具有两种液流阻力通道的磁流变液控制阀

摘要

本发明公开了一种具有两种液流阻力通道的磁流变液控制阀，用于对磁流变液的流动实现连续和/或开关控制。本磁流变液控制阀同时采用环形和圆盘形液流阻力通道，以缸筒、环形液流阻力通道、导磁圆盘和圆盘形液流阻力通道为磁场发生的外磁路，阀芯为磁场发生的内磁路。环形液流阻力通道的间隙由定位块与缸筒的精密过渡定位配合和定位块与导磁圆盘通过定位销连接保证。圆盘形液流阻力通道的厚度由套在连接导磁圆盘与阀芯的连接销上的垫片保证，连接销和垫片均为不导磁材料。本磁流变液控制阀在较小电流的作用下能产生较大的液流阻力，保证磁流变液控制阀流量控制的范围大，且能耗小，结构尺寸小，重量轻，结构简单，易于批量化生产。

说明书

技术领域

本发明专利属于液压控制阀领域，具体涉及一种具有两种液流阻力通道的磁流变液控制阀。

技术背景

液压控制阀是液压系统的核心元件之一。在液压系统中，液压控制阀用来控制液压系统中液流的压力、流量及流动方向，从而控制液压执行元件的启动、停止，改变运动的速度、方向、力以及动作顺序等，以满足各类液压设备对运动、速度、力和转矩的要求。因此液压控制阀的性能直接影响到液压系统的静特性、动特性及工作可靠性。

传统的液压控制阀由于存在活动的机械部件，结构复杂，加工要求高，容易磨损，因此导致运动不可靠，且体积大，成本高，还存在不易控制、响应慢、工作噪声大等问题。因此寻求一种结构简单、动作可靠、易于控制、响应快的液压控制阀是液压系统急于解决的问题。

随着机电一体化技术的发展，计算机的广泛应用，尤其是可控制流体(电流变液与磁流变液)的出现，人们开始将注意力转向基于可控制流体的液压伺服系统。与磁流变液相比，由于电流变液存在剪切屈服应力小，要求的工作电压高等缺陷，而磁流变液的屈服应力大，响应快、工作电压低、对污染的不敏感，逐渐被广大科研人员和工程技术人员所重视。磁流变液控制阀由于没有可移动的机械部件，其通过的磁流变液的流量可由外加电流控制，因此响应速度高，噪声低，能耗小，工作稳定可靠。目前关于磁流变液控制阀的构思多采用单一的液流阻力通道，液流阻力通道的面积小，产生的液流阻力有限。为了实现磁流变液的有效控制，只有增大结构尺寸和(或)工作电流；同时还存在阀芯定位复杂等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有两种液流阻力通道的磁流变液控制阀。本发明提出的磁流变液控制阀，同时采用环形和圆盘形液流阻力通道，有效地增加了液流阻力通道的剪切面积，在小的激励电流的作用下液流阻力就开始变化，对磁流变液流量的控制范围扩大，确保控制阀的能耗较小，结构紧凑，体积小，成本低，且易于控制，响应速度快，效率高。

本发明是这样实现的：

本磁流变液控制阀包括有缸筒、阀芯、励磁线圈和阀端盖，控制阀的工作介质为磁流变液，控制阀通过两端阀端盖上的螺纹与磁流变液压回路中的管接头连接，励磁线圈绕制在阀芯外的非导磁线架上，励磁线圈的引出导线通过一端端盖上的小孔引出。本控制阀的独特之处是在阀芯与非导磁线架的端面设置导磁圆盘，并在导磁圆盘与该端面之间设置垫片构成间隙，形成圆盘形液流阻力通道；导磁圆盘的外环面与缸筒之间的间隙又形成环形液流阻力通道，通过圆盘形液流阻力通道与阀芯内部的中心孔连通，形成一个完整的液流阻力通道。磁流变液通过导流装置流入环形液流阻力通道，再流进圆盘形液流阻力通道进入阀芯的中心孔，由中心孔再流进与阀芯另一端相应的圆盘形和环形液流阻力通道，最后流出。这样的设计可以在不增加阀的外部尺寸、线圈绕组、励磁电流以及磁流变液控制阀的能耗的前提下，通过同时采用环形和圆盘形平面两种形式的液流阻力通道，增大液流阻力通道的剪切面积，从而增大液流阻力，使磁流变液控制阀对磁流变液流量的控制范围更宽。

为了进一步增加液流阻力，可以根据需要产生液流阻力的大小，将励磁线圈、非导磁线架和阀芯设置至少两组，组与组之间由导磁圆盘和垫片隔开，导磁圆盘与每一组的非导磁线架之间都形成有圆盘形液流阻力通道，与缸筒内壁形成环形液流阻力通道，这样环形液流阻力通道、圆盘形液流阻力通道和阀芯内部的中心孔依次连通(首尾相通)，形成一个完整的液流阻力通道。

磁流变液控制阀还在导磁圆盘与阀端盖之间设置定位块作为精密定位装置，定位块与缸筒之间采用精密定位的过渡配合，定位块上有均匀分布的导流孔，定位块由定位销与阀芯连接。使环形液流阻力通道的间隙由定位块与缸筒之间的精密定位配合和定位块与导磁圆盘的定位销连接保证。

磁流变液控制阀的导磁圆盘是通过不导磁连接销与阀芯连接的，套在连接销上的垫片也采用不导磁材料。这样通过定位和隔磁设计保证了液流阻力间隙的尺寸和磁场尽可能的在液流阻力间隙的分布，充分发挥磁场对磁流变液的作用。

另外，本控制阀还有以下细节上的改进：在导磁圆盘与定位块之间设置有具有锥形导流面的导向块，导磁圆盘的端面与导向块结合的边缘设计为圆角过渡，使磁流变液从管接头处流进，通过定位块上均匀分布的四个小孔，沿着导向器的锥形导向面、导磁圆盘两端设计的圆角能顺利地流进环形液流阻力通道，避免紊流的产生。

非导磁线架两端与缸筒之间采用密封圈密封，在线架开槽一端的密封圈被切断，导线从切断处挤压引出，再采用密封胶密封，以保证液体从环形液流阻力通道完全流入圆盘形液流阻力通道，而不进入绕线槽。阀端盖与缸筒采用螺纹连接，并用密封圈密封，以保证更高的使用可靠性。

本磁流变液控制阀的阀芯和缸筒采用磁导率高、矫顽力低的低碳钢材料，定位块、导向块和垫片都采用非导磁材料。

本磁流变液控制阀为双向控制阀，任意一端都可以成为进液孔，另外一端则自然成为出液孔。

本发明专利的优点：

1.本控制阀通过控制励磁线圈电流的大小来控制通过阀的磁流变液的流量，无移动的机械部件，相对于传统的机械阀，磁流变液控制阀结构简单，体积小，易于控制，响应速度快，工作噪声低，耐磨损，可靠性高，成本低。

2.本控制阀在不增加阀的外部尺寸、线圈绕组、励磁电流以及磁流变液控制阀的能耗的前提下，同时采用环形和圆盘形两种形式的液流阻力通道，增大了液流阻力通道的剪切面积，从而增大了液流阻力，使磁流变液控制阀对磁流变液流量的控制范围更宽。在磁流变液控制阀用于旁路减振的可控阻尼器系统时，可增加可控阻尼力的控制范围。在磁流变阀当开关阀使用时，提高了阀工作效率。在作为比例控制阀使用时，可以更精确地控制磁流变液的流量。

3.磁流变液控制阀的定位装置简单，通过定位块与缸筒的过渡配合，定位销连接定位块与阀芯，保证了阀芯与缸筒之间间隙的径向尺寸均匀，充分发挥磁场对磁流变液的作用，通过导磁圆盘和阀芯之间的垫片的厚度保证圆盘形液流阻力通道的间隙，这样的定位可靠，适于批量化生产，成本低。

4.定位块上均匀分布的导流孔与具有锥形导向面的导向块可以保证磁流变液通畅均匀地流向阀芯与缸筒之间的间隙，并且对导磁圆盘两端采用圆角，使磁流变液顺利地流进或(和)流出液流阻力通道，避免紊流的产生。

5.本控制阀采用一些非导磁的材料作为隔磁，如垫片、连接销、线架等，保证了磁场尽可能的分布在液流阻力通道，更充分发挥磁场对磁流变液的作用，有效地控制磁流变液的流量，降低磁流变液控制阀的能耗。

附图说明：

图1是本发明的结构剖视图。

图2是本发明的磁路发生图。

图3是本发明的磁流变液的液流方向图(从左向右)。

图4是本发明定位装置剖视图。

图5是图4的A-A剖面图。

图6是具有两个励磁线圈的磁流变液控制阀的结构剖视图。

图7是本发明在磁流变液压执行器系统中应用的原理框图。

图8是本发明用于构成可控阻尼器系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构作进一步说明：

附图中：1为引出导线，2为导向块，3为引出导线端的导磁圆盘，4为环形液流阻力通道，5为不导磁垫片，6为连接销，7为阀芯，8为密封圈，9为定位销，10为定位块，11为阀端盖，12为端盖与缸筒之间的密封圈，13为导磁圆盘，14为圆盘形液流阻力通道，15为缸筒，16为励磁线圈，17为非导磁线架，18为线架引出导线一边的密封圈，19为引出导线一边阀端盖，20为进液孔，21为导流孔，22磁流变液，23为出液孔，24为阀芯中心孔

参照附图1，为本发明的结构剖视图，控制阀的工作介质为磁流变液22，控制阀由两端阀端盖11和19上的螺纹孔与磁流变液压回路中的管接头连接，励磁线圈16绕制在阀芯7外的非导磁线架17上。在阀芯7与非导磁线架17的端面设置有导磁圆盘3和13，在导磁圆盘3、13与阀端盖11、19之间设置定位块10作为精密定位装置，其中定位块10与导磁圆盘3和13分别通过定位销9连接，导磁圆盘3、13与阀芯7通过两个对称的不导磁的连接销6连接，套在不导磁的连接销6上的间隙中间的不导磁垫片5保证圆盘形液流阻力通道14的间隙尺寸。非导磁线架17两端与缸筒之间采用O型密封圈8、18密封，在线架开槽一端的密封圈18被切断，引出导线1从切断处挤压引出，再采用密封胶密封。阀端盖11和19与缸筒15采用螺纹连接，并用O型密封圈12密封。

参照附图2，为本发明的磁路发生图。如图中所示带箭头的封闭磁力线，依次经过阀芯7，圆盘形液流阻力通道14，导磁圆盘13、3，环形液流阻力通道4和缸筒15。其中阀芯7、导磁圆盘13、3、缸筒15作为磁路的一部分，采用磁导率高、矫顽力低的低碳钢。作为隔磁元件的连接销6、垫片5和非导磁线架17采用不导磁材料，确保磁路沿着图中所示的方向，并保证液流阻力通道内磁场的强度足够大，充分发挥磁场对磁流变液的阻碍作用。磁力线方向与液体在液流阻力通道中的流向是垂直的，保证在一定的励磁电流和能耗的情况下获得最大液流阻力。导磁圆盘13、3两端设计为圆角，减少磁流变液在进入或(和)流出液流阻力通道时紊流现象的产生。

参照附图3，为本发明的磁流变液的液流方向图。磁流变液从进液孔20流进，经过定位块10上均匀分布的四个导流孔21，沿着导向块2的锥形导向面流入环形液流阻力通道4，再进入圆盘形液流阻力通道14，流入阀芯的中心孔24，由中心孔再流进阀芯另一端相应的液流阻力通道，最后从出液孔23流出。该阀是双向控制阀，带箭头曲线为磁流变液在阀内的一种走向，另外，也可以改变流进和流出的方向，不影响其功能的发挥。

参照附图4和图5，为本发明的定位装置图。阀内部结构的轴向定位通过定位块10与阀端盖19、11的台阶接触保证，环形液流阻力通道4的径向尺寸由定位块10与缸筒15的精密定位配合保证，定位块10与导磁圆盘3、13通过定位销9连接。在定位块10上均匀分布四个沉孔，为导流孔21，磁流变液从入口处流经这四个小孔，顺着锥形导流面进入环形液流阻力通道。

参照附图6，为本发明的结构扩展图。该扩展的磁流变液控制阀同时具有两个励磁线圈。该扩展的磁流变液控制阀增加了一导磁圆盘、连接销、阀芯、不导磁线架和一组励磁线圈由此增加了两个圆盘形液流阻力通道和一环形液流阻力通道，能产生更大的液流阻力。两不导磁线架一端采用O型密封圈密封，另一端采用密封胶密封。为了减小尺寸，也可两端同时采用密封胶密封。当然，根据使用需要，还可以增加导磁圆盘的个数。每增加一导磁圆盘，将增加两平面液流阻力通道和一环形液流阻力通道。其液流方向和磁场发生图类似于图3和图2，在本图中，带箭头不规则曲线为液流方向，液体的流向也是双向的；带箭头规则曲线为磁力线方向。

参照附图6，为本磁流变液控制阀的应用实例，是由磁流变液控制阀组成的桥式阀路，其中A、B、C、D为磁流变液控制阀，成对角线的为一组。当磁流变阀的励磁线圈电流达到最大值时(磁场达到饱和时的电流)，磁流变液控制阀对通过的磁流变液的液流阻力最大。成对角线的一组阀处于电流最大状态，另一组处于电流最小状态时(电流为零)，可以近似为一组阀关闭，另一组阀开启。这样切换两组阀的状态，在泵的驱动下，液体流动的方向发生改变，改变执行器的运动方向。由于磁流变液控制阀的响应速度为毫秒数量级，可以提高整个液压系统的响应速度。加上反馈控制，可以利用执行器达到精确定位的目的。

参照附图7，为本磁流变液控制阀作为旁路减振器的应用。磁流变液控制阀E的液流阻力通道在线圈通电时可充当旁路式磁流变可控阻尼器系统的阻尼力通道。