CN109372813B - 一种电液比例节流阀及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电液比例节流阀及其控制方法，节流阀包括位移传感器(1)、阀套(6)、比例换向阀(8)、主阀芯(10)、阀体(12)、进口压力传感器(13)、出口压力传感器(17)、开关换向阀(19)、主阀盖(20)和运算放大模块(21)，阀套(6)和主阀芯(10)均为中空的圆柱形结构，阀套(6)安装在阀体(12)内腔中，主阀芯(10)套置在阀套(6)内，位移传感器(1)下部安装在主阀芯(10)内；控制方法将主阀芯(10)的位移、本节流阀的进出口压力、以及对应的阀芯位移对应的节流系数通过流体方程进行关联，通过运算放大模块(21)进行闭环控制。控制死区小，满足了对设备自动化和智能化的控制需求。

Description

一种电液比例节流阀及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种液压***，更具体地说涉及一种电液比例节流阀及其控制方法，属于液压控制阀技术领域。

背景技术

液压控制阀作为液压***的控制元件，通常要求其结构紧凑、操作简单、控制精确、可靠耐用。

液压控制阀中的节流阀在液压***中通常用于调节流量，其常采用手动、液控、电控或者电液控制阀口的开度来实现调节功能。目前的手动和液控的节流阀主要以开环控制为主，控制精度受负载和***的流量波动影响严重，控制精度较低，难于实现远程控制，难于实现与电控***的无缝对接。而现有的电液比例节流阀，普遍采用标准二通插件作为主阀级，阀芯单位位移控制的阀口开度变化大，同时由于阀口的结构因素，导致液动力和节流系数变化也十分大，这样就使得控制的死区大，控制动态响应的调整时间长，快速高精度的控制***中难以使用；同时，由于采用普通的二通插件作为主阀级，使得控制的驱动力模式为被动驱动，一旦控制级失效时，主阀级的整个阀口全开，极易导致主机***的损毁；因此现有的电液比例节流阀在实际使用有一定的限制范围。由此可知，随着液压设备对集成度要求越来越高，对设备自动化和智能化的控制需求越来越多，现有的节流阀难以满足需求，对高精度、高集成度、高安全可靠的节流阀的需求越来越迫切。

发明内容

本发明针对现有的节流阀存在的上述技术问题，提供一种电液比例节流阀及其控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种电液比例节流阀，包括位移传感器、阀套、比例换向阀、主阀芯、阀体、进口压力传感器、出口压力传感器、开关换向阀、主阀盖和运算放大模块，所述的主阀盖安装在阀体上，主阀盖的内腔和阀体的内腔相对应，所述阀体下部设置有与其内腔相连通的通孔Ⅰ和通孔Ⅱ，所述的阀套和主阀芯均为中空的圆柱形结构，所述的阀套安装在阀体内腔中，所述的主阀芯套置在阀套内，且主阀芯上部位于于主阀盖内腔中，阀套的轴心和主阀芯的轴心同轴，所述的位移传感器下部安装在主阀芯内，位移传感器上部安装在主阀盖内腔中，所述的阀体上的通孔Ⅰ与主阀芯的内孔相连通，所述通孔Ⅰ的入口端A口为本节流阀的进油口，阀体上的通孔Ⅱ与阀套上的圆柱孔相连通，通孔Ⅱ的出口端B口为本节流阀的出油口，所述的进口压力传感器用于监测A口压力，所述的出口压力传感器用于监测B口压力，所述的主阀芯外周中部设置有台肩，所述的台肩上设置有第一密封圈，台肩上部的主阀芯与阀套内腔之间形成台肩上油腔，台肩下部的主阀芯与阀套内腔之间形成台肩下油腔，所述比例换向阀为三位四通比例电磁换向阀，所述比例换向阀的两个油孔分别与台肩上油腔、台肩下油腔相连通，所述开关换向阀的两个油孔分别与台肩上油腔、台肩下油腔相连通，所述的主阀芯上部与主阀盖之间设置有第二密封圈，所述的位移传感器与主阀盖内腔之间形成传感器腔，所述传感器腔与通孔Ⅰ之间通过主阀芯的内孔和位移传感器之间的间隙相连通，所述的位移传感器、比例换向阀、进口压力传感器、出口压力传感器、开关换向阀分别与运算放大模块电连接。

所述的位移传感器通过传感器密封盖安装在主阀盖内。

所述的位移传感器通过位移传感器感应磁环安装在磁环安装座上，所述的磁环安装座固定在主阀芯上。

所述的比例换向阀安装在阀体上，所述的开关换向阀安装在阀体上，所述的进口压力传感器安装在阀体上。

还包括有过渡块，所述的过渡块安装在阀体上，所述的出口压力传感器安装在过渡块上。

一种电液比例节流阀的控制方法，包括下面的步骤：步骤一，确定本电液比例节流阀在不同主阀芯位移的节流系数C(X)；步骤二，确定主阀芯在不同位移的阀口面积A(X)；步骤三，根据进口压力传感器和出口压力传感器确定本电液比例节流阀的进出口压力PX1和PX2；步骤四，根据步骤一至步骤三得到的参数，确定主阀芯在任位置X其阀口的过流流量为:

步骤五，电控驱动信号R信号电流的取值范围对应【0，Q(X)max】，当给定具体的电控驱动信号R电流后，运算放大模块给定目标流量：Q(x)，此时主阀芯的位移X逐渐增大，运算放大模块实时运算和监测获得对应位置主阀芯的位移X的C(x)、A(x)、PX1、PX2，根据上述步骤四运算获得Q(x)'；运算放大模块根据运算结果对给定的目标流量和运算获得的实际流量进行比较，当Q(x)-Q(x)'≤Δq时，运算放大模块维持当前状态；当运算结果Q(x)-Q(x)'≥Δq，运算放大模块控制主阀芯的位移X继续逐步增大，直到接近目标流量；当Q(x)-Q(x)'≤-Δq，***调整主阀芯的位移X逐渐减小，直到接近目标流量；上述步骤三、步骤四和步骤五中的ρ为介质的密度，Δq为给定的误差量。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本电液比例闭环控制节流阀控制精度受负载和***流量影响小，在控制油源失效时主阀芯阀口全关，保证主机***的安全；控制死区小，满足了目前液压设备对集成度要求越来越高、对设备自动化和智能化的控制需求。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明中阀套结构示意图。

图3是本发明中主阀芯结构示意图。

图4是本发明液压原理图。

图中，位移传感器1，传感器密封盖2，位移传感器感应磁环3，磁环安装座4，密封圈Ⅰ5，阀套6，密封圈Ⅱ7，比例换向阀8，密封圈Ⅲ9，主阀芯10，密封圈Ⅳ11，阀体12，进口压力传感器13，过渡块14，密封圈Ⅴ15，第一密封圈16，出口压力传感器17，第二密封圈18，开关换向阀19，主阀盖20，运算放大模块21，圆柱孔22，通孔Ⅰ23，通孔Ⅱ24，台肩25。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1至图3，一种电液比例节流阀，包括位移传感器1、阀套6、比例换向阀8、主阀芯10、阀体12、进口压力传感器13、出口压力传感器17、开关换向阀19、主阀盖20和运算放大模块21。

参见图1至图3，所述的主阀盖20安装在阀体12上，主阀盖20的内腔和阀体12的内腔相对应，所述阀体12下部设置有与其内腔相连通的通孔Ⅰ23和通孔Ⅱ24。所述的阀套6和主阀芯10均为中空的圆柱形结构，所述的阀套6安装在阀体12内腔中，所述的主阀芯10套置在阀套6内，且主阀芯10上部位于于主阀盖20内腔中；阀套6的轴心和主阀芯10的轴心同轴，即阀套6和主阀芯10做成同心圆柱形结构。所述的位移传感器1下部安装在主阀芯10内，位移传感器1上部安装在主阀盖20内腔中。

参见图1至图3，所述的阀套6下部四周布置有多排圆柱孔22，该多排圆柱孔22的轴线均垂直于阀套6轴心线。所述的阀体12上的通孔Ⅰ23与主阀芯10的内孔相连通，所述通孔Ⅰ23的入口端A口为本节流阀的高压油入口；阀体12上的通孔Ⅱ24与阀套6上的圆柱孔22相连通，通孔Ⅱ24的出口端B口为本节流阀的高压油出口。所述的进口压力传感器13用于监测A口压力，所述的出口压力传感器17用于监测B口压力。所述的主阀芯10外周中部设置有台肩25，所述的台肩25上设置有第一密封圈16，台肩25上部的主阀芯10与阀套6内腔之间形成台肩上油腔，台肩25下部的主阀芯10与阀套6内腔之间形成台肩下油腔。第一密封圈16用来隔离台肩25上下的台肩上油腔和台肩下油腔，工作时，该两个油腔一个腔是高压、一个是低压。所述比例换向阀8的两个油孔分别与台肩上油腔、台肩下油腔相连通，所述开关换向阀19的两个油孔分别与台肩上油腔、台肩下油腔相连通。所述的位移传感器1与主阀盖20内腔之间形成传感器腔，所述传感器腔与通孔Ⅰ23之间通过主阀芯10的内孔和位移传感器1之间的间隙相连通。所述的主阀芯10上部与主阀盖20之间设置有第二密封圈18，第二密封圈18用于隔离台肩上油腔与传感器腔的油液。所述的位移传感器1、比例换向阀8、进口压力传感器13、出口压力传感器17、开关换向阀19分别与运算放大模块21电连接。

参见图1至图4，所述的比例换向阀8为中位O型机能的三位四通比例电磁换向阀，比例换向阀8的工作位置根据其比例电磁铁DT2、DT3得电状态进行选择(DT2和DT3不能同时得电)；通过控制DT2/DT3的电流大小控制主阀芯10阀口的开度，进而控制高压的控制油源x进入主阀芯10d的台肩的25空腔的流量大小，从而驱动主阀芯10的上下运动，如图4所示：当处于待机状态时，高压的控制油源x的高压油无法通过比例换向阀8，只能通过电磁开关阀19，电磁开关阀19默认的通路就会将高压油源x引入到主阀芯10的台肩25上部的台肩上油腔，同时使主阀芯10的台肩25下部的台肩下油腔与回油箱的液压油路联通，故而使得主阀芯10受到始终向下的液压力，使得主阀芯10关闭。当要控制主阀芯10开启时，此时电磁开关阀19会接到信号使得其电磁铁DT1得电、同时DT3得电，这样就会使得高压的控制油源xX无法通过电磁开关阀19，但会通过比例电磁阀8将高压油引入主阀芯10的台肩25下部的台肩下油腔，同时将主阀芯10的台肩25上部的台肩上油腔中的液压油与回油箱的低压油路联通，使得主阀芯10受到向上的驱动力，故而使主阀芯10开启。主阀芯10的运动会导致主阀芯10位移的变化；当检测到运动偏离时，自动切换DT3到DT2，同理，主阀芯10就会向下移动。这样的设置使得主阀芯10的运动通过台肩25形成了一个比例阀控制的并带位移反馈的闭环控制的伺服油缸，能够精准的控制主阀芯10主阀口的开度。

参见图1至图3，所述的位移传感器1通过传感器密封盖2安装在主阀盖20内。

参见图1至图3，所述的位移传感器套置1通过位移传感器感应磁环3安装在磁环安装座4上，所述的磁环安装座4固定在主阀芯10上。

参见图1至图3，所述的比例换向阀8、开关换向阀19和进口压力传感器13均安装在阀体12上。

参见图1至图3，本节流阀还包括有过渡块14，过渡块14用于引出B口；所述的过渡块14安装在阀体12上，所述的出口压力传感器17安装在过渡块14上。

参见图1至图4，本节流阀中主阀芯10和阀套6、阀体12、第一密封圈16、第二密封圈18装配配合后，主阀芯10上设置的台肩25则构成了一个液压伺服油缸；该液压伺服油缸与主阀芯10为一体式结构，因此控制整个液压伺服油缸的运动位移也就控制了主阀芯10阀口的开口度；而位于控制主阀芯10位移的液压伺服油缸的控制口上设置的比例换向阀8和开关换向阀19控制主阀芯10的运动位移。由于主阀芯10采用中空结构，通过位移传感器1和位移传感器感应磁环3就能实现实时对主阀芯10位移的反馈，因此位移传感器1能够实时监控和反馈主阀芯10的位置和运动状态。同时，将位移传感器1的反馈信号、比例换向阀8中的比例电磁铁DT3、DT2输入信号、开关换向阀19中的电磁铁DT1输入信号通过运算放大模块21进行运算和比较，实现输入和输出的闭环控制。并且，由于将A口的液压油引入主阀芯10的上部，使得上部的A口的压力的油压作用面积略大于主阀芯10底部A口的压力油压的作用面积，因此使得控制油源失效或者切断时，主阀芯10始终受到关闭的轴向力，***压力越高，关闭得越可靠，迫使主阀芯10关闭，保证了设备在控制***出现油源失效情况下的本身安全。

参见图1至图4，因多排圆柱孔22的轴线均垂直于阀套6轴心线，使得主阀芯10在阀套6内上下运动时，形成主阀芯10不断改变遮盖圆柱孔22的数量，形成本节流阀的通流面积与主阀芯10的位移成特定的函数关系。且通过A口流向B口的流体，最终是经过阀套6的圆柱孔22流出，主阀芯10位移的大小对应圆柱孔22数量的变化，由于通过圆柱孔22流出的流体的速度方向与主阀芯10的运动方向成90度，使得液动力最小，最大限度的减小了液动力对主阀芯10的运动的干扰；且流体流过的实际通流孔道是相似的圆柱孔22，因此对流体流过通流内面积的流量系数也是相似的，使得节流系数稳定，故而整体的流量系数相对稳定。

参见图1至图4，本电液比例节流阀，实现了控制油源失效时主阀芯10阀口全关，保证了主机***的安全；同时，通过特殊的阀口结构设计，实现主阀芯10位移在变化过程中液动力的影响和节流系数的变化在较小的范围内，实现较小的死区和高精度、高安全，能远程闭环电气化控制；满足了目前液压设备对集成度要求越来越高、对设备自动化和智能化的控制需求越来越多的需求，进而满足了对高精度、高集成度、高安全可靠的闭环控制节流阀的需求越来越迫切要求。从而解决了目前比例节流阀控制精度受负载和***的流量波动影响严重、阀芯单位位移的控制的阀口开度变化大的问题；同时避免了由于阀口的结构因素导致液动力和节流系数变化大，使得控制的死区大、控制动态响应的调整时间长、快速高精度的控制***中难以使用，一旦控制级失效时主阀级的整个阀口全开极易导致主机***的损毁等问题。

参见图1至图4，一种电液比例节流阀的控制方法，本节流阀工作时，高压油在A口待命，电控驱动信号R(流量控制)与本节流阀高压油进出口A口和B口的压力实时信号PX1和PX2、位移传感器1的位移传感信号DX1经过运算放大模块21通过特定的程序运算后，控制开关换向阀19中的电磁铁DT1关闭，同时比例换向阀8中的比例电磁铁DT2和DT3工作，根据R口的输入信号，控制流量从0到最大流量之间的无级控制，从而实现本节流阀控制过程的全程闭环，不受负载压力的影响。具体本电液比例节流阀的控制方法包括下面的步骤：

步骤一，根据理论和实际测量，确定本电液比例节流阀在不同主阀芯10位移的节流系数C(X)。

步骤二，根据结构设计的测定，确定主阀芯10在不同位移的阀口面积A(X)。

步骤三，根据进口压力传感器13和出口压力传感器17确定本电液比例节流阀的进出口压力PX1和PX2。

步骤四，根据步骤一至步骤三得到的参数，确定本主阀芯10在任位置X其阀口的过流流量为:

步骤五，电控驱动信号R信号电流的取值范围对应【0，Q(X)max】，当给定具体的电控驱动信号R电流后，运算放大模块21给定目标流量：Q(x)，此时主阀芯10的位移X逐渐增大，运算放大模块21实时运算和监测获得对应位置主阀芯10的位移X的C(x)、A(x)、PX1、PX2，根据上述步骤四运算获得Q(x)'。

运算放大模块21根据运算结果对给定的目标流量和运算获得的实际流量进行比较，当Q(x)-Q(x)'≤Δq时，运算放大模块21维持当前状态；当运算结果Q(x)-Q(x)'≥Δq，运算放大模块21控制主阀芯10的位移X继续逐步增大，直到接近目标流量；当Q(x)-Q(x)'≤-Δq，***调整主阀芯10的位移X逐渐减小，直到接近目标流量。

上述步骤三、步骤四和步骤五中的ρ为介质的密度，Δq为给定的误差量。

参见图1至图4，由上可知，本发明中通过阀套6和主阀芯10的配合实现密封和通流面积的改变。阀套6侧边开设数量众多的圆柱孔22作为节流小孔来满足阀件的通流面积，当主阀芯10面积改变时，阀件的通流面积由大部分相同或相似的圆柱孔22数量的改变来实现流通面积的改变，实现主阀芯10阀口节流系数的稳定；同时由于这些圆柱孔22垂直于主阀芯10的运动方向，故而液动力的作用也大幅削弱，有利于主阀芯10的控制稳定。主阀芯10中空，且主阀芯10上的台肩25，该台肩25与阀套6和主阀盖20共同构成了一个液压油缸，控制该油缸的上下运动，即可控制主阀芯10的运动；将控制该油缸的运动通过外置油源和设置专门的阀件来实现，这样既保证了主阀芯10控制的稳定，又可实现控制的独立；同时由于主阀芯10的中空，将阀件进口的油液引入主阀芯10上部，当主阀芯10的控制油源失效时，进口的油压将始终使主阀芯10关闭，保证设备的安全。为了优化控制，将主阀芯10的位移、本节流阀的进出口压力、以及对应的阀芯位移对应的节流系数通过流体方程进行关联，通过设置相应的运算放大模块21，通过设定程序进行闭环控制，一方面实现了阀件开启关闭电比例控制，另一方面也大幅提高了控制精度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电液比例节流阀，其特征在于：包括位移传感器(1)、阀套(6)、比例换向阀(8)、主阀芯(10)、阀体(12)、进口压力传感器(13)、出口压力传感器(17)、开关换向阀(19)、主阀盖(20)和运算放大模块(21)，所述的主阀盖(20)安装在阀体(12)上，主阀盖(20)的内腔和阀体(12)的内腔相对应，所述阀体(12)下部设置有与其内腔相连通的通孔Ⅰ(23)和通孔Ⅱ(24)，所述的阀套(6)和主阀芯(10)均为中空的圆柱形结构，所述的阀套(6)安装在阀体(12)内腔中，所述的主阀芯(10)套置在阀套(6)内，且主阀芯(10)上部位于于主阀盖(20)内腔中，阀套(6)的轴心和主阀芯(10)的轴心同轴，所述的位移传感器(1)下部安装在主阀芯(10)内，位移传感器(1)上部安装在主阀盖(20)内腔中，所述的阀体(12)上的通孔Ⅰ(23)与主阀芯(10)的内孔相连通，所述通孔Ⅰ(23)的入口端A口为本节流阀的进油口，阀体(12)上的通孔Ⅱ(24)与阀套(6)上的圆柱孔(22)相连通，通孔Ⅱ(24)的出口端B口为本节流阀的出油口，所述的进口压力传感器(13)用于监测A口压力，所述的出口压力传感器(17)用于监测B口压力，所述的主阀芯(10)外周中部设置有台肩(25)，所述的台肩(25)上设置有第一密封圈(16)，台肩(25)上部的主阀芯(10)与阀套(6)内腔之间形成台肩上油腔，台肩(25)下部的主阀芯(10)与阀套(6)内腔之间形成台肩下油腔，所述比例换向阀(8)为三位四通比例电磁换向阀，所述比例换向阀(8)的两个油孔分别与台肩上油腔、台肩下油腔相连通，所述开关换向阀(19)的两个油孔分别与台肩上油腔、台肩下油腔相连通，所述的主阀芯(10)上部与主阀盖(20)之间设置有第二密封圈(18)，所述的位移传感器(1)与主阀盖(20)内腔之间形成传感器腔，所述传感器腔与通孔Ⅰ(23)之间通过主阀芯(10)的内孔和位移传感器(1)之间的间隙相连通，所述的位移传感器(1)、比例换向阀(8)、进口压力传感器(13)、出口压力传感器(17)、开关换向阀(19)分别与运算放大模块(21)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种电液比例节流阀，其特征在于：所述的位移传感器(1)通过传感器密封盖(2)安装在主阀盖(20)内。

3.根据权利要求1所述的一种电液比例节流阀，其特征在于：所述的位移传感器(1)通过位移传感器感应磁环(3)安装在磁环安装座(4)上，所述的磁环安装座(4)固定在主阀芯(10)上。

4.根据权利要求1所述的一种电液比例节流阀，其特征在于：所述的比例换向阀(8)安装在阀体(12)上，所述的开关换向阀(19)安装在阀体(12)上，所述的进口压力传感器(13)安装在(12)阀体上。

5.根据权利要求1所述的一种电液比例节流阀，其特征在于：还包括有过渡块(14)，所述的过渡块(14)安装在阀体(12)上，所述的出口压力传感器(17)安装在过渡块(14)上。

6.一种如前述权利要求之一的电液比例节流阀的控制方法，其特征在于，包括下面的步骤：

步骤一，确定本电液比例节流阀在不同主阀芯(10)位移的节流系数C(X)；

步骤二，确定主阀芯(10)在不同位移的阀口面积A(X)；

步骤三，根据进口压力传感器(13)和出口压力传感器(17)确定本电液比例节流阀的进出口压力PX1和PX2；

步骤四，根据步骤一至步骤三得到的参数，确定主阀芯(10)在任位置X其阀口的过流流量为:

步骤五，电控驱动信号R信号电流的取值范围对应【0，Q(X)max】，当给定具体的电控驱动信号R电流后，运算放大模块(21)给定目标流量：Q(x)，此时主阀芯(10)的位移X逐渐增大，运算放大模块(21)实时运算和监测获得对应位置主阀芯(10)的位移X的C(x)、A(x)、PX1、PX2，根据上述步骤四运算获得Q(x)'；

运算放大模块(21)根据运算结果对给定的目标流量和运算获得的实际流量进行比较，当Q(x)-Q(x)'≤Δq时，运算放大模块(21)维持当前状态；当运算结果Q(x)-Q(x)'≥Δq，运算放大模块(21)控制主阀芯(10)的位移X继续逐步增大，直到接近目标流量；当Q(x)-Q(x)'≤-Δq，***调整主阀芯(10)的位移X逐渐减小，直到接近目标流量；

上述步骤三、步骤四和步骤五中的ρ为介质的密度，Δq为给定的误差量。

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