本發(fā)明屬于球閥控制，具體涉及一種電液驅(qū)動(dòng)的低扭矩球閥及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、球閥被廣泛應(yīng)用于各類流體的管道運(yùn)輸，大口徑球閥一般用于長距離管道輸送或工業(yè)管路總線，工作環(huán)境具有壓力高、流量大的特點(diǎn)，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使用壽命，啟閉運(yùn)動(dòng)性能及密封安全性都有較高的要求。

2、目前市場上球閥多為手動(dòng)或電動(dòng)球閥，手動(dòng)大口徑球閥在開啟與關(guān)閉時(shí)，需要承受大重量閥芯球體帶來的較大摩擦力，除了機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的阻力以外，管道內(nèi)的高壓、大流量流體在閥芯開啟關(guān)閉時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的阻力。為克服這些阻力，需要較大的機(jī)械減速機(jī)構(gòu)或多人共同操作來實(shí)現(xiàn)，因此，機(jī)構(gòu)執(zhí)行效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，大口徑球閥常安裝的環(huán)境較為惡劣，工人較難實(shí)施啟閉工作。球閥頻繁啟閉過程中，閥芯相對于閥體摩擦力較大造成的損壞，嚴(yán)重影響球閥的使用壽命。

3、對于通過電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的球閥，在大口徑管道的場合，需要更大功率的電機(jī)和相匹配的電力供應(yīng)，大大提高了動(dòng)力源的成本，較高的電流也增加了安全隱患，同時(shí)自潤滑性不佳，產(chǎn)品壽命較短，維修維護(hù)成本較高。傳統(tǒng)球閥為封閉結(jié)構(gòu)，較難實(shí)現(xiàn)對球閥開度的精確控制，同時(shí)球閥快速開啟或關(guān)閉閥門會(huì)引起水錘效應(yīng)，導(dǎo)致管道內(nèi)壓力急劇變化，也可能導(dǎo)致球閥的損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的啟閉時(shí)閥芯與閥座相對摩擦較大，使得啟閉扭矩較大、影響球閥啟閉效率的缺陷，提供了一種能夠變形的閥芯單元，能夠保證球閥啟閉扭矩較小的同時(shí)，又能保證密封性的電液驅(qū)動(dòng)的低扭矩球閥及其控制方法。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

3、作為第一個(gè)方面，一種電液驅(qū)動(dòng)的低扭矩球閥，包括：閥體單元、安裝在所述閥體單元內(nèi)部的閥芯單元、對稱安裝在所述閥芯單元兩側(cè)的閥座單元、相對安裝在所述閥體單元上的上支撐座和下支撐座、以及安裝在所述上支撐座上用于帶動(dòng)所述閥芯單元在所述閥體單元內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的閥桿驅(qū)動(dòng)單元；

4、所述閥芯單元包括與所述閥桿驅(qū)動(dòng)單元輸出端同軸設(shè)置的球體固定部、與所述球體固定部兩側(cè)均通過變形機(jī)構(gòu)配合連接的兩球體活動(dòng)部以及開設(shè)在所述球體固定部上的閥孔；

5、當(dāng)閥處于關(guān)閉或開啟狀態(tài)時(shí)，兩所述變形機(jī)構(gòu)處于伸展?fàn)顟B(tài)，所述球體活動(dòng)部與對應(yīng)的所述閥座單元貼合，所述球體活動(dòng)部與所述閥體單元密封；

6、當(dāng)閥需要關(guān)閉/開啟轉(zhuǎn)換時(shí)，兩所述變形機(jī)構(gòu)均處于收縮狀態(tài)，所述球體活動(dòng)部與對應(yīng)的所述閥座單元脫離，兩所述球體活動(dòng)部與所述球體固定部合并成一個(gè)球體結(jié)構(gòu)。

7、進(jìn)一步地，所述變形機(jī)構(gòu)包括：

8、固定設(shè)置在所述球體固定部與所述球體活動(dòng)部配合面上的配合臺；

9、若干變位液壓缸，所述變形液壓缸的固定端圓周陣列在所述配合臺上，其伸縮端與所述球體活動(dòng)部固定連接；

10、若干導(dǎo)向平鍵，固定安裝在所述配合臺的邊緣上；

11、若干導(dǎo)向槽，開設(shè)在所述球體活動(dòng)部與所述球體固定部相對的配合面上，且所述導(dǎo)向槽與所述導(dǎo)向平鍵一一對應(yīng)配合；

12、密封組件，設(shè)置在所述球體活動(dòng)部和所述球體固定部的圓形配合邊緣，用于對所述球體活動(dòng)部和球體固定部之間的密封。

13、進(jìn)一步地，所述閥桿驅(qū)動(dòng)單元包括：

14、第一安裝架，固定安裝在所述上支撐座上；

15、機(jī)械傳動(dòng)組件，安裝在所述第一安裝架上；

16、閥桿，所述閥桿的首端與所述驅(qū)動(dòng)組件的輸出端同軸設(shè)置，所述閥桿的末端穿過所述閥體單元，與所述球體固定部固定安裝；所述閥桿與所述閥體單元轉(zhuǎn)動(dòng)密封連接；

17、電液控制驅(qū)動(dòng)單元，與所述機(jī)械傳動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)連接，用于對所述機(jī)械傳動(dòng)組件電液驅(qū)動(dòng)控制。

18、進(jìn)一步地，所述機(jī)械傳動(dòng)組件包括安裝在所述第一安裝架上的齒輪箱、安裝在所述齒輪箱內(nèi)的主動(dòng)齒輪以及與所述主動(dòng)齒輪外嚙合連接的從動(dòng)齒輪；

19、所述閥桿通過閥桿接頭與所述從動(dòng)齒輪同軸設(shè)置；所述電液控制驅(qū)動(dòng)單元的輸出端帶動(dòng)所述主動(dòng)齒輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

20、進(jìn)一步地，所述閥桿驅(qū)動(dòng)單元還包括手動(dòng)控制單元，所述手動(dòng)控制單元包括安裝在所述機(jī)械傳動(dòng)組件上的支撐架、安裝在所述支撐架上的蝸桿、與所述蝸桿配合傳動(dòng)連接的蝸輪以及與所述蝸桿輸入端固定安裝的手輪；

21、所述蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與所述從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線一致；所述蝸輪的旋轉(zhuǎn)軸與所述從動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)軸之間設(shè)置有離合器；所述離合器通過撥叉組件控制所述蝸輪旋轉(zhuǎn)軸與所述從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)軸之間的離合。

22、進(jìn)一步地，所述電液控制驅(qū)動(dòng)單元包括固定安裝在所述第一安裝架上的箱體、安裝在所述箱體內(nèi)的液壓控制回路；所述液壓控制回路包括油箱、補(bǔ)油泵站、蓄能器、液壓馬達(dá)、液壓泵、閥塊、第一單向閥、第二單向閥、二位三通換向閥、第一溢流閥、第二溢流閥、第三溢流閥、手動(dòng)換向閥以及分別設(shè)置在液壓馬達(dá)兩液路中的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器；所述閥塊與所述液壓馬達(dá)液路連通，所述第一單向閥、第二單向閥、二位三通換向閥、第一溢流閥、第二溢流閥均安裝在所述閥塊上；所述伺服電機(jī)的輸出軸與所述液壓泵的輸入端同軸設(shè)置，所述液壓泵與所述液壓馬達(dá)液路連通，所述液壓馬達(dá)通過所述機(jī)械傳動(dòng)組件與所述閥桿單元驅(qū)動(dòng)連接；

23、所述液壓泵的a出油口與第一單向閥的出油口b、第一壓力傳感器、第二溢流閥的出油口a、第一溢流閥的進(jìn)油口p、手動(dòng)換向閥的p油口以及液壓馬達(dá)的a進(jìn)油口均液路連通；所述液壓泵的b出油口與第二單向閥的出油口b、第二壓力傳感器、第二溢流閥的進(jìn)油口p、第一溢流閥的出油口a、手動(dòng)換向閥的a油口以及液壓馬達(dá)的b進(jìn)油口均液路連通；

24、所述補(bǔ)油泵站的出油口a與第一單向閥和第一單向閥的進(jìn)油口a連通，同時(shí)和蓄能器的a進(jìn)油口、第三溢流閥p油口、二位三通電磁閥的進(jìn)油口p相連；所述二位三通電磁閥的卸油口t與油箱連通，出油口a與變形機(jī)構(gòu)中的變位液壓缸的進(jìn)油口a相連；

25、進(jìn)一步地，還包括用于對所述電液控制驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算控制的控制模塊、用于對所述閥桿驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)角度采集的第一編碼器、用于檢測所述伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的第二編碼器以及用于提供電能的直流電源。

26、作為第二個(gè)方面，根據(jù)上述所述的一種電液驅(qū)動(dòng)的低扭矩球閥的控制方法，包括以下步驟：

27、s1.故障判斷，初始化操作；即判斷矩球閥是否存在故障，并對所述球閥進(jìn)行初始化操作；

28、s2.數(shù)據(jù)采集與當(dāng)前球閥的開度計(jì)算；即將電液控制驅(qū)動(dòng)單元中的元器件信號數(shù)據(jù)基于canopen協(xié)議通過can網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至控制模塊，所述控制模塊對所述閥桿組件的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換計(jì)算，獲得球閥當(dāng)前的開度數(shù)值；

29、s3.手動(dòng)/自動(dòng)模式的判斷，即通過手動(dòng)換向閥的通斷判斷運(yùn)行模式；若手動(dòng)換向閥處于閉合狀態(tài)，則控制模塊判斷為手動(dòng)模式；若手動(dòng)換向閥處于打開狀態(tài)，則控制模塊設(shè)定為自動(dòng)模式；

30、s4.根據(jù)步驟s3中的判斷結(jié)果，對球閥進(jìn)行開度控制操作；

31、s5.當(dāng)自動(dòng)模式時(shí)，控制模塊控制所述球體活動(dòng)部收回，直至兩所述球體活動(dòng)部收回到設(shè)定位置；

32、s6.計(jì)算所述液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的指定位置數(shù)據(jù)，即根據(jù)球閥當(dāng)前的開度數(shù)值和指定開度，計(jì)算所述液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的指定位置數(shù)據(jù)；

33、s7.球閥所在管道內(nèi)壓的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，即對伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行貼合速度調(diào)節(jié)值控制，通過調(diào)整所述閥芯單元的啟閉速度對球閥所在管道進(jìn)行管道內(nèi)壓的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)；

34、s8.球閥開度達(dá)到指定開度，移動(dòng)球閥伸出，球閥操作完成。

35、具體地，所述步驟s5至s7，可替換為手動(dòng)模式，所述手動(dòng)模式包括以下操作：

36、a1.打開手動(dòng)換向閥，液壓控制回路處于回流狀態(tài)；

37、a2.手動(dòng)操作撥叉組件，將離合器與機(jī)械傳動(dòng)組件的輸出軸聯(lián)接；

38、a3.旋轉(zhuǎn)手輪,通過所述閥桿驅(qū)動(dòng)單元帶動(dòng)所述閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，對球閥的啟動(dòng)關(guān)閉手動(dòng)控制。

39、具體地，步驟s7中的所述球閥所在管道內(nèi)壓的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)包括以下內(nèi)容：

40、h1.經(jīng)過理論換算得到液壓馬達(dá)的設(shè)定圈數(shù)脈沖信號值qs與通過所述第一編碼器檢測到的實(shí)際圈數(shù)脈沖信號值qr做差后得到差值δq；

41、h2.對上述差值δq通過所述控制模塊中的模糊pid位置控制器的控制參數(shù)運(yùn)算獲得輸出值，伺服電機(jī)根據(jù)所述輸出值旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)到指定位置，通過第一編碼器實(shí)時(shí)反饋實(shí)際測量到的圈數(shù)脈沖信號qr，直到實(shí)際旋轉(zhuǎn)圈數(shù)到達(dá)設(shè)定球閥開度對應(yīng)的圈數(shù)脈沖信號qs，則停止；

42、h3.判斷球閥啟閉過程中的壓力波動(dòng)，即控制模塊采集系統(tǒng)中第一壓力傳感器和第二壓力傳感器的數(shù)據(jù)，將得到的壓力模擬信號量p對時(shí)間δt求導(dǎo)，得到液路壓力負(fù)載相對時(shí)間的變化值δp，當(dāng)檢測到變化值δp超出穩(wěn)壓范圍值時(shí)，即判斷閥門啟閉過程中出現(xiàn)了壓力波動(dòng)；

43、h4.計(jì)算伺服電機(jī)的速度調(diào)節(jié)值，將變化值δp與設(shè)定值做差得出的差值，通過壓差降速公式得出速度調(diào)節(jié)值；

44、h5.通過所述控制模塊中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)速度調(diào)節(jié)值，調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度v，直到負(fù)載壓力變化值回歸至穩(wěn)壓范圍值內(nèi)，球閥所在管道內(nèi)壓的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)完成。

45、本發(fā)明的一種電液驅(qū)動(dòng)的低扭矩球閥及其控制方法的有益效果是：

46、本發(fā)明低扭矩球閥中的閥芯單元將閥芯球體設(shè)置為與閥桿驅(qū)動(dòng)單元輸出端同軸設(shè)置的球體固定部和與球體固定部兩側(cè)配合連接的兩個(gè)球體活動(dòng)部，兩個(gè)球體活動(dòng)部通過變形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與球體固定部之間的脫離或結(jié)合，即兩個(gè)球體活動(dòng)部與球體固定部之間設(shè)置一定的可移動(dòng)位移，當(dāng)閥需要關(guān)閉/開啟轉(zhuǎn)換時(shí)，兩變形機(jī)構(gòu)均處于收縮狀態(tài)，球體活動(dòng)部與對應(yīng)的閥座單元脫離，兩球體活動(dòng)部與球體固定部合并成一個(gè)球體結(jié)構(gòu)，使得閥芯單元與閥座單元脫離，減少閥芯單元與閥座單元旋轉(zhuǎn)時(shí)的相對摩擦力，即減小球閥啟閉過程中的巨大扭矩，解決了現(xiàn)有技術(shù)中球閥頻繁啟閉過程中，閥芯相對于閥體摩擦力較大造成的損壞、啟閉阻力較大、勞動(dòng)力較大的問題，在大大降低啟閉扭矩的同時(shí)，保證了球閥的使用壽命。

47、本發(fā)明將手動(dòng)控制單元與電液控制驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行巧妙融合，兩者采用同一個(gè)閥桿驅(qū)動(dòng)單元對閥芯單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，相對于現(xiàn)有技術(shù)中的球閥結(jié)構(gòu)，既能實(shí)現(xiàn)球閥的自動(dòng)化控制，又有效的減少了球閥驅(qū)動(dòng)部分的體積，解決了現(xiàn)有技術(shù)中球閥控制成本高、體積龐大、維護(hù)成本高的問題。本發(fā)明球閥的控制方法，利用電液控制驅(qū)動(dòng)單元中的高壓路和低壓油路中的壓力差值與設(shè)定的穩(wěn)定壓力值作對比，判斷球閥所在管道內(nèi)的壓力波動(dòng)情況，采用能夠?qū)﹂y芯單元旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行閉環(huán)控制的電液控制驅(qū)動(dòng)單元，通過控制球閥的啟閉速度，實(shí)現(xiàn)對于管道內(nèi)流量的控制，減少球閥快速啟閉過程中液路內(nèi)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊力，保證管道壓力的壓力穩(wěn)定性。