CN108612712A - 主动先导级控制的电液比例流量阀及控制方法 - Google Patents

主动先导级控制的电液比例流量阀及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于对液压伺服与比例控制***电液比例流量阀技术领域，具体是一种主动先导级控制的电液比例流量阀及控制方法。包括主阀、柱塞泵/马达、伺服电机、控制电路和集成一体化壳体，所述的集成一体化壳体内设置有电路安装板、伺服电机腔和柱塞泵安装腔，电路安装板上安装有控制电路，控制电路上设置有信号输入输出口和电源输入口，伺服电机腔内安装有伺服电机，伺服电机由控制电路控制，伺服电机腔两端分别设置有与外界连通的冷却进油口和冷却回油口，柱塞泵安装腔内安装有柱塞泵/马达，伺服电机通过花键轴与柱塞泵/马达连接，柱塞泵/马达与主阀连接。本发明采用小型双向液压泵先导级流量就可不受压差大小和方向的影响，随电机的转速而改变。

Description

主动先导级控制的电液比例流量阀及控制方法
技术领域
本发明属于对液压伺服与比例控制***电液比例流量阀技术领域，具体是一种主动先导级控制的电液比例流量阀及控制方法。
背景技术
重大机械装备的现代化水平是我们国家科技发展水平的重要标志之一，由于重大机械装备较多数利用的是液压驱动方式，因而重大装备的发展水平很大程度上体现在电液控制***的性能水平上，而液压元件的技术水平是决定电液控制***性能水平的重要指标。电液比例流量阀是很多重大机械装备中电液控制***的核心部件，在海洋工程、铁路隧道工程、航空、航天、核电等领域得到了广泛的应用，成为流体传动及控制技术领域最重要的控制元件之一。
传统电液比例流量阀具有良好的静动态特性，但低工作压力范围的可控性差、动态响应慢；当负载压力变化时，主阀流量也会随之发生较大的变化。为了减小负载变化对主阀的影响，需要在阀的主流道上设置压差补偿器或流量检测元件，这样，不仅增大了阀的体积及制造难度，还削弱了阀的通流能力，造成较大的能量损耗并且引起发热。对于大流量的应用场合，由于能量损耗的制约，这样的技术便无用武之地，只能通过控制阀的开口面积间接控制流量，影响主阀的控制性能。受负载变化的影响，使得控制精度降低是制约高精度电液比例流量阀的关键性技术难题。
发明内容
本发明为了解决流量的精确控制一直是不易解决的难题，目前压差补偿型开启时存在流量超调，负载压力阶跃变化时存在瞬时流量冲击与超调，且受到液动力、摩擦力的影响导致控制精度低，发热严重；流量反馈型是对输出流量进行检测，并与设定值进行比较构成闭环，但受流量传感器动态响应特性限制，并且会降低阀的动态稳定性，提供一种主动先导级控制的电液比例流量阀及控制方法。
本发明采取以下技术方案：一种主动先导级控制的电液比例流量阀，包括主阀、柱塞泵/马达、伺服电机、控制电路和集成一体化壳体，所述的集成一体化壳体内设置有控制电路安装处（电路安装板，电路安装腔）、伺服电机腔和柱塞泵安装腔，电路安装板上安装有控制电路，控制电路上设置有信号输入输出口和电源输入口，伺服电机腔内安装有伺服电机，伺服电机由控制电路控制，伺服电机腔两端分别设置有与外界连通的冷却进油口和冷却回油口，柱塞泵安装腔内安装有柱塞泵/马达，伺服电机通过花键轴与柱塞泵/马达连接，柱塞泵/马达与主阀连接。
进一步的，主阀包括主阀控制腔，主阀控制腔上分别设置有A口、B口和C口，主阀控制腔内设置有可上下移动的阀芯，阀芯上端与壳体之间设置有弹簧，所述的阀芯内设置有单向阀I和单向阀II，单向阀I一端与A口连通，单向阀I另一端与C口连通，单向阀II一端与B口连通，单向阀II另一端与C口连通，B口和C口分别接柱塞泵/马达。
进一步的，伺服电机包括伺服电机转子和伺服电机定子，伺服电机转子设置在伺服电机定子内，伺服电机转子内部为中空结构。
一种主动先导级控制的电液比例流量阀的控制方法，当主阀进口A口的压力p A大于出口B口的压力p B，主阀控制腔中阀芯上方的腔体为主阀上腔C，主阀上腔的油液经过液压泵排出到主阀出油口B，主阀上腔压力p C降低，阀芯上移，阀口打开，油液从A口流向B口。
通过控制伺服电机的转速连续控制主阀输出流量，即使主阀进口压力很低，先导泵也能将主阀上腔的油液泵出到主阀出油口，在主阀芯上产生压差，打开主阀；当压力p B大于p A，当伺服电机控制信号为零，B口压力就会将主阀芯抬起，这时主阀具有反方向单向阀的功能；当使伺服电机反向旋转，将B口油液泵入主阀上腔，使主阀上腔压力p C大于p B，阀就处于关闭状态；
当压力p B大于p A，B口油液经单向阀进入主阀上腔，先导液压泵仍然将主阀上腔的油液排出到油口B，使主阀上腔压力p C降低，主阀芯抬起，油液从B口流向A口，通过关断电磁阀可关闭主阀。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.采用小型双向液压泵先导级流量就可不受压差大小和方向的影响，高压油流量随电机的旋转方向而改变流动方向，随电机的转速而改变大小。
2.驱动电路、控制电路与液压泵、电机在同一壳体内，这样该阀可以小型化、集成化、智能化。
3.由于液压泵、电机在同一壳体内，这样电机可以做成湿式散热，即让电机浸入液压油中，让液压油带走电机工作过程的热量，这样电机可以通过更大的电流，电机尺寸也可以小型化，电机寿命更高。
4.阀的参数和放大倍数可以通过总线来改变，从而具有极大的灵活性。有位置、压力和同步算法可以随时调用，有故障诊断功能，在没有区域总线的环境中，该阀也可以通过模拟方式来驱动。
附图说明
图1为本发明工作原理图；
图2为高精度主动先导级控制的电液比例流量阀试验***示意图；
图3为本发明部分结构示意图I；
图4为本发明部分结构示意图II；
图5为主阀结构示意图；
图中1-控制电路，2-信号输入输出口，3-电源输入口，4-柱塞泵/马达，5-集成一体化壳体，6-伺服电机腔，7-冷却进油口，8-伺服电机，9-冷却回油口，10-主阀，11-柱塞泵安装腔，12-柱塞泵进油口，13-柱塞泵回油口，14-花键轴，15-伺服电机转子，16-伺服电机定子，17-弹簧，18-主阀控制腔，19-阀芯，20-单向阀I ，21-单向阀II。
具体实施方式
如图1所示，一种主动先导级控制的电液比例流量阀，包括主阀10、柱塞泵/马达4、伺服电机8、控制电路1和集成一体化壳体5，所述的集成一体化壳体5内设置有电路安装板、伺服电机腔6和柱塞泵安装腔11，电路安装板上安装有控制电路1，控制电路1上设置有信号输入输出口2和电源输入口3，伺服电机腔6内安装有伺服电机8，伺服电机8由控制电路1控制，伺服电机腔6两端分别设置有与外界连通的冷却进油口7和冷却回油口9，柱塞泵安装腔11内安装有柱塞泵/马达4，伺服电机8通过花键轴14与柱塞泵/马达4连接，柱塞泵/马达4与主阀10连接。
本发明使用伺服电机控制液压泵，采用速度传感器和一个压力传感器来测量伺服电机的速度，以及液压泵/马达出口压力信号。CPLD与DSP一起负责所有的内部数据处理，还有处理压力与位置调节的算法。信号接口，可以输入/输出模拟和数字信号，它还是一个总线接口，该阀参数和放大倍数可以通过总线来改变，通过总线输入/输出数字信号，从而具有极大的灵活性，它还具有状况监控功能。同时，在没有区域总线的环境中，该阀也可以通过模拟方式来驱动。
主阀10包括主阀控制腔18，主阀控制腔18上分别设置有A口、B口和C口，主阀控制腔18内设置有可上下移动的阀芯19，阀芯19上端与主阀壳体之间设置有弹簧17，所述的阀芯19内设置有单向阀I20和单向阀II21，单向阀I20一端与A口连通，单向阀I20另一端与C口连通，单向阀II21一端与B口连通，单向阀II21另一端与C口连通，B口和C口分别接柱塞泵/马达4的进出油口。
伺服电机4包括伺服电机转子15和伺服电机定子16，伺服电机转子15设置在伺服电机定子16内，伺服电机转子15内部为中空结构。为了散热方便，减小转动惯量，电机采用中空结构，如图3、4所示。并且采用湿式散热，即电机的两侧通过节流孔连接***进油与回油口，这样热量很快被油液带走，加快散热。节流口可以通过压力阀与流量阀通过计算机自动调节流入伺服电机的流量和压力，从而调节伺服电机的温度。通过油液温度，我们也可以间接的知道电机温度的大小。
图1所示是基本原理。当主阀进口压力p A大于出口压力p B，主阀上腔的油液经过液压泵排出到主阀出油口B，主阀上腔压力p C降低，主阀芯上移，阀口打开，油液从A口流向B口，通过主阀的流量正比于先导级（柱塞泵/马达）流量，有
(1)
由式（1）知先导级流量正比于伺服电机的转速n和液压泵的排量v p，q xd=v p n，且和负载压力无关，所以，通过控制电机的转速就可连续控制主阀输出流量。即使主阀进口压力很低，先导泵也能将主阀上腔的油液泵出到主阀出油口，在阀芯上产生压差，打开主阀，所以提高了阀的可控性和动态响应。当压力p B大于p A，如果伺服电机控制信号为零，B口压力就会将主阀芯抬起，这时阀具有反方向单向阀的功能；如果使伺服电机反向旋转，将B口油液泵入主阀上腔，使主阀上腔压力p C大于p B，阀就处于关闭状态。
当压力p B大于p A，B口油液经单向阀选择后进入主阀上腔，先导液压泵仍然将主阀上腔的油液排出到油口B，使主阀上腔压力p C降低，主阀芯抬起，油液从B口流向A口，同样满足式(1)的流量关系，从而实现流量的双向控制，这时，如果关断电磁阀，同样可关闭主阀。
以上控制原理的优点还在于，先导级采用自供油方式，并直接提供给负载，所以能量利用率高；采用主动的先导级，先导级两端没有压差也可以工作，所以可拓展阀的使用压力范围，增加低压的可控性，提高低压工况阀的动态响应；通过改变先导泵的排量，就可改变先导级的流量范围，所以只需采用两级结构就可方便控制大通径的阀，使阀具有大的流量控制范围，低的压差损失。
当A为进油口，B为出油口时，主阀工作在外流式工况，先导柱塞泵/马达为马达工况，主阀控制腔C压力p C大于主阀出口压力p B，液压油将从主阀控制腔C向主阀出口B泄漏，泄漏量为q CB。当B为进油口，A为出油口时，先导泵/马达为泵工况，主阀工作在内流式工况，主阀控制腔压力p C小于主阀进油口B压力p B，油液将从进油口向主阀控制腔泄漏，泄漏量为q BC。
本发明阀的流量与先导泵/马达流量呈线性关系，反馈节流槽面积梯度wc越小，阀芯位移越大，本发明阀流量越大；阀芯位移及主阀流量将随液动力的增加而减小；由于反馈节流槽预开口量的存在，主阀将存在一定的死区。
当主阀芯增加两个单向阀，当p A>p B时，A口的高压油经过单向阀的选择流向主阀控制腔，此时为外流式工况；当p A<p B时，B口的高压油经过单向阀的选择流向主阀控制腔，此时为内流式工况。本发明阀为外流式工况时，先导柱塞泵/马达将输出油液到出油口B，此时为马达工况；当新原理阀为内流式工况时，先导泵/马达将输出油液到进油口B，此时为泵工况。
高精度主动先导级控制的电液比例流量阀试验***，如图2所示，主要用于小通径，如25通径以下比例流量阀动静态特性的试验，整个试验过程通过一台PC 计算机和从德国进口的DSpace实时控制卡管理。试验中用1台高性能的伺服变量泵和1 套变量泵控制***，用于提供给***所需的流量、出口压力，用比例溢流阀对被试阀加载，测试参数有泵出口压力、被试阀进出口二腔压力、被试先导阀和主阀芯位移、以及通过阀的流量，采用齿轮式高精度动态流量计记录通过被试阀的流量，测试信号在计算机内由专用的数据处理软件进行处理，计算机同时给出控制被试阀的设定信号、控制比例泵输出流量的信号、控制加载溢流阀的信号。测试的性能指标有阀的稳态特性、压力流量特性，设定信号动态阶跃响应特性、频率响应特性和负载阶跃响应特性。测试过程从零到最大开度范围内，连续增大和减小阀开度的设定值，记录阀芯位移、输出流量，反复多次，确定被试阀的非线性度、滞环、重复精度、死区等性能指标。保持阀的设定值不变，用比例溢流阀连续改变阀的出口压力，测定阀的压力流量特性，考核阀输出流量受负载影响的程度。保持阀的输出流量不变，用比例溢流阀设定阀出口压力按阶跃方式改变，记录阀的负载阶跃响应特性曲线。

Claims (4)

1.一种主动先导级控制的电液比例流量阀，其特征在于：包括主阀（10）、柱塞泵/马达（4）、伺服电机（8）、控制电路（1）和集成一体化壳体（5），所述的集成一体化壳体（5）内设置有电路安装板、伺服电机腔（6）和柱塞泵安装腔（11），电路安装板上安装有控制电路（1），控制电路（1）上设置有信号输入输出口（2）和电源输入口（3），伺服电机腔（6）内安装有伺服电机（8），伺服电机（8）由控制电路（1）控制，伺服电机腔（6）两端分别设置有与外界连通的冷却进油口（7）和冷却回油口（9），柱塞泵安装腔（11）内安装有柱塞泵/马达（4），伺服电机（8）通过花键轴（14）与柱塞泵/马达（4）连接，柱塞泵/马达（4）与主阀（10）连接。
2.根据权利要求1所述的主动先导级控制的电液比例流量阀，其特征在于：所述的主阀（10）包括主阀控制腔（18），主阀控制腔（18）上分别设置有A口、B口和C口，主阀控制腔（18）内设置有可上下移动的阀芯（19），阀芯（19）上端与主阀壳体之间设置有弹簧（17），所述的阀芯（19）内设置有单向阀I（20）和单向阀II（21），单向阀I（20）一端与A口连通，单向阀I（20）另一端与C口连通，单向阀II（21）一端与B口连通，单向阀II（21）另一端与C口连通，B口和C口分别接柱塞泵/马达（4）的进出油口。
3.根据权利要求2所述的主动先导级控制的电液比例流量阀，其特征在于：所述的伺服电机（4）包括伺服电机转子（15）和伺服电机定子（16），伺服电机转子（15）设置在伺服电机定子（16）内，伺服电机转子（15）内部为中空结构。
4.一种如权利要求3所述的主动先导级控制的电液比例流量阀的控制方法，其特征在于：当主阀进口A口的压力p A大于出口B口的压力p B，主阀控制腔中阀芯上方的腔体为主阀上腔，主阀上腔的油液经过液压泵排出到主阀出油口B，主阀上腔压力p C降低，阀芯上移，阀口打开，油液从A口流向B口，
通过控制伺服电机的转速连续控制主阀输出流量，即使主阀进口压力很低，先导泵也能将主阀上腔的油液泵出到主阀出油口，在主阀芯上产生压差，打开主阀；当压力p B大于p A，当伺服电机控制信号为零，B口压力就会将主阀芯抬起，这时主阀具有反方向单向阀的功能；当使伺服电机反向旋转，将B口油液泵入主阀上腔，使主阀上腔压力p C大于p B，阀就处于关闭状态；
当压力p B大于p A，B口油液经单向阀选择后进入主阀上腔，先导液压泵仍然将主阀上腔的油液排出到油口B，使主阀上腔压力p C降低，主阀芯抬起，油液从B口流向A口，通过关断电磁阀可关闭主阀。
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