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(dòng)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(dòng)臺(tái)、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(dòng)臺(tái)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(jí)閥結(jié)構(gòu)，以期有效提高伺服閥的 流量。國(guó)內(nèi)外常采用動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好的噴嘴擋板閥或射流管閥加上一級(jí) 滑閥的"三級(jí)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(guò)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(jí)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(jí)，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(guó)外也有基于音圈電機(jī)開(kāi)發(fā)成功所謂的動(dòng)圈式伺服閥，其具有電
4感很小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非常高的優(yōu)點(diǎn)。但動(dòng)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(dòng)圈無(wú)
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(jí)數(shù)多、抗污 染能力差、動(dòng)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(dòng) '態(tài)響應(yīng)特性、適合在大流量狀態(tài)下工作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wèn)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(dòng)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(tái)肩表面分別開(kāi)有一 對(duì)軸對(duì)稱的高壓孔和一對(duì)軸對(duì)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(duì)軸對(duì)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(guò)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(kāi)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(duì)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(dòng)力矩電磁扭簧的剛度與轉(zhuǎn)子組件的轉(zhuǎn)動(dòng)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(guó)家發(fā)明專利，申請(qǐng)?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(kāi)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(tái)肩表面上開(kāi)設(shè)有兩對(duì)軸對(duì)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(duì)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(guò)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(kāi)設(shè)有一對(duì)軸對(duì)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(guò)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(duì)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(méi)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(duì)閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)幾乎不產(chǎn)生影響，閥芯的軸向位 移對(duì)其旋轉(zhuǎn)角位移之間的響應(yīng)不產(chǎn)生振蕩，可簡(jiǎn)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(kāi)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(dòng)，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(duì)油液過(guò)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(lái)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(chǎng)合；2、頻響高，響應(yīng)速度快，動(dòng)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(duì)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力矩要求；4、對(duì)油液過(guò)濾精 度要求低，抗污染能力強(qiáng)；5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)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(duì)太發(fā)明作進(jìn)一步描述。 .
參照?qǐng)D1 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(dòng)數(shù)字閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，位 于閥體26上端，通過(guò)螺釘28、 29、 30與電機(jī)安裝板1相連接。盒蓋 6通過(guò)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(dòng)比的力矩放大機(jī)構(gòu)， 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，有效降低了對(duì)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(guò)大，在齒輪上開(kāi)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(guò)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(kāi)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(tái)肩表面上 開(kāi)設(shè)有兩對(duì)軸對(duì)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(duì) 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(guò) 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(kāi)設(shè)有一對(duì)軸對(duì)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(guò)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(méi) 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(duì)閥芯24的動(dòng)態(tài)響應(yīng)幾乎 不產(chǎn)生影響，閥芯24的軸向位移對(duì)其旋轉(zhuǎn)角位移之間的響應(yīng)不產(chǎn)生振 蕩，可簡(jiǎn)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(kāi)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(dòng)比為3: 1的 300L大流量2D數(shù)字伺服閥為例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(guò)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(kāi)設(shè)在閥芯24 左端臺(tái)肩上的一對(duì)高低壓孔f和c與開(kāi)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(dòng)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(duì)閥芯伸出桿)的方向轉(zhuǎn)動(dòng) 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(dòng)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?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)閥芯24，變化則正好相反，閥芯24向左移動(dòng)。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(dòng)與 普通的機(jī)械螺旋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)相一致，不同之處在于閥芯24的軸向 運(yùn)動(dòng)由液壓靜壓力驅(qū)動(dòng)，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(kāi)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(jí)位置反饋液壓流 量伺服閥。 -上述具體實(shí)施方式
用來(lái)解釋本發(fā)明，而不是對(duì)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(duì)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(dòng)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(tái)肩表面分別開(kāi)有一對(duì)軸對(duì)稱的高壓孔和一對(duì)軸對(duì)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(duì)軸對(duì)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(guò)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(kāi)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(dòng)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(tái)肩表面分別開(kāi)有一對(duì)軸對(duì)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(duì)軸對(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、適合在大流量狀態(tài)下工作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、抗污染能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)F15B13/02GK101666341SQ20091015301
公開(kāi)日2010年3月10日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)