一种高压大流量高水基插装式数字节流阀及控制方法

技术领域

本发明涉及一种高压大流量高水基插装式数字节流阀及控制方法，属于水压元件领域。

背景技术

当前的流量阀多以滑阀为阀芯，成本高、抗污染能力差，难以满足高压大流量的要求，而且在纯水和高水基的工况下泄漏严重。由于插装阀具有结构简单、泄漏少、通流能力大以及通用性好的特点，被广泛使用在铸锻冶金和矿山等高压大流量的领域。

目前的插装式流量阀还存在一定不足：电机驱动的插装流量伺服阀(CN103291678B)能够满足高压大流量的场合，但是由于其先导为滑阀在纯水的工况下会产生严重的泄漏；负载口独立控制的插装式水压数字节流阀（CN114593100A）采用步进电机加滚珠丝杠作驱动，导致结构复杂，引入更多非线性因素，以及由摩擦磨损带来死区和零点漂移。

也就是说现有技术中的流量阀，存在先导部分以及在用于先导部分驱动的难题，针对上述流量阀存在的问题，本申请以高速开关阀驱动两个两位两通球阀作先导，提出一种高压大流量高水基数字节流阀，该阀不仅结构简单、泄漏小、抗污染能力强，而且能够很好满足高压大流量高水基的工况。

发明内容

本发明提供一种高压大流量高水基插装式数字节流阀及控制方法，结构简单，泄露小，响应迅速同时抗污染能力强，能够满足高压大流量的工况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高压大流量高水基插装式数字节流阀，包括主阀和先导阀， 所述主阀包括主阀芯和主阀座，主阀芯嵌入主阀座内，且两者同轴布设；在主阀芯的中轴线上开设流道c，流道c靠近主阀芯入口处安装主阀芯阻尼孔，流道c的出口处安装主阀推杆，即主阀推杆的一端与主阀芯的顶部连接，主阀推杆的另一端外部罩设主阀弹簧调节螺母，位于主阀弹簧调节螺母与主阀芯顶部之间的主阀推杆上套设主阀弹簧；

在主阀芯靠近顶部位置的圆周壁向外凸出形成凸台，将主阀芯与主阀座之间的腔室由流道c入口至流道c出口方向分成主阀控制下腔和主阀控制上腔，高水基液由主阀芯入口处经过主阀芯阻尼孔、流道c以及主阀推杆流入主阀上腔，实现与主阀芯的压力平衡；

先导阀体与主阀连通，先导阀控制主阀控制下腔的压力，克服主阀弹簧力，进而控制主阀芯在主阀座内轴向的位移，实现主阀输出流量的调节；

作为本发明的进一步优选，主阀弹簧调节螺母朝向主阀推杆另一端的部分开设凹槽，主阀推杆的另一端嵌入凹槽内，主阀推杆的另一端与凹槽之间还设置主阀芯位移传感器，且主阀芯位移传感器通过螺纹与主阀弹簧调节螺母相连；主阀推杆一端与主阀芯的顶部通过螺纹连接；

作为本发明的进一步优选，所述先导阀包括两个结构相同的两位两通插装式球阀，分别为先导阀I和先导阀II，先导阀I和先导阀II通过螺纹插装在先导阀体内；

先导阀I或者先导阀II包括同轴布设的高速开关阀、上先导阀芯、上先导阀弹簧、球阀座、球阀芯、球阀复位座、球阀复位弹簧、先导插装阀体以及先导阀螺堵；

上先导阀芯同轴安装在先导插装阀体内，在上先导阀芯底端与先导插装阀体底部之间的空间内，球阀座和先导阀螺堵通过螺纹与先导插装阀体连接，在球阀复位座的底部同轴设置一个凸台，凸台内嵌入球阀复位弹簧，球阀复位弹簧与凸台同轴布设；先导阀螺堵顶部可滑动安装球阀复位座，球阀芯安装在球阀复位座顶端，且球阀芯能够在球阀复位座顶部滚动，球阀复位座在球阀复位弹簧的作用下抵在球阀座的锥面上，并形成线密封；

球阀座、球阀芯、球阀复位座以及先导阀螺堵所在的空间形成先导进油腔；

作为本发明的进一步优选，在球阀复位座的顶部开设梯形凹槽，球阀芯嵌入梯形凹槽内；

作为本发明的进一步优选，上先导阀芯的中间圆周壁向外凸出形成环形台，环形台的直径大于先导插装阀体中心孔的直径，上先导阀弹簧的一端由上先导阀芯的底端套设，即上先导阀弹簧的顶端与上先导阀芯环形台的底面贴合，上先导阀弹簧的另一端与球阀座顶部贴合；

在先导插装阀体内，上先导阀芯以及上先导阀弹簧所在的空间形成主阀控制腔；

作为本发明的进一步优选，在先导插装阀体内，上先导阀芯顶部与先导插装阀体之间的空间形成先导控制腔；

在先导插装阀体的顶部安装高速开关阀，高速开关阀的进油口与先导控制腔连通；

作为本发明的进一步优选，先导阀II的先导进油口通过流道e与先导阀II的先导进油腔相连；

先导阀II的主阀控制腔和流道d的一端相连，同时流道d的另一端与先导阀I的进油腔相连；

在先导阀II内，先导控制腔通过先导阻尼孔Ⅰ、流道i与先导进油腔相连；在先导阀I内，先导控制腔通过流道h、先导阻尼孔Ⅱ、流道j与先导阀II的先导进油腔相连；

先导阀II的主阀控制腔通过流道a与主阀控制下腔连通；先导阀I的主阀控制腔的一端通过流道b与主阀控制上腔连通，另一端通过流道f与先导回油口相连；

先导阀I高速开关阀的回油口、通过先导阀II高速开关阀的回油口均顺次通过流道g、流道f与先导阀的先导回油口相连；

一种基于所述高压大流量高水基插装式数字节流阀的控制方法，当数字节流阀处于无流量输出状态时，先导阀I和先导阀II的高速开关阀为常开，先导控制腔的高水基乳化液经高速开关阀流回乳化液箱，球阀芯在球阀复位弹簧的作用下抵在球阀座上，先导阀I和先导阀II处于关闭的状态；

主阀控制上腔和主阀控制下腔的压力都为零，主阀芯在主阀弹簧的作用下与主阀座贴合，主阀芯位移为零；

作为本发明的进一步优选，

当数字节流阀处于需要输出乳化液时，根据阀口流量和位移的关系，计算得到主阀芯开口的位移，并把该位移信号转换成先导阀I、先导阀II的高速开关阀的占空比信号，通过控制高速开关阀单个周期内开关时间所占的比例进而控制先导阀I、先导阀II的先导控制腔的压力，上先导阀芯在先导控制腔压力的作用下沿着中轴线向球阀芯方向移动，将球阀芯推开，乳化液从先导阀II的先导进油腔经过主阀控制腔，一部分流入到主阀控制下腔，另一部分经流道d、先导阀I的先导进油腔、主阀控制腔、流道f流回先导回油口，即回到乳化液箱；

通过控制先导阀II的高速开关阀的占空比控制流入到其主阀控制下腔乳化液量，控制先导阀I的高速开关阀的占空比控制从其主阀控制下腔流出的乳化液量，分别控制两个高速开关阀的占空比控制实际流入到匹配主阀控制下腔的乳化液量，进而控制匹配主阀控制下腔的压力，在该压力的作用下，主阀芯沿着中轴线向主阀推杆方向移动；

此时，主阀芯位移传感器测得的主阀芯位移信号与预期主阀芯的位移信号做比较控制，并将误差信号输入到控制器，精确控制主阀芯的位移；

作为本发明的进一步优选，

当数字节流阀的流量进行增加或者减少时，分别改变先导阀I、先导阀II的的高速开关阀的占空比，对先导阀I、先导阀II的球阀芯开度进行调整，进而控制主阀控制下腔的压力，使得主阀芯沿着中轴向方向移动，达到控制主阀位移的目的。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的高压大流量高水基插装式数字节流阀，其主阀为锥阀结构、先导阀及高速开关阀均为球阀结构，能够在高水基或者纯水介质下密封良好，无泄漏；

2、本发明提供的高压大流量高水基插装式数字节流阀，采用高速开关阀作为驱动，价格便宜，先导输出力大无需引入杠杆或者滚珠丝杠等机械结构，避免引入更多非线性因素，及其由摩擦磨损带来的零点漂移等问题；

3、本发明提供的高压大流量高水基插装式数字节流阀，主阀、先导阀以及先导阀驱动均采用插装式结构，输出流量大、结构紧凑、密封良好以及容易安装；

4、本发明提供的高压大流量高水基插装式数字节流阀，其先导阀采用两位两通阀结构简单、加工装配容易，控制算法简易，成本低；

5、本发明提供的高压大流量高水基插装式数字节流阀，其原理是采用两个两位两通球阀控制主阀控制下腔（主阀内对称的两个腔体，位于下方的定义为主阀控制下腔）压力实现主阀位移的控制，控制方法简单，响应速度较快。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的优选实施例的液压原理图；

图2是本发明提供的整体结构主视图的局部剖视图；

图3是本发明提供的图2中整体结构的A-A剖视图；

图4是本发明提供的图3中先导阀B-B剖视图；

图5是本发明提供的图3中先导阀C-C剖视图；

图6是本发明提供的先导阀被打开的过程示意图

图7是本发明提供的控制方法的原理图。

图中：1为主阀芯，2为主阀座，3为主阀体，4为主阀控制下腔，5为主阀控制上腔，6为流道a，7为流道b，8为主阀弹簧，9为主阀推杆，10为主阀芯位移传感器，11为主阀弹簧调节螺母，12为先导阀，13为流道c，14为主阀芯阻尼孔，15为先导阀I，16为先导阀II，17为流道d，18为流道e，19为流道f，20为先导阀体，21为流道g，22为高速开关阀，23为先导控制腔，24为上先导阀芯，25为上先导阀弹簧，26为主阀控制腔，27为球阀座，28为球阀芯，29为先导进油腔，30为球阀复位座，31为球阀复位弹簧，32为先导插装阀体，33为先导阀螺堵，34为流道h，35为先导阻尼孔Ⅰ，36为流道i，37为先导阻尼孔Ⅱ，38为流道j。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

在背景技术中，申请人指出当前的流量阀多以滑阀为阀芯的劣势，这是因为传统的以矿物油为介质的液压系统存在污染和易燃等问题，因此在食品加工、海水淡化、冶金、煤矿等领域逐渐用水液压代替油液压。但是水介质相对于矿物油来说粘度更低，容易泄漏，因此其控制阀只能用球阀和锥阀的结构，如果用滑阀就存在泄漏很严重，流量阀没有办法工作。那么本申请首要解决的就是控制主阀的泄露问题。

其次，由于在液压系统中直接控制主阀需要非常大的力，无法实现直接驱动，因此通过设置先导阀的措施，将功率放大，再由放大的功率来驱动主阀。那么先导阀的设置又称为重中之重，本申请接着要解决的就是在满足不泄露的前提下，选择合适的先导阀以同时方便操控。

针对第一个问题，本申请主阀采用的是对称缸插装式结构，即为图1所示本申请提供的液压原理图，其是一个锥阀，具有上下两个对称的控制腔，由于其密封性能好，因此能够使用在水液压系统上。针对第二个问题，现在市面上先导阀一般用高响应伺服阀来驱动主阀，高响应伺服阀都是滑阀，因此不能用在水液压系统上面，所以图1中本申请采用的先导阀12是两个两位两通常开式球阀，通过控制主阀控制下腔4的流量和压力，达到控制主阀位移的目的。

这里需要额外阐述的是，为何要选用两个两位通常开式球阀，通常先导阀最多是四个两位两通阀（或者两个两位三通阀，这两个方案原理上完全等价），用两个阀来控制主阀控制上腔5，两个阀来控制主阀控制下腔，进而实现主阀阀芯可以快速打开阀口和快速关闭阀口，虽然响应很快，但是也存在一些缺点，比如结构复杂，成本高，控制不太容易的问题，而本申请巧妙的地方在于，采用两个两位两通阀来直接控制主阀控制下腔和主阀弹簧8力配合，以此实现对主阀的控制，这样的设计方法使得阀的结构简单，控制容易，加工装配也得到大大简化。

接下来就是对本申请提供的优选实施例做一个详细阐述，图2是整个数字节流阀的主视图，包括主阀和先导阀， 所述主阀的主阀体3包括主阀芯1和主阀座2，主阀芯嵌入主阀座内，且两者同轴布设；在主阀芯的中轴线上开设流道c13，流道c靠近主阀芯入口处安装主阀芯阻尼孔14，流道c的出口处安装主阀推杆9，即主阀推杆的一端与主阀芯的顶部连接，主阀推杆的另一端外部罩设主阀弹簧调节螺母11，位于主阀弹簧调节螺母与主阀芯顶部之间的主阀推杆上套设主阀弹簧；

在主阀芯靠近顶部位置的圆周壁向外凸出形成凸台，将主阀芯与主阀座之间的腔室由流道c入口至流道c出口方向分成主阀控制下腔和主阀控制上腔，高水基液由主阀芯入口处经过主阀芯阻尼孔、流道c以及主阀推杆流入主阀上腔，实现与主阀芯的压力平衡；先导阀体与主阀连通，先导阀控制主阀控制下腔的压力，克服主阀弹簧力，进而控制主阀芯在主阀座内轴向的位移，实现流量的调节。

在主阀内，主阀弹簧调节螺母朝向主阀推杆另一端的部分开设凹槽，主阀推杆的另一端嵌入凹槽内，主阀推杆的另一端与凹槽之间还设置主阀芯位移传感器，且主阀芯位移传感器通过螺纹与主阀弹簧调节螺母相连；主阀推杆一端与主阀芯的顶部通过螺纹连接。

图3可以清楚的看出，本申请所述先导阀包括两个结构相同的两位两通插装式球阀，分别为先导阀I15和先导阀II16，先导阀I和先导阀II通过螺纹插装在先导阀体20内；图4所示，先导阀I或者先导阀II包括同轴布设的高速开关阀22、上先导阀芯24、上先导阀弹簧25、球阀座27、球阀芯28、球阀复位座30、球阀复位弹簧31、先导插装阀体32以及先导阀螺堵33；上先导阀芯同轴安装在先导插装阀体内，在上先导阀芯底端与先导插装阀体底部之间的空间内，球阀座和先导阀螺堵通过螺纹与先导插装阀体连接，在球阀复位座的底部同轴设置一个凸台，凸台内嵌入球阀复位弹簧，球阀复位弹簧与凸台同轴布设；先导阀螺堵顶部可滑动安装球阀复位座，在球阀复位座的顶部开设梯形凹槽，球阀芯嵌入梯形凹槽内，且球阀芯能够在球阀复位座顶部滚动，球阀复位座在球阀复位弹簧的作用下抵在球阀座的锥面上，并形成线密封；球阀座、球阀芯、球阀复位座以及先导阀螺堵所在的空间形成先导进油腔29。

上先导阀芯的中间圆周壁向外凸出形成环形台，环形台的直径大于先导插装阀体中心孔的直径，能够对上先导阀芯起到限位的作用；上先导阀弹簧的一端由上先导阀芯的底端套设，即上先导阀弹簧的顶端与上先导阀芯环形台的底面贴合，上先导阀弹簧的另一端与球阀座顶部贴合；在先导插装阀体内，上先导阀芯以及上先导阀弹簧所在的空间形成主阀控制腔26，这里在先导阀内形成的主阀控制腔是为了后续与主阀控制下腔连通，以控制主阀控制下腔的压力。

在先导插装阀体内，上先导阀芯顶部与先导插装阀体之间的空间形成先导控制腔23；

在先导插装阀体的顶部安装高速开关阀，高速开关阀的进油口与先导控制腔连通；这里需要解释一下，本申请中为何采用的是高速开关阀作为驱动，首先要知道阀芯是上下运动、是直线运动，针对这个，现有的驱动方案主要有三种：步进电机或伺服电机+滚珠丝杠或螺母副（电机输出旋转运动，然后被丝杠或者螺母变成直线运动，驱动阀芯）、音圈电机配合杠杆放大机构直接驱动先导阀芯（电机可以直接输出直线运动，不需要旋转变直线机构）、或者用高速开关阀控制（通过控制阀芯上腔的压力，来实现位移控制）。前两种方案，存在的较大问题是价格非常昂贵，音圈电机通常需要一万多，电机和滚珠丝杠通常需要两千多，同时，杠杆/滚珠丝杠等机械机构引入之后，系统因此存在摩擦磨损导致非线性增加、死区和零点漂移，同时惯量增加，导致相位滞后，电机还存在丢步的问题；而对比之下，高速开关阀仅需五百多，那么使用高速开关阀的话成本方面就得到了显著的降低，同时高速开关阀为数字阀的一种，具有成本低、功耗小、结构简单、工作可靠的特点，但是由于阀芯质量、液动力和频响之间的相互制约关系，始终受压力低、流量小的限制，因此常作为大流量阀的先导阀。

图3、图4结合图5所示，先导阀I、先导阀II以及主阀之间的流通关系如下：先导进油口P

最后本申请提供了基于所述高压大流量高水基插装式数字节流阀的控制方法，当数字节流阀处于无流量输出状态时，先导阀I和先导阀II的高速开关阀为常开，先导控制腔的高水基乳化液经高速开关阀流回乳化液箱，球阀芯在球阀复位弹簧的作用下抵在球阀座上，先导阀I和先导阀II处于关闭的状态；主阀控制上腔和主阀控制下腔的压力都为零，主阀芯在主阀弹簧的作用下与主阀座贴合，主阀芯位移为零。

图7是本申请调控方式中的核心原理图，当数字节流阀处于需要输出乳化液时，根据阀口流量和位移的关系，计算得到主阀芯开口的位移，并把该位移信号转换成先导阀I、先导阀II的高速开关阀的占空比信号，通过控制高速开关阀单个周期内开关时间所占的比例进而控制先导阀I、先导阀II的先导控制腔的压力，上先导阀芯在先导控制腔压力的作用下沿着中轴线向球阀芯方向移动，将球阀芯推开，乳化液从先导阀II的先导进油腔经过主阀控制腔，一部分流入到主阀控制下腔，另一部分经流道d、先导阀I的先导进油腔、主阀控制腔、流道f流回先导回油口，即回到乳化液箱；

通过控制先导阀II的高速开关阀的占空比控制流入到其主阀控制下腔乳化液量，控制先导阀I的高速开关阀的占空比控制从其主阀控制下腔流出的乳化液量，分别控制两个高速开关阀的占空比控制实际流入到匹配主阀控制下腔的乳化液量，进而控制匹配主阀控制下腔的压力（这里给出了图6是先导阀打开时的状态示意图），在该压力的作用下，主阀芯沿着中轴线向主阀推杆方向移动；此时，主阀芯位移传感器主阀芯位移传感器10测得的主阀芯位移信号与预期主阀芯的位移信号做比较控制，并将误差信号输入到控制器，精确控制主阀芯的位移。

当数字节流阀的流量进行增加或者减少时，分别改变先导阀I、先导阀II的的高速开关阀的占空比，对先导阀I、先导阀II的球阀芯开度进行调整，进而控制主阀控制下腔的压力，使得主阀芯沿着中轴向方向移动，达到控制主阀位移的目的。

通过上述阐述可知，本申请提供的高压大流量高水基插装式数字节流阀及控制方法，不仅具有结构简单、泄漏小、响应迅速以及抗污染能力强的特点，而且能够满足高压大流量的工况。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。