数字式纯水液压比例溢流阀

摘要

本发明公开了一种数字式纯水液压比例溢流阀。目前国内使用的纯水液压比例溢流阀，存在压力调节范围窄、滞环大、稳态调压偏差大等缺陷。本发明中先导阀芯和先导阀套之间以及主阀芯和主阀套之间都设计了静压轴承槽，可以解决由于纯水粘度比较低所生成的润滑水膜厚度偏薄、润滑不足的问题；其次，充分利用纯水的粘度比较低、先导阀芯与先导阀阀套之间的缝隙容易引起泄漏的特点，设计了先导阀缝隙液阻，构成先导π桥液阻网络来提高溢流阀的稳态精度，从而将纯水液压比例溢流阀设计中的不利条件转为可利用的条件。数字式纯水液压比例溢流阀，可以实现纯水液压系统压力调节功能的自动化。

说明书

技术领域

本发明属于流体传动及控制技术领域，涉及一种数字式纯水液压比例溢流阀。

背景技术

纯水液压传动系统所使用的传动介质—纯水具有传统液压油所不具备的许多优点：环境友好、购买和使用成本低、阻燃性安全性好、易维护保养、刚度大、温升低等特点，这也是纯水液压传动受到国内外重视的原因所在。但是，除上述优势之外，纯水还具有粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等特点，这给纯水液压传动技术的研究带来了困难。其中最突出的难点还在于由于纯水的粘度低（只有传统矿物液压油粘度的1/40—1/50），带来的纯水液压润滑膜厚度薄影响润滑的问题，以及同等压差下通过相同密封缝隙的泄漏量将是油介质的20倍以上。所以，纯水液压元件的研究也主要集中在润滑、密封、腐蚀、气蚀等问题领域。

国际上开展水液压技术研究的高校有：芬兰坦佩雷理工大学、瑞典林雪萍大学、美国普渡大学、德国亚琛大学、丹麦理工大学、日本神奈川大学、日本东北大学等。国际上主要的水液压元件品牌有：丹麦Danfoss公司、英国WaterHydraulic、德国Hauhinco、Tiefenbach、美国Elwood、日本Ebara综合研究所等。当前水液压技术已广泛应用于水处理、核电机械、冶金机械、食品机械、林业机械、采矿机械、海洋开发、水下作业、消防灭火、武器装备、消防等领域。

水压比例溢流阀的电—机械转换作动器一般有两种形式，一种是采用比例电磁铁作为作动器，另一种是采用步进电机作为作动器。

采用比例电磁铁为作动器、压力等级14MPa、流量100L/min的水压比例溢流阀，国内多见有德国Tiefenbach公司的PDBV型纯水液压比例溢流阀，但是该型阀存在诸多缺陷，包括压力调节范围窄、滞环大、稳态调压偏差大等缺陷，其原因主要是由于水的粘度低所引起的润滑、密封等问题没有得到很好解决。

步进电机增量式油压数字阀的研究，以日本较为领先，其中东京计器公司的数字流量阀、压力阀、方向流量控制阀已有产品，压力达到21MPa，流量为1-500L/min，其重复特性精度和滞环精度均在0.1%以下，美国的威格士公司，日本的油研公司也有相关数字阀产品，但在国内市场尚无这种数字式纯水液压比例溢流阀产品。

在纯水液压比例溢流阀的研究中，腐蚀、气蚀等问题可通过材料的改进得以改善和解决。润滑和密封是纯水液压比例溢流阀研究中的关键点。针对这些难点，国内外有采用在纯水中添加复合添加剂的做法，俗称高水基液压液，来达到既能满足节能、温升比较慢等要求又能满足适度润滑的要求。但是，高水基液压液，具有更容易受到微生物的污染、成本比较高等一些缺点。所以要从根本上解决这些问题点，还需要从阀的原理和结构出发，设计具有合理结构的纯水液压比例溢流阀元件，使其满足润滑和密封性能的要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种数字式纯水液压比例溢流阀。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

数字式纯水液压比例溢流阀包括先导阀、先导阀的电—机械转换器、主阀。

所述的先导阀的电—机械转换器包括伺服电机和凸轮，凸轮通过平键装配于电机轴。

所述的先导阀包括顶杆、先导弹簧、先导阀芯、先导阀阀套和先导阀座；电—机械转换器中的凸轮通过顶杆推压先导弹簧来推动先导阀芯移动，使其圆锥面与先导阀阀套内表面台肩之间形成可变节流口，先导阀芯由三个圆柱面和一个圆锥面构成，其中两个圆柱面与先导阀阀套内表面形成缝隙液阻，并设计有静压轴承槽来消除先导阀芯与先导阀阀套之间的摩擦和实现阀芯对中，另一个比较大的圆柱面与阀套内表面通过密封圈密封，先导阀套装配于先导阀座内。电—机械转换器的伺服电机通过螺钉装配于先导阀阀座上。

所述的主阀包括主阀芯、主阀弹簧、主阀阀套和主阀座；主阀部分采用内流式阀口设计，主阀芯内部采用贯通式中空设计，主阀芯外表面由两个圆柱面和一个圆锥面构成，圆柱面部分设计有静压轴承槽来减小或消除主阀芯与主阀阀套之间的摩擦并实现主阀芯轴向对中，主阀芯上端由主阀弹簧压紧，使主阀芯圆锥面与主阀阀套内表面台肩之间形成可变节流口，主阀阀套装配于主阀阀座内部，外部由螺堵将其固封。先导阀与主阀之间的容腔通过固定阻尼孔液阻连通来提高主阀芯的稳定性，连通腔结合处由密封圈密封，先导阀座与主阀阀座通过螺栓联接。

本发明有益效果：首先，先导阀芯和先导阀套之间以及主阀芯和主阀套之间都设计了静压轴承，可以解决由于水膜厚度薄润滑不足的问题，其次，充分利用阀芯与阀套之间的缝隙容易引起泄漏特点，来设计缝隙液阻，构成先导π桥液阻网络提高稳态精度，从而将不利条件转为可利用的条件。数字式纯水液压比例溢流阀，可以实现纯水液压系统压力调节功能的自动化。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图1中：1.伺服电机，2.螺钉，3.螺堵，4.凸轮，5.轴承套，6.轴承，7.顶杆，8.密封圈，9.先导弹簧，10.先导阀芯，11.先导阀阀套，12.先导阀座，13.主阀弹簧，14.主阀芯，15.主阀阀套，16.主阀座，17.螺堵， P.进水口，T.出水口。

图2为先导阀刨面图，18～19.密封圈，a、c.先导阀缝隙液阻，b.先导阀可变液阻。

图3为主阀刨面图，d.主阀可变节流口，e.固定阻尼孔液阻。

图4为先导阀芯刨面图，20、21清楚表达了先导阀芯的静压轴承槽设计。

图5为主阀芯刨面图，清楚表达了主阀芯的中空式贯通设计以及主阀芯下端的阻尼活塞设计，22、23为主阀芯静压轴承槽设计。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，数字式纯水液压比例溢流阀，包括先导阀、先导阀的电—机械转换器、主阀。

先导阀的电—机械转换器包括伺服电机1和凸轮4，凸轮4通过平键装配于电机轴。

先导阀包括顶杆7、先导弹簧9、先导阀芯10、先导阀阀套11和先导阀座12；电—机械转换器中的凸轮4将伺服电机1的旋转运动转换为直线运动并通过顶杆7推压先导弹簧9来推动先导阀芯10移动，使其圆锥面与先导阀阀套11内表面台肩之间形成可变节流口（如图2中b）作为先导阀π桥液阻网络的可变液阻，先导阀芯10由三个圆柱面和一个圆锥面构成，其中两个圆柱面与先导阀阀套内表面形成缝隙液阻（如图2中a、c）。主阀芯设计有静压轴承槽（如图4中20、21）来消除先导阀芯10与先导阀阀套11之间的摩擦和实现阀芯对中，另一个比较大的圆柱面与阀套内表面通过密封圈18密封（如图2），先导阀套11装配于先导阀座12内。电—机械转换器的伺服电机1通过螺钉2装配于先导阀阀座12上。

主阀包括主阀芯14、主阀弹簧13、主阀阀套15和主阀座16；主阀部分采用内流式阀口设计，主阀芯14内部采用贯通式中空设计，主阀芯14外表面由两个圆柱面和一个圆锥面构成，圆柱面部分设计有静压轴承槽（如图5中22、23）来减小或消除主阀芯14与主阀阀套15之间的摩擦并实现主阀芯14轴向对中，同时主阀芯下端设计相当于阻尼活塞可以提高主阀芯14的稳定性，主阀芯14上端由主阀弹簧13压紧，使主阀芯14圆锥面与主阀阀套15内表面台肩之间形成可变节流口（如图3中d），主阀阀套15装配于主阀阀座16内部，外部由螺堵17将其固封。先导阀与主阀之间的容腔通过固定阻尼孔液阻（如图3中e）连通来提高主阀芯14的稳定性，连通腔结合处由密封圈19密封（如图2），先导阀座12与主阀阀座16通过螺栓联接。

数字式纯水液压比例溢流阀设计参数如下：

1）额定压力可达14MPa及以上；

2）额定流量可达100L/min及以上；

3）频率响应可达40Hz及以上。

数字式纯水液压比例溢流阀工作原理如下：

本发明利用伺服电机与凸轮的方式作为先导式溢流阀的电—机械转换器，可实现纯水液压系统的高频响比例压力调节。数字式纯水液压比例溢流阀有2个水压连接口，分别接高压水（P）、水箱（T）； 

向伺服电机1发送控制指令，控制凸轮4旋转一定角度，推动顶杆7使得先导弹簧9达到一定的压缩量，相当于给先导阀芯10一个预调压力。

纯水液压系统的压力通过先导阀芯10直接探测，当系统压力达到调定压力时，先导阀芯开始移动并使先导阀锥面（如图2中b）与先导阀阀套内表面台肩处由闭合变为打开，水压介质通过先导阀芯与先导阀套之间的缝隙（如图2中a、b、c）产生溢流，同时溢流会使得先导阀缝隙液阻（如图2中a）两端产生压力降，使得主阀芯14上下端产生压差，当压差超过主阀弹簧13的预调压力时，主阀芯14移动，主阀芯锥阀打开，从而使得液压系统发生溢流，其主阀芯开口量的大小决定了溢流量的多少，从而能够保证系统压力与调定压力相平衡。

本发明在电机械转换器上使用了伺服电机与凸轮的组合，实现旋转运动向直线运动的转换。通过设计先导阀芯和先导阀套之间以及主阀芯和主阀套之间的静压轴承，来解决由于水膜厚度薄润滑不足引起的容易摩擦问题。同时，充分利用纯水粘度较低，阀芯与阀套之间的缝隙容易泄漏的特点，设计了缝隙液阻，从而将纯水液压的不利条件转为可利用条件，通过构成先导π桥液阻网络来提高稳态精度。