編號F15B13/00GK1272600SQ0011292
公開日2000年11月8日 申請日期2000年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月12日
發(fā)明者柯堅, 秦劍, 許明恒, 陳留, 安維勝 申請人:西南交通大學(xué)