基于閥芯雙自由度的二維力反饋式電液伺服閥的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電液伺服控制元件領(lǐng)域，尤其是一種基于閥芯雙自由度的二維力反饋式電液伺服閥。
【背景技術(shù)】
[0002]電液伺服控制技術(shù)自四十年代出現(xiàn)以來，便以其功率重量比高、輸出力(力矩)大和靜動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異等顯著特點(diǎn)在機(jī)電傳動(dòng)與控制技術(shù)中占據(jù)了高端位置，重點(diǎn)應(yīng)用于航空航天、軍用武器、船舶、大型電站、鋼鐵、材料試驗(yàn)機(jī)和振動(dòng)臺(tái)等各種關(guān)鍵場(chǎng)合，從而被視為各國(guó)工業(yè)的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力。而作為核心控制元件的電液伺服閥，則對(duì)整個(gè)電液伺服系統(tǒng)的性能起著決定性的影響作用，歷來是流體傳動(dòng)及控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
[0003]為了有效克服液動(dòng)力從而獲得理想的靜動(dòng)態(tài)特性，人們通常將伺服閥設(shè)計(jì)成導(dǎo)控式的多級(jí)結(jié)構(gòu)。在眾多的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新之中，基于閥芯雙運(yùn)動(dòng)自由度的方法獨(dú)樹一幟，其基本思想如下:一般的滑閥閥芯具有徑向旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)兩個(gè)自由度，且不相互干涉，因而可以用這兩個(gè)自由度分別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)控級(jí)和功率級(jí)的功能，考慮到滑閥閥口的面積梯度可以做的很大，且閥芯在閥孔中也較容易與端蓋等配合形成敏感腔，一般可用閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)控級(jí)的功能，而用直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)功率級(jí)的開口。以上即為基于閥芯雙自由度的二維流量放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，最早由阮健等在哈爾濱工業(yè)大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)提出。
[0004]阮健等基于該原理提出了一種位置直接反饋式二維電液伺服閥，通過開設(shè)在閥套內(nèi)表面的一對(duì)螺旋槽和閥芯外圓面的一對(duì)高低壓孔相交面積構(gòu)成的液壓阻力半橋來控制敏感腔的壓力，當(dāng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器帶動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閥套上螺旋槽和閥芯上高低壓孔構(gòu)成的弓型節(jié)流口面積差動(dòng)變化，導(dǎo)致閥芯兩端液壓力失去平衡而軸向移動(dòng)，在此過程中閥芯位移又反饋給螺旋槽和高低壓孔構(gòu)成的弓型節(jié)流口面積，最終使其逐漸趨向于相等，此時(shí)閥芯停止移動(dòng)并處于新的平衡位置?？梢钥吹皆撻y的液壓放大部分自行閉環(huán)反饋，因此實(shí)質(zhì)上為兩級(jí)的位置直接反饋式伺服閥。該閥的主要優(yōu)點(diǎn)是將原本分立的導(dǎo)控級(jí)和功率級(jí)合二為一，集成于單個(gè)閥芯上，不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，而且閥的抗污染能力得到了極大的提高。然而該閥也存在問題:主要是其閥套上的空間螺旋槽結(jié)構(gòu)一般需要三軸以上的進(jìn)口電火花機(jī)床才能加工，成本較高，且加工效率很低，同時(shí)由于其處于閥套內(nèi)表面，加工精度難于保證，檢測(cè)時(shí)也較為困難。
[0005]除了位置直接反饋式以外，常用的電液伺服閥還有位移-力矩反饋式(一般簡(jiǎn)稱為位移-力反饋式或者力反饋式)。傳統(tǒng)的力反饋式電液伺服閥(如流行的噴嘴擋板閥和射流管閥等)，其閥芯行程和流量大小與力反饋系數(shù)成反比，增大閥芯的行程和流量勢(shì)必使得伺服閥的動(dòng)態(tài)性能變差，因而大多在100L/min以下的場(chǎng)合使用，結(jié)構(gòu)上不適合作為大流量的伺服閥，如要實(shí)現(xiàn)大流量控制，則必須要采用更加復(fù)雜、成本更高的三級(jí)閥結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服已有的位置直接反饋式二維電液伺服閥存在的閥套內(nèi)表面空間螺旋槽結(jié)構(gòu)加工成本高，精度難于保證，且加工效率低，以及傳統(tǒng)的力反饋式電液伺服閥難于應(yīng)用于高壓大流量場(chǎng)合的不足.本實(shí)用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本低、適合高壓大流量場(chǎng)合使用的二維力反饋式電液伺服閥。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:
[0008]基于閥芯雙自由度的二維力反饋式電液伺服閥，其特征在于:包括斜翼式力矩馬達(dá)和液壓放大機(jī)構(gòu)；
[0009]斜翼式力矩馬達(dá)由上軛鐵16、下軛鐵22、銜鐵19、第一永磁體29、第二永磁體30、第一彈簧桿17、第二彈簧桿31、第一線圈18、第二線圈21組成；上軛鐵16、下軛鐵22及銜鐵19均為導(dǎo)磁體；第一永磁體29、第二永磁體30分別對(duì)稱放置于上軛鐵和下軛鐵外側(cè)，用來提供極化磁勢(shì)；第一線圈18、第二線圈21分別對(duì)稱纏繞于上軛鐵和下軛鐵內(nèi)側(cè)，用來提供控制磁勢(shì)；第一彈簧桿17、第二彈簧桿31作為彈性元件分別穿進(jìn)銜鐵19上下脊面的兩個(gè)小孔并與其固連，其球頭端則分別可活動(dòng)地插入上軛鐵16和下軛鐵22的球窩中，銜鐵19直接和閥芯27固連并由此被保持在馬達(dá)的中位；
[0010]銜鐵19由水平設(shè)置的中心軸和兩側(cè)翼面構(gòu)成，兩側(cè)翼面、上軛鐵16和下軛鐵22的極靴表面與水平面之間有傾斜角，以垂直于水平面、豎直向上的軸為Z軸，左右翼面呈以Z軸為中心軸的180°陣列特征，其中左翼面圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°后，剛好和右翼面重合；上軛鐵16和下軛鐵22的左右極靴表面也是呈以Z軸為中心軸的180°陣列特征；左翼面插入到上軛鐵16和下軛鐵22的左極靴表面之間，三者相互平行并形成左上工作氣隙和左下工作氣隙；右翼面插入到上軛鐵16和下軛鐵22的右極靴表面之間，三者相互平行并形成右上工作氣隙和右下工作氣隙；四個(gè)工作氣隙的高度相同；
[0011]液壓放大部分包括閥芯27、閥套11、閥體6、后蓋板1、右塞環(huán)25、同心環(huán)13、堵頭3 ;閥芯27與閥套11、后蓋板1配合構(gòu)成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的閥芯27左端臺(tái)肩表面上開設(shè)有兩對(duì)軸對(duì)稱的高低壓槽a和b，閥桿上還開有過流孔c和d，高壓槽a、過流孔c和過流孔d通過開設(shè)于閥芯內(nèi)部的過流通道相連接，低壓槽b則直接和回油口連接；閥芯27裝于閥套11中，閥套11和閥體6之間通過0型密封圈密封；閥芯27上裝有同心環(huán)13和右塞環(huán)25以保證閥芯27、閥套11和閥體6之間的定位；閥套11的內(nèi)表面上開設(shè)有一對(duì)軸對(duì)稱的直槽感受通道f，感受通道的一端和敏感腔h相通，另一端與高低壓槽a和b構(gòu)成阻力半橋，阻力半橋通過感受通道f控制敏感腔h內(nèi)的壓力；
[0012]所述的斜翼式力矩馬達(dá)連接到閥體6的一端，所述的銜鐵19的中心軸與閥芯27的中心軸位于同一直線上。
[0013]四個(gè)工作氣隙高度的變化不僅受到銜鐵19轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，同時(shí)也受到閥芯27軸向位移的影響，以此實(shí)現(xiàn)閥芯位移對(duì)力矩馬達(dá)的力反饋。不通電時(shí)馬達(dá)無力矩輸出，銜鐵位于中位；當(dāng)線圈18、21通電時(shí)，永磁體29、30的極化磁勢(shì)和線圈的控制磁勢(shì)在四個(gè)工作氣隙下相互差動(dòng)疊加，從而產(chǎn)生電磁力矩帶動(dòng)銜鐵19旋轉(zhuǎn)，直到電磁力矩與彈簧桿17、31的反力矩相互平衡，銜鐵19停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)銜鐵19的輸出力矩與控制電流成正比，調(diào)節(jié)電流大小便可控制銜鐵19的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)銜鐵19有軸向位移時(shí)，銜鐵19和上下軛鐵16、22的極靴之間的氣隙高度又發(fā)生變化，使得作用在銜鐵19上的合力矩失去平衡，從而帶動(dòng)銜鐵19和閥芯27在移動(dòng)過程中同時(shí)作反向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到銜鐵19和上下軛鐵16、22的極靴之間的氣隙高度恢復(fù)到原值。在上述過程中，閥芯27的軸向位移是通過銜鐵19的氣隙變化來使得銜鐵19輸出的電磁力矩發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)位移-力反饋的。
[0014]阻力半橋通過感受通道f控制敏感腔h內(nèi)的壓力，并由此控制閥芯兩端的壓力差。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在:1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低。本實(shí)用新型采用將銜鐵翼面和上下軛鐵極靴設(shè)計(jì)成以Z軸為中心軸的180°陣列特征的新型斜翼式力矩馬達(dá)作為電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，在驅(qū)動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，還可以將閥芯位移反饋到銜鐵力矩上，從而構(gòu)成位移-力反饋機(jī)制。相比已有的位置直接反饋式二維伺服閥閥套內(nèi)表面的空間螺旋槽結(jié)構(gòu)，二維力反饋式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)明顯比較容易加工，且不需要高端加工設(shè)備，加工成本也較低；2.適合高壓大流量控制。對(duì)于傳統(tǒng)的通過彈性反饋桿實(shí)現(xiàn)力反饋的電液伺服閥而言(比如噴嘴擋板閥和射流管閥)，增大反饋桿的剛度可以提高力矩馬達(dá)的固有頻率，從而提高伺服閥的動(dòng)態(tài)特性，但卻使閥芯的行程減小，流量降低；而在保持閥的流量不變，即反饋系數(shù)不變的情況下，可以通過增大彈簧管剛度等措施使力矩馬達(dá)的總剛度得以增加，從而提高力矩馬達(dá)的固有頻率，但開環(huán)增益卻因此減小，理論上可以通過增大噴嘴直徑來增加導(dǎo)控級(jí)噴嘴-擋板閥的流量增益，從而補(bǔ)償開環(huán)增益的減小，但是增大噴嘴直徑將使導(dǎo)控級(jí)的泄漏流量增大，以及使得作用于擋板上的液流阻力矩增加，因而在實(shí)際中并不可行。而本實(shí)用新型提出的力反饋式二維伺服閥可以很方便地通過減小斜翼式力矩馬達(dá)的銜鐵和軛鐵傾角來增加閥芯的行程和流量，由此而減小的開環(huán)增益則通過增加高低壓矩形槽的軸向?qū)挾?面積梯度)從而增大導(dǎo)控級(jí)的流量增益來加以補(bǔ)償，所以不會(huì)造成伺服閥動(dòng)態(tài)性能的下降，從而適合在高壓大流量場(chǎng)合的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0016]圖1為二維力反饋式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0017]圖2為二維力反饋式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)后視圖。
[0018]圖3為斜翼式力矩馬達(dá)銜鐵的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4(a)和4(b)為斜翼式力矩馬達(dá)上軛鐵的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5(a)和5(b)為斜翼式力矩馬達(dá)下軛鐵的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖6為斜翼式力矩馬達(dá)第一彈簧桿的結(jié)構(gòu)示意圖；第二彈簧桿的結(jié)構(gòu)與其完全相同。
[0022]圖7為二維力反饋式電液伺服閥閥套的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖8為二維力反饋式電液伺服閥閥芯的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖9為二維力反饋式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖10(a)、10(b)和10(c)為二維力反饋式電液伺服閥的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
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