一种高水基比例方向阀及工作方法

技术领域

本发明涉及一种高水基比例方向阀及工作方法，属于液压阀领域。

背景技术

水液压传动技术由于其绿色、安全、环保，同时兼具功率密度大，功率输出大的优点，在食品工程，煤矿液压支架等行业被广泛应用，水液压阀作为水液压领域的关键元件之一，受到广泛的关注。

比例方向阀兼具比例与换向的功能，既可以控制液流的方向，又可以控制流量的大小。先导型水液压数字比例方向阀(CN 102121487)采用PCM先导控制，控制简单，主阀流量大，抗污染干扰能力强，可是由于其主阀采用三位四通的滑阀，会造成主阀泄露严重。电液控比例换向阀(CN 113586108 A)提出了一种支架用的比例方向阀，其主阀采用锥阀的形式，能够很好地适用于高水基的应用场景，可是其结构复杂，装配的零件数目多，难以保证其可靠性。

因此，在满足高水基介质的应用工况下并且能够稳定地实现比例控制与换向功能，是水液压技术领域亟待解决的问题

发明内容

针对现有技术的不足之处，提供一种高水基比例方向阀及工作方法，其结构简单，使用方便，能够根据需要控制出液流量，能够同时进行比例控制与换向控制。

为了实现上述的目的，本发明的一种高水基比例方向阀，包括相互连接的先导级和主级，先导级为双音圈电机驱动双阀芯结构形式，主级为双阀芯的结构，利用先导级的双音圈电机控制双阀芯分别向主级的控制口供高水基液从而推动阀芯位移，最终通过控制主级的阀芯位移从而控制流量；

主级包括矩形结构的主级阀块，主级阀块内并排设有两个独立的双阀芯三通阀，主级阀块位于双阀芯三通阀顶部分别设有主阀A口和主阀B口，侧面设有两个双阀芯三通阀共用的主阀进水口和主阀回水口，主级阀块与先导级连接面上分别设有控制口Ⅰ和控制口Ⅱ；

主级阀块内设有用以容纳阀芯的三级阶梯通孔，三级阶梯通孔的最下方一级空间内设有安装套，安装套顶端设有用以安装阀芯的凹槽，凹槽下方设有多个与侧壁连通的通孔，通孔与阀芯周围的空隙形成环绕阀芯的控制腔，高压液通过控制腔后控制主级；双阀芯对应的两个控制腔分别通过在主级阀块上开设的控制口Ⅰ和控制口Ⅱ与先导A口与先导B口连通；所述的阀芯包括第一阀芯，第一阀芯包括上半部分和下半部分，其中下半部分外侧套有能够在第一阀芯外侧滑动的第二阀芯，第一阀芯的下半部分以及第二阀芯设置在安装套顶部的凹槽内；第一阀芯的上半部分内部设有通孔，通孔端部位于第二阀芯上开有圆周方向的通孔，第一阀芯上半部分的终端外侧设有台肩，台肩与三级阶梯通孔侧壁之间设有使第一阀芯能够中置的主级阀座，其中主级阀座的下边缘与安装套的顶部边缘扣合形成回流腔，安装套的顶部与主级阀块内壁之间留有环绕腔体，环绕腔体与主阀回油口连接，安装套上开有多个与环绕腔体沟通的主阀T口，由于回油腔为圆环状结构并四周留有间隙，当高水基液先进入回油腔即可通过圆周方向排列的主阀T口使高水基流回水箱，第一阀芯能够沿着第二阀芯在回油腔移动，通过移动位置从而将所有主阀T口打开或者封闭；

三级阶梯通孔内位于主级阀座上方在第一阀芯上半部分的外侧套有主级阀套，主级阀套内设有阶梯通孔，主级阀套内阶梯通孔下粗上细，上部分细的通孔尺寸与第二阀芯匹配，下部分粗的通孔孔肩与第一阀芯的台肩上表面间设有复位弹簧紧紧将第二阀芯向主级阀座挤压，限制第二阀芯竖直方向的最大位移；第二阀芯顶部设有主阀阀套压紧二阀芯，主阀阀套的外侧与主级阀块内壁之间留设有环形腔体结构的进油腔，进油腔与主阀进水口连接，主阀阀套下摆周向设有多个与进油腔连接的主阀P口，由泵站从主阀P口压入的高水基液进入进油腔，再进入主级阀套的内部；

先导级通过调整先导A口或者先导B口的水压分别通过控制口Ⅰ和控制口Ⅱ调整两个第一阀芯在回油腔中的位置，从而影响主阀T口的开闭，主阀进水口和主阀回收口分别与两个双阀芯三通阀的主级P口以及主级T口连接。

进一步，主级阀套的下边缘向外扩展，主阀P口为开在下边缘向外扩展部分的倾斜的斜孔；安装套的上开口为向外扩展的结构，主阀T口为开在向外扩展部分的倾斜的斜孔；主级阀套的与主阀阀块顶部设有的内锥面匹配，从而限制阀套竖直方向的位置。

先导级包括两个并排设置的二位三通比例锥阀，包括并排设置的两个音圈电机，两个音圈电机均通过电机支撑座(2)连接有阀块，先导阀快外侧设有多个用以连接固定的固定螺栓(5)，所述阀块内并排开有两个腔体，两个腔体底部均通过端套平行设有两组相同的阀芯，两组相同的阀芯底部分别连接有两个位移传感器；

每组阀芯包括设置在上方的柱阀芯和下方的弹簧锥阀芯，其中柱阀芯与音圈电机之间通过定位套连接有用于传动的阀杆，柱阀芯与定位套之间设有阀垫；

柱阀芯包括上套、中套和阀座，其中上套中设有阀柱，阀柱上方通过定位套设有与音圈电机位置匹配的阀杆，中套设置在上套下方，中套与上套之间设有密封圈，阀座设置在中套下方；

弹簧锥阀芯包括被弹簧座紧压的锥阀芯、弹簧杆、弹簧受力座和密封圈压块，其中锥阀芯下端为圆柱体结构与弹簧杆(12)顶端的深孔连接在一起，以防止锥阀芯在运动中窜动；弹簧杆(12)内设有给弹簧座提供压力的复位弹簧，弹簧杆底部设置在弹簧受力座内，弹簧杆和弹簧受力座底部开有让移传感器探头通过的孔，孔与移传感器探头之间设有密封圈压块，阀块的腔体底部开口与位移传感器之间设有端套密封。

进一步，两组相同的阀芯的上套位置均设有互相连通的径向通孔，该径向通孔延伸出阀块构成回液用的先导T口；两组阀芯的弹簧杆位置处设有互相连通的径向通孔，该径向通孔延伸出阀块构成进液用的先导P口；两组阀芯的中套和阀座之间分别设有沟通阀块外部的两个径向通孔，两个径向通孔在阀块上构成先导A口和先导B口。

进一步，主级包括主级阀块，主级阀块为上下带内螺纹的形式连接固定；主级第一阀芯将第二阀芯下端包裹，并且第二阀芯的下端设有用于装密封圈的环形凹槽，有凹槽安装有O形圈，以防止控制口Ⅰ或控制口Ⅱ的高水基介质进入主阀T口，第一阀芯上设有凹槽安装有O形圈和挡圈，防止控制口Ⅰ或控制口Ⅱ的高水基介质进入主阀T口；安装套在环形槽的上下两侧均开有凹槽装有O型密封圈，防止高水基介质泄露，其底部外圆面有外螺纹，与阀块的内螺纹配合；并且其底部端面有开有两个孔，方便安装套的固定连接。

进一步，阀座通过凹槽安装有O形圈，避免高水基介质的外漏；阀套为中空的结构，其内部通过凹槽装有O形圈和挡圈，其内侧台肩作为复位弹簧的支撑面，其上部外圆面为锥面，与主级阀块的内锥面紧紧配合，并且其外部有凹槽装有O形圈；阀套的底部开有环形通孔，泵站的高水基介质可以通过此环形通孔进入阀内部；主级阀块的上部有内螺纹，方便管道的安装。主级阀块与先导阀块通过螺栓固定连接。

进一步，双阀芯三通阀在主级阀块内形成三个腔体，分别为进油腔，回油腔和控制腔，

进油腔为主级阀套与主级阀座内侧面组成的环形腔，泵站来的高水基液先通过主阀进水口进入进油腔，通过主阀P口进入阀的内部，进油腔为圆环状的体积，主阀P口圆周方向排列的6个口，这样可以保证只要主阀P口打开外部的高水基液就可以通过P口进入阀内部；

回油腔为主级阀座下部与安装套组成的环形腔，高水基液先进入回油腔，再通过主阀T口流回，最终通过主阀回水口流回油箱，主阀T口圆周方向排列的6个口，这从而保证只要主阀T口打开系统内部的高水基液就可以通过主阀T口流回水箱；

控制腔设置在安装套内并与凹槽底部连接，先导级控制第一阀芯开闭主阀T口，以及控制第二阀芯上通孔与进油腔导通的面积均通过控制腔内压力进行控制。

一种高水基比例方向阀的工作方法，其步骤如下：

当音圈电机未有收到动作指令时，先导锥阀芯受到复位弹簧的压力，紧紧压向阀座，此时先导阀口处于关闭状态，由于先导级包括两个并排设置的二位三通锥阀，此时主阀控制口的高水基液均通过先导T口流回液箱，此时主阀弹簧将第二阀芯压紧在安装套上，主阀阀芯处于关闭状态，系统的高水基介质仍可以通过主阀T口流回水箱；

当两个音圈电机中的一侧音圈电机收到动作指令时，收到动作指令的音圈电机推动阀杆向下运动，阀杆首先克服与阀柱之间留有的间隙，预留间隙允许先导级没有动作的时候，主阀控制口Ⅰ或主阀控制口Ⅱ的高水基液通过相互导通的先导A口或先导B口通过先导T口回水箱，当阀杆向下运动但还未与阀柱接触时，主阀控制口的高水基液通过先导A口或者先导B口进入先导级，再通过先导T口回到水箱；

随着阀杆继续向下运动时，阀杆和阀柱接触时，阀杆和阀柱封堵连接先导T口的通孔，此时高水基液进入主级的控制腔，高水基液的压力将第二阀芯顶起些许后将第一阀芯顶起，使第一阀芯封堵主阀T口，主阀一侧的控制口中的高水基液不能通过先导T口流回水箱，而此时主阀另一侧的控制口中的高水基液能通过先导T口流回水箱；

音圈电机继续通过阀杆推动阀柱向下运动，阀柱先克服与先导锥阀芯的间隙，随着阀柱位移的增大，最终阀柱顶开先导锥阀芯，当先导锥阀芯离开阀座时，先导锥阀芯和阀座之间产生允许液体通过的过流面积，先导级内的高水基液通过先导锥阀芯和阀座10的间隙流向主阀一侧的控制口，此时导致主阀一侧的控制口的压力增加，主阀另一侧的控制口处于和水箱连接的状态；

随着先导级的高水基液持续流入主阀一侧的控制口，从而导致主阀一侧控制口的压力增加，高水基液的压力克服主级复位弹簧的压力将第二阀芯顶起，使第二阀芯持续向上运动，最终第二阀芯上的通孔与进油腔连通，从而使主阀P口与第一阀芯的通孔形成一个过流面积，第一阀芯的通孔通过主阀P口与进油腔连通，同时主阀的回油通道保持关闭，来自泵站的高水基液可通过过流面积流向通过主阀A口或主阀B口流向负载；

不同的过流面积对应着不同的流量，同时对应着不同的先导压力，最终可以通过控制先导级的音圈电机实现对主阀流量的控制。

不同先导级的音圈电机位移，影响先导级内不同的过流面积，不同的过流面积对应着不同的流量，同时对应着不同的先导压力，从而影响进入主级控制口的高水基液进而影响控制口的压力，通过控制先导级的音圈电机即可实现对主阀流量的控制。

有益效果：本装置的先导级使用音圈电机，灵敏度高，推力大，控制精度高；先导级采用锥阀芯，流量的线性度好；主级采用双阀芯的形式，每一侧为二位三通比例阀，整体实现比例控制与方向控制的功能；因先导级与主级均为双阀芯的形式，每一个先导阀芯均对应一个主阀芯，这样消除了阀芯之间的联动关系，控制自由度高，更加节能；其结构简单，使用方便，能够根据需要控制出液流量，能够同时进行比例控制与换向控制。

附图说明

图1是本发明一种高水基比例方向阀先导级和主级进出水口的示意图；

图2-1是本发明一种高水基比例方向阀的先导级外形示意图；

图2-2是先导级的阀块开口示意图；

图3是本发明一种高水基比例方向阀的先导级未动作时的剖面图；

图4是本发明一种高水基比例方向阀的先导级动作时的剖面图；

图5是本发明主级的阀块开口示意图；

图6是本发明一种高水基比例方向阀未动作时先导级和主级剖面图；

图7是本发明一种高水基比例方向阀动作时先导级和主级剖面图；

图8是本发明一种高水基比例方向阀先导级和主级流道示意图；

图9是本发明一种高水基比例方向阀的主级爆炸图。

图中：1-音圈电机，2-电机支撑座，3-阀杆，4-定位套，5-固定螺栓，6-阀垫，7-上套，8-阀柱，9-中套，10-阀座，11-锥阀芯，12-弹簧杆，13-先导阀快，14-弹簧受力座，15-密封圈压块，16-端套，17-位移传感器，18-安装套，19-主级阀块，20-第一阀芯，21-第二阀芯，22-主级阀座，23-主级复位弹簧，24-主级阀套

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述：

如图1、图3和图6所示，本发明的一种高水基比例方向阀，包括先导级和主级，先导级为双音圈电机驱动双阀芯结构形式，主级由两个二位三通阀芯组成，利用先导级的双音圈电机控制双阀芯分别向主级的控制口供高水基液从而推动阀芯位移，最终通过控制主级的阀芯位移从而控制流量。

如图2-1、图2-2、图4、图5、图6所示，本发明的一种高水基比例方向阀，包括先导级和主级，先导级为双音圈电机驱动双阀芯的结构；主级为双阀芯的结构，每一个主阀芯均由第一阀芯和20第二阀芯21组成，每一个主阀芯均对应有一个控制口。利用先导级的双音圈电机控制双阀芯分别向主级的控制口供油，从而推动阀芯位移，最终通过控制第二阀芯21与主级阀套24上环形进油口的遮盖面积实现对流量的控制；

图3、图4和图6所示，先导级为两个二位三通比例锥阀，包括并排设置的两个音圈电机，两个音圈电机均通过电机支撑座2连接有阀块13，所述阀块13内并排开有两个腔体，两个腔体内平行设有两组阀芯，两组阀芯底部分别连接有两个位移传感器17；

组阀芯包括设置在上方的柱阀芯和下方的弹簧锥阀芯11，其中柱阀芯与音圈电机1之间通过定位套4连接有阀杆3用于传动，柱阀芯与定位套之间设有阀垫6；

柱阀芯包括上套7、中套9和阀座10，上套7中设有阀柱8，阀柱8上方通过定位套4设有与音圈电机1位置匹配的阀杆3，中套9设置在上套7下方，中套9与上套7之间设有密封圈，阀座10设置在中套9下方；

弹簧锥阀芯包括有被弹簧座紧压的锥阀芯11，弹簧座下方设有弹簧杆12，锥阀芯11下端为圆柱体形式与弹簧杆12顶端的深孔连接在一起，避免了锥阀芯11在运动中的窜动；弹簧杆12内设有给弹簧座提供压力的复位弹簧，弹簧杆11底部开有让移传感器17探头通过的孔，孔与移传感器17探头之间设有密封圈压块15，阀块13的腔体底部开口与位移传感器17之间设有端套密封；

其中两组阀芯的上套7位置设有互相连通的径向通孔，该径向通孔延伸出阀块构成回液用的T口；两组阀芯的弹簧杆12位置处设有互相连通的径向通孔，该径向通孔延伸出阀块13构成进液用的P口；两组阀芯的中套9和阀座10之间分别设有沟通阀块外部的两个径向通孔，两个径向通孔在阀块上构成A口和B口；

如图7、图8和图9所示，主级采用两个二位三通阀的形式，主级的阀芯由第一阀芯20与第二阀芯21组成，第二阀芯21的上端竖直方向有中空孔并且下端开有圆周方向的通孔；第一阀芯20与第二阀芯21均位于安装套18的凹槽内，安装套18开有圆周方向的通孔，并且与第二阀芯21的圆周通孔位置相对，安装套18的凹槽下有圆周方向的通孔，并且通过一段竖直孔沟通凹槽底部与安装套18外部的环形槽，此环形槽分别对应先导的A口或者B口；

复位弹簧23紧紧将第二阀芯21压向主级阀座22，主级阀座22的内孔为阶梯孔，限制了第二阀芯21竖直方向的最大位移；主级阀套24下端开有圆周方向排列的斜孔，上端外端面为锥形面，与主阀阀块19的内锥面配合，进而限制阀套24竖直方向的位置。

主级采用两个独立的两个三通阀，均位于主级阀块19，其共用主级的P口与T口；先导级通过调整A口或者B口的水压从而调整主阀第一阀芯20与安装套18中的位置，影响主级回液口的开闭及开闭程度。先导级通过调整A口或者B口的油压从而调整主阀第二阀芯21与阀套24中的位置，影响主级阀口的开闭及开闭程度。

音圈电机1通过支撑座2与阀块13连接在一起，其中音圈电机1和电机支撑座2、电机支撑座2与阀块13均通过螺栓固定连接；；定位套4与阀块13为螺纹连接；阀块13与定位套4留有一定的轴向间隙；阀垫6为聚甲醛或聚氨酯材料，降低和阀柱8接触时的冲击；阀杆3和定位套4采用O形圈密封；定位套4和阀块13、上套7和阀块13均为O形圈加挡圈的密封形式，提高承压能力；

阀柱8和上套7为动密封的形式，采用格莱圈密封；阀座10与阀块13采用O形圈进行密封；弹簧杆12与阀块13通过O形圈加挡圈的形式进行密封；弹簧杆12与弹簧座14的动密封采用格莱圈的形式，密封圈压块15用来压紧格莱圈；位移传感器17与弹簧杆接触，进而能够将锥阀芯11的位移能够在位移传感器17上读取出来；端套16外部的螺纹与阀块13配合连接，考虑到加工和安装的误差，阀块13与端套16留有一定的轴向间隙。

具体的主级包括主级阀块19，主级阀块19为上下带内螺纹的形式，进行连接固定；主级采用两个二位三通阀的形式，主级的阀芯由第一阀芯20与第二阀芯21组成，第一阀芯20位于第二阀芯21的外圆周面，并且第二阀芯21上有凹槽安装有O形圈，防止控制口的高水基介质进入T口，第一阀芯20上有凹槽安装有O形圈和挡圈，防止控制口的高水基介质进入T口；

第二阀芯21的上端竖直方向有中空孔并且下端开有圆周方向的通孔且其中部为变径结构，其作为安装复位弹簧23的支撑面。第一阀芯20与第二阀芯21均位于安装套18的凹槽内，安装套18开有圆周方向的通孔，并且与第二阀芯21的圆周通孔位置相对，安装套18的凹槽下有圆周方向的通孔，并且通过一段竖直孔沟通凹槽底部与安装套18外部的环形槽，此腔为控制腔，先导的高压液通过此腔形成对主阀的控制。

安装套18在环形槽的上下两侧均开有凹槽装有O型密封圈，防止高水基介质泄露，其底部外圆面有外螺纹，与阀块19的内螺纹配合；并且其底部端面有开有两个孔，方便安装套18的固定连接；

阀座22位于阀套24与安装套18之间，其外部有凹槽安装有O形圈，避免高水基介质的外漏；阀套24为中空的结构，其内部有凹槽装有O形圈和挡圈，其内侧台肩作为复位弹簧23的支撑面，其上部外圆面为锥面，与主级阀块19的内锥面紧紧配合，并且其外部有凹槽装有O形圈；阀套24的底部开有环形通孔，泵站的高水基介质可以通过此环形通孔进入阀内部；主级阀块19的上部有内螺纹，方便管道的安装。主级阀块19与先导阀块13通过螺栓固定连接。

具体的动作过程如下：

当音圈电机1没有收到动作指令时，先导锥阀芯11由于受到复位弹簧的压力，紧紧压向阀座10，此时先导阀口处于关闭状态，因先导级为两个二位三通锥阀，此时主阀控制口的高水基液均可以通过先导阀芯的T口流回液箱，此时主阀弹簧23将第二阀芯21压紧在安装套18上，主阀阀芯处于关闭状态，系统的高水基介质仍可以通过主阀的T口流回水箱。

当一侧音圈电机1收到动作指令时，首先音圈电机1推动阀杆3向下运动，阀杆3首先克服与阀柱8的余量间隙，余量间隙允许先导级没有动作的时候，主阀控制口的高水基液通过先导A口或B口流到先导级的T口回水箱，当阀杆4向下运动还未与阀柱8接触时，此时主阀控制口的高水基液通过先导A口或者B口进入先导级，再通过先导级的T口回到水箱；

随着阀杆3继续向下运动时，阀杆3和阀柱8接触时，阀杆3和阀柱8封堵连接T口的通孔，此时主阀一侧的控制口中的高水基液到水箱的回油通道处于关闭状态，主阀一侧的控制口中的高水基液不能通过先导级的T口流回水箱，而此时主阀另一侧的控制口中的高水基液能通过先导级的T口流回水箱；

阀杆3继续向下运动，阀柱8同时被阀杆3推着作向下的运动；

阀柱8先克服与锥阀芯11的间隙，随着阀柱8位移的增大，最终阀柱8顶开锥阀芯11，当锥阀芯11离开阀座时，锥阀芯11和阀座10之间产生允许液体通过的过流面积，先导级内的高水基液通过锥阀芯11和阀座10的间隙流向主阀一侧的控制口，此时导致主阀一侧的控制口的压力增加，主阀另一侧的控制口处于和水箱连接的状态；

随着先导级的高水基液持续流入主阀一侧的控制口，会导致主阀一侧控制口的压力增加，因为第一阀芯的底部受到此压力作用，随着压力的增大，第一阀芯会向上运动，最终会将主阀的回油通道关闭，此时系统的高水基液不能通过回油通道回到水箱。随着主阀一侧控制口的压力的持续增加，会使第二阀芯21克服弹簧23的弹力等外力使第二阀芯21向上运动；随着持续地向上运动，最终主阀的P口与第二阀芯21的肩台形成一个过流面积，来自泵站的高水基液可通过此过流面积流向负载；不同的过流面积对应着不同的流量，同时对应着不同的先导压力，最终可以通过控制先导级的音圈电机实现对主阀流量的控制。

不同先导级的音圈电机1位移，影响先导级内不同的过流面积，从而影响进入主级控制口的高水基液进而影响控制口的压力，最终会导致主阀芯的不同开口，完成对流量的比例控制。