CN116906394A - 一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀 - Google Patents

Abstract

一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，该阀结构左右对称，左、右控制阀芯由左、右压电环分别弯曲驱动。由于压电效应，压电环在驱动中将产生与其弯曲形变大小成比例的电压信号，通过自传感电路提取后，传递到控制电路形成对控制阀芯位移的自传感闭环控制。控制阀芯在控制阀套中运动使得控制阀口打开，产生驱动主阀芯运动的油液，主阀芯运动将带动反馈杆绕弹簧管中心旋转，使得反馈杆上端带动控制阀套向着控制阀口关闭的方向运动。当控制阀口完全关闭时，主阀芯停止运动，形成对主阀芯位置的机械闭环控制。本发明采用双压电环驱动、双闭环控制但不需要传感器，具有响应快、精度高、体积小、性能受温度影响小等优点。

Description

一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀

技术领域

本发明属于电液伺服控制领域，具体涉及一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀。

背景技术

电液伺服阀作为高端电液装备的核心基础件，其频响、精度和可靠性直接制约着整个高端电液装备伺服***的控制精度和响应速度，也直接影响到整个***的可靠性和寿命，因此，高速精密高可靠性电液伺服阀一直是国家高端电液伺服装备的重大需求。

从电液伺服阀的发展历程可知，提高伺服阀用电-机转换器的频响和动态带载能力是提高电液伺服阀动态性能的前提。以压电驱动器为代表的高精度、高频响、高可靠性电-机转器的出现为高速精密电液伺服阀的开发提供了机遇。压电驱动器低能耗、不发热、使用寿命长、无电磁干扰、响应时间短、节能潜力大，其在电液伺服阀的应用研究一直是新型电液伺服阀研究的热点。目前，压电双晶片、压电叠堆、放大型压电驱动器在电液伺服阀中应用研究较多，压电环弯驱型驱动器在电液伺服阀的研究处于起步，但从体积、性能和价格等方面综合比较，压电环弯驱型驱动器具有更大的优势。

同其他压电驱动器的特性一样，压电环弯驱型驱动器动态性能较好，但输出也是迟滞非线性的，在位移和输出力较大时，其体积仍然较大。因此压电环弯驱型电液伺服阀虽然具有较好的动态性能，但整个阀的体积较大且输出会呈现出迟滞非线性。为保证流量的情况下降低体积和降低非线性，目前压电环弯驱型电液伺服阀的通常采用两级结构且要采用两个位移传感器对两级的阀芯进行电反馈闭环控制，第一个传感器对控制级阀芯的位置进行闭环控制，第二个传感器对功率级主阀芯的位置进行闭环控制。增加两个传感器虽然能够提高性能，但会造成整个阀的成本增加、体积增大以及可靠性降低。

发明内容

为了克服以上不足，本发明提供一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，该电液伺服阀将控制阀芯分成左、右两个，由左、右两个压电环弯驱型驱动器分别驱动，控制级采用自传感闭环控制，功率级采用机械闭环控制，因此该电液伺服阀具有响应速度快、控制精度高、可靠性高、体积小等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，包括左压电环、右压电环、左输出杆、右输出杆、反馈杆、左控制阀芯、右控制阀芯、控制阀套、控制阀体，所述左压电环设置在所述控制阀体的左端空腔内，其侧面与控制阀体空腔侧壁胶粘，左压电环的中间圆孔内壁与左支撑座侧面胶粘，所述左输出杆的左端螺纹连接所述左支撑座，并通过左调零螺母锁紧，左控制阀芯设置在控制阀套内，并通过螺纹连接左输出杆的右端；所述右压电环设置在阀体的右端空腔内，其侧面与控制阀体空腔侧壁胶粘，右压电环的中间圆孔内壁与右支撑座侧壁胶粘，所述右输出杆的右端螺纹连接右支撑座，并通过右调零螺母锁紧，右控制阀芯设于控制阀套内，并通过螺纹连接右输出杆的左端。

进一步优化，所述控制阀套设于控制阀体内，两者间隙配合。

进一步优化，所述左控制阀芯与右控制阀芯左右对称分布在控制阀套的两侧，左控制阀芯的左端为螺纹孔，其右端盲孔为左控制阀芯回油腔，且外周设有环形槽，环形槽内设有与左控制阀芯回油腔相通的油孔，左控制阀芯回油腔的出口与控制阀回油腔相通；所述右控制阀芯的右端设有螺纹孔，左端为右控制阀芯回油腔，其外周设有环形槽，环形槽内设有与右控制阀芯回油腔相通的油孔，右控制阀芯回油腔的出口与控制阀回油腔相通，控制阀回油腔通过控制阀回油通道与主阀回油腔相通，主阀回油腔与回油口T相通。

进一步优化，所述控制阀套的内孔中设置有左环形槽和右环形槽，左控制阀芯上的环形槽右端和左环形槽的左端构成左控制阀口，右控制阀芯上环形槽的左端和右环形槽的右端构成右控制阀口。

进一步优化，所述左压电环驱动左控制阀芯在控制阀套内运动，从而改变左控制阀口开度，右压电环驱动右控制阀芯在控制阀套内运动，从而改变右控制阀口开度。

进一步优化，所述左压电环和右压电环产生弯曲形变的同时也产生和其形变成比例的电压信号，通过自传感电路检测处理回反馈到控制器，以实现对左控制阀芯和右控制阀芯位移的自传感闭环控制。

进一步优化，来自于左控制阀口或右控制阀口油液驱动主阀芯运动，并带动反馈杆的下端运动，使得反馈杆绕弹簧管的中心旋转，反馈杆的上端推动控制阀套向左控制阀口和右控制阀口关闭的方向运动，当左控制阀口和右控制阀口完全关闭，主阀芯停止运动，形成主阀芯位置的闭环控制，使得主阀芯的位移和左控制阀芯和右控制阀芯产生的位移成比例。

进一步优化，所述左输出杆与左支撑座螺纹连接并通过左调零螺母锁紧，右输出杆与右支撑座螺纹连接并通过右调零螺母锁紧，上述连接螺纹均为细牙，松开左调零螺母或右调零螺母，从而实现旋转左输出杆、右输出杆使得左控制阀芯和右控制阀芯移动，完成控制阀的零位调节。

进一步优化，所述反馈杆两末端为球体，上端穿过弹簧管的内孔与控制阀套构成球铰连接，弹簧管安装在控制阀体中线上，反馈杆的下端与主阀芯构成球铰连接，所述主阀芯位于主阀套内，两者间隙配合，所述主阀套位于主阀体内，两者过盈配合。

进一步优化，所述反馈杆上端到其旋转中心的距离要大于下端到旋转中心的距离，使得主阀芯位移大于左、右控制阀芯位移。

本发明的有益效果为：

1、将控制阀芯分成左、右两个，左、右控制阀芯分别由左、右压电环分别驱动，与单个压电环驱动整个控制阀芯相比，有效降低了压电环的驱动负载，因此可以选用较小的压电环驱动器，另外左右对称结构可以消除温度变化带来的热致位移和提高自传感控制的精度；

2、控制阀芯的位移通过压电环压电效应产生的自传感信号获得，通过提取处理反馈到控制器形成对控制阀芯位移的自传感电反馈闭环控制，通过调节控制器参数可以提高控制阀芯的运动精度和响应速度，主阀芯的位移通过反馈杆将其位移信号反馈到控制阀套，使得驱动主阀芯的控制阀口关闭，形成对主阀芯位移的机械反馈闭环控制，整个电液伺服阀的两级闭环反馈均无需额外的传感器，能够有效降低成本，减小体积，提高可靠性。

综上所述，本发明所设计的双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀将控制级阀芯分成两部分，由左、右压电环分别弯曲驱动，控制级采用自传感闭环控制，功率级通过反馈杆形成机械闭环控制，无需额外传感器，因此本发明所设计的电液伺服阀具有响应速度快、控制精度高、体积小、成本低、可靠性高等显著优点。

附图说明

图1为双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀的结构图；

图2为双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀油道图；

图3为压电环自传感驱动电路示意图；

图4为压电环弯曲变形图；

图中标记：1、左压电环，2、右压电环，3、左支撑座，4、右支撑座，5、左调零螺母，6、右调零螺母，7、左输出杆，8、右输出杆，9、主阀套，10、主阀芯，11、左固定节流孔，12、右固定节流孔，13、主阀体，14、反馈杆，15、弹簧管，16、左控制阀芯，17、右控制阀芯，18、控制阀套，19、控制阀体，20、左控制腔，21、右控制腔，22、左进油道，23、右进油道，24、左高压油腔，25、右高压油腔，26、主阀回油腔，27、控制阀套左环形槽，28、控制阀套右环形槽，29、左控制阀芯回油腔，30、右控制阀芯回油腔，31、左控制阀口，32、右控制阀口，33、控制阀回油腔，34、控制阀回油通道。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，包括左压电环1、右压电环2、左输出杆7、右输出杆8、反馈杆14、左控制阀芯16、右控制阀芯17、控制阀套18、控制阀体19，所述左压电环1设置在所述控制阀体19的左端空腔内，其侧面与控制阀体19空腔侧壁胶粘，左压电环1的中间圆孔通过胶黏连接左支撑座3，所述左输出杆7的左端螺纹连接所述左支撑座3，并通过左调零螺母5锁紧，左控制阀芯17设置在控制阀套18内，并通过螺纹连接左输出杆7的右端；所述右压电环2设置在控制阀体19的右端空腔内，其侧面与控制阀体19空腔侧壁胶粘，右压电环2的中间圆孔内壁与右支撑座4侧壁胶粘，所述右输出杆8的右端螺纹连接右支撑座4，并通过右调零螺母6锁紧，右控制阀芯17设于控制阀套18内，并通过螺纹连接右输出杆8的左端，控制阀套18设于控制阀体19内，两者间隙配合。

所述左控制阀芯16与右控制阀芯17对称分布在控制阀套18的两侧，左控制阀芯16的左端为螺纹孔，其右端为左控制阀芯回油腔29，且外周设有环形槽，左控制阀芯16内设有与左控制阀芯回油腔29相通的回油孔，左控制阀芯回油腔29的出口与控制阀回油腔33相通；所述右控制阀芯17的右端设有螺纹孔，左端为右控制阀芯回油腔30，其外周设有环形槽，右控制阀芯17内设有与右控制阀芯回油腔30相通的回油孔，右控制阀芯回油腔30的出口与控制阀回油腔33相通，控制阀回油腔33通过控制阀回油通道34与主阀回油腔26相通，主阀回油腔26与回油口T相通。

所述控制阀套18的内孔中设置有左环形槽27和右环形槽28，左控制阀芯16上的环形槽右端和控制阀套左环形槽27的左端构成左控制阀口31，右控制阀芯17上环形槽的左端和控制阀套右环形槽28的右端构成右控制阀口32。

所述左压电环1驱动左控制阀芯16在控制阀套18内运动，从而改变左控制阀口31开度，右压电环2驱动右控制阀芯17在控制阀套18内运动，从而改变右控制阀口32开度。所述左压电环1和右压电环2产生弯曲形变的同时也产生和其形变成比例的电压信号，通过自传感电路检测处理回反馈到控制器，以实现对左控制阀芯16和右控制阀芯17位移的自传感闭环控制。所述左控制阀口31和右控制阀口32的油液驱动主阀芯10运动，并带动反馈杆14的下端运动，反馈杆14将绕弹簧管15的中心旋转，反馈杆14的刚度要大，不能产生弯曲变形。反馈杆14的上端推动控制阀套18向左、右控制阀口关闭的方向运动，当左、右控制阀口完全关闭，主阀芯10停止运动，形成对主阀芯10位置的闭环控制，使得主阀芯10的位移和左、右控制阀芯的位移成比例。

所述左输出杆7与左支撑座3螺纹连接并通过左调零螺母5锁紧，右输出杆8与右支撑座4螺纹连接并通过右调零螺母6锁紧，上述连接螺纹均为细牙，松开左调零螺母5或右调零螺母6，从而实现旋转左、右输出杆使得左、右控制阀芯移动，完成控制阀的零位调节。

所述反馈杆14两末端为球体，其上端穿过弹簧管15的内孔与控制阀套18相连，弹簧管15安装在控制阀体19中线上，反馈杆14的下端连接主阀芯10，所述主阀芯10位于主阀套9内，两者间隙配合，所述主阀套9位于主阀体13内，两者过盈配合。所述反馈杆14上端到其旋转中心的距离要大于下端到旋转中心的距离，使得主阀芯10位移大于左、右控制阀芯运动位移。

压电环弯驱执行器采用三线双极性驱动，当输入电压u为0时，压电环不发生弯曲变形；当输入电压u在范围在-100V~0时，压电环向右弯曲；当输入电压u在范围在0~100V时，压电环向左弯曲，其弯曲变形后形状如图4所示。压电材料具有驱动和传感双重功能，通过自感电压的测量就能够使压电环弯驱执行器具备感知自身形变的能力。基于图3搭建电桥电路，通过选取合适电容C ₃，就可以测出压电环弯驱执行器工作时与两端位移成比例的电压u _f。

本发明所提出的双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀其工作原理如图1和图2所示，***供油后，高压油液经进油口P流入主阀体8内后沿油道分成三路，中路流入功率主阀，左路经左进油道22、左固定节流孔11流入左控制腔20和控制阀套左环形槽27，右路经右进油道23、右固定节流孔12流入右控制腔21和控制阀套右环形槽28。当控制器输入指令为零时，左压电环1、右压电环2输入电压为0时，上述两个压电环均不发生弯曲变形，左控制阀口31和右控制阀口32处于关闭状态。左控制腔20和右控制腔21内油液产生压力相等，因此主阀芯10左右两端所受液压力相等，主阀芯10处于零位不动，控制油口A和B无流量输出。

当控制器输入指令为正时，左压电环1输入电压u为负值，向左弯曲变形，经左支撑座3和左输出杆7推动左控制阀芯16向左运动，左控制阀口31处于关闭状态。右压电环2输入电压u为正值，向左弯曲变形，经右支撑座4和右输出杆8推动右控制阀芯17向左运动，右控制阀口32打开。控制阀套右环形槽28内油液经右控制阀口32、右控制阀芯回油腔30、控制阀回油腔33、控制阀回油通道34、主阀回油腔26、回油口T流回油箱，使得右控制腔21与油箱相通，造成右控制腔21内的压力下降，其腔内油液作用在主阀芯10上向左的液压力下降，而左控制腔20内油液压力不变，其作用在主阀芯10上向右的液压力也不变，因此主阀芯10受到合力向右，向右运动，并带动反馈杆14下端运动，反馈杆14绕弹簧管旋转，其上端推动控制阀套18向左运动，使得右控制阀口32逐渐关闭，此过程中右控制腔21内压力逐渐上升，当右控制阀口32完全关闭后，右控制腔21内的油液压力等于左控制腔20内的油液压力，主阀芯10两端所受液压力相等，停止运动，其位移大小与控制阀套18位移成比例，控制阀套18位移等于右控制阀芯17向左运动位移。在负载压差一定时，控制口A输出与主阀芯10位移成比例的流量。

当控制器输入指令为负时，右压电环2输入电压u为负值，向右弯曲变形，经右支撑座4和右输出杆8推动右控制阀芯17向右运动，右控制阀口32处于关闭状态。左压电环1输入电压u为正值，向右弯曲变形，经左支撑座3和左输出杆7推动左控制阀芯16向右运动，左控制阀口31打开。控制阀套左环形槽27内油液经左控制阀口31、左控制阀芯回油腔29、控制阀回油腔33、控制阀回油通道34、主阀回油腔26、回油口T流回油箱，使得左控制腔20与油箱相通，其腔内压力下降，作用在主阀芯10上向右的液压力下降，而右控制腔21内压力不变，其作用在主阀芯10上向左的液压力不变，因此主阀芯10受到向左的合外力，向左运动，并带动反馈杆14下端向左运动，使反馈杆14绕弹簧管中心顺时针旋转，其上端推动控制阀套18向右运动，使得左控制阀口31逐渐关闭，此过程中左控制腔20内压力逐渐上升，当左控制阀口31完全关闭后，左控制腔20内的压力等于右控制腔21内的压力，主阀芯10两端所受液压力相等，并停止运动，其位移大小与控制阀套18运动位移成比例，控制阀套18位移等于左控制阀芯16向右运动位移。负载压差一定时，控制口B输出与主阀芯10位移成比例的流量。

综上，负载压差一定时，阀的输出流量和主阀芯10位移成比例，而主阀芯10位移与控制阀芯位移成比例，其比值为反馈杆14下端到旋转中心的距离与反馈杆14上端到旋转中心的距离之比。在自传感闭环控制下，控制阀芯位移又与输入指令近似成比例，因此整个阀的输出流量和输入指令的大小近似成比例、方向和控制器输入指令的极性有关。

以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，包括左压电环（1）、右压电环（2）、左输出杆（7）、右输出杆（8）、反馈杆（14）、左控制阀芯（16）、右控制阀芯（17）、控制阀套（18）、控制阀体（19），所述左压电环（1）设置在所述控制阀体（19）的左端空腔内，其侧面与控制阀体（19）左端空腔侧壁胶粘，左压电环（1）的中间圆孔内壁与左支撑座（3）侧面胶粘，所述左输出杆（7）的左端螺纹连接左支撑座（3），并通过左调零螺母（5）锁紧，左控制阀芯（16）设置在控制阀套（18）内，并通过螺纹与左输出杆（7）的右端连接；所述右压电环（2）设置在控制阀体（19）的右端空腔内，其侧面与控制阀体（19）右端空腔侧壁胶粘，右压电环（2）的中间圆孔内壁与右支撑座（4）侧壁胶粘，所述右输出杆（8）的右端螺纹连接右支撑座（4），并通过右调零螺母（6）锁紧，右控制阀芯（17）设于控制阀套（18）内，并通过螺纹连接右输出杆（8）的左端。

2.如权利要求1所述的一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，所述控制阀套（18）设于控制阀体（19）内，两者间隙配合。

3.如权利要求1所述的一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，所述左控制阀芯（16）与右控制阀芯（17）左右对称分布在控制阀套（18）的两侧，左控制阀芯（16）的左端为螺纹孔，其右端盲孔为左控制阀芯回油腔（29），且外周设有环形槽，环形槽内设有与左控制阀芯回油腔（29）相通的油孔，左控制阀芯回油腔（29）的出口与控制阀回油腔（33）相通；所述右控制阀芯（17）的右端设有螺纹孔，左端为右控制阀芯回油腔（30），其外周设有环形槽，环形槽内设有与右控制阀芯回油腔（30）相通的油孔，右控制阀芯回油腔（30）的出口与控制阀回油腔（33）相通，控制阀回油腔（33）通过控制阀回油通道（34）与主阀回油腔（26）相通，主阀回油腔（26）与回油口T相通。

4.如权利要求2所述的一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，所述控制阀套（18）的内孔中设置有左环形槽（27）和右环形槽（28），左控制阀芯（16）上的环形槽右端和控制阀套左环形槽（27）的左端构成左控制阀口（31），右控制阀芯（17）上环形槽的左端和控制阀套右环形槽（28）的右端构成右控制阀口（32）。

5.如权利要求1所述的一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，所述左压电环（1）驱动左控制阀芯（16）在控制阀套（18）内运动，从而改变左控制阀口（31）开度，右压电环（2）驱动右控制阀芯（17）在控制阀套（18）内运动，从而改变右控制阀口（32）开度。

6.如权利要求1所述的一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，所述左压电环（1）和右压电环（2）产生弯曲形变的同时也产生和其形变成比例的电压信号，通过自传感电路检测处理后反馈到控制器，以实现对左控制阀芯（16）和右控制阀芯（17）运动位移的自传感闭环控制。

7.如权利要求1所述的一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，来自于左控制阀口（31）或右控制阀口（32）油液驱动主阀芯（10）运动，并带动反馈杆（14）的下端运动，使得反馈杆（14）绕弹簧管（15）的中心旋转，反馈杆（14）的上端推动控制阀套（18）向左控制阀口（31）和右控制阀口（32）关闭的方向运动，当左控制阀口（31）和右控制阀口（32）完全关闭，主阀芯（10）停止运动，形成主阀芯（10）位置的闭环控制，使得主阀芯（10）的位移和左控制阀芯（16）和右控制阀芯（17）产生的位移成比例。

8.如权利要求1所述的一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，所述左输出杆（7）与左支撑座（3）螺纹连接并通过左调零螺母（5）锁紧，右输出杆（8）与右支撑座（4）螺纹连接并通过右调零螺母（6）锁紧，上述连接螺纹均为细牙，松开左调零螺母（5）或右调零螺母（6），从而实现旋转左输出杆（7）、右输出杆（8）使得左控制阀芯（16）和右控制阀芯（17）移动，完成控制阀的零位调节。

9.如权利要求1所述的一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，所述反馈杆（14）两末端为球体，上端穿过弹簧管（15）的内孔与控制阀套（18）构成球铰连接，弹簧管（15）安装在控制阀体（19）中线上，反馈杆（14）的下端与主阀芯（10）构成球铰连接，所述主阀芯（10）位于主阀套（9）内，两者间隙配合，所述主阀套（9）位于主阀体（13）内，两者过盈配合。

10.如权利要求1所述的一种双压电环自传感弯驱型两级滑阀式电液伺服阀，其特征在于，所述反馈杆（14）上端到其旋转中心的距离要大于下端到旋转中心的距离，使得主阀芯（10）位移大于左控制阀芯（16）和右控制阀芯（17）位移。