一种双主动控制高压大流量高水基数字节流阀及控制方法

技术领域

本发明涉及一种双主动控制高压大流量高水基数字节流阀及控制方法，属于液压元件领域。

背景技术

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。二通型插装比例阀相比于比例/伺服阀，可以实现回路的大流量比例控制，但该阀以高响应伺服滑阀作为先导，成本高、抗污染性能差以及维护保养要求高，而且在纯水或高水基工况下泄漏严重。因此，当前迫切需要一种大流量、响应速度快、成本低的水压先导阀来驱动二通型插装阀，实现大流量的水压系统执行机构的速度控制，此种情况下，数字阀被作为重点研究对象。

数字阀相比于比例阀具有节能、制造工艺简单、工作稳定可靠和抗干扰性强的特点的。数字阀分为增量式数字阀和高速开关阀，其中，增量式数字阀存在惯性大相位滞后严重、非线性因素多和由摩擦磨损带来的死区和零点漂移等问题；而高速开关阀具有成本低、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，高速开关阀都面临着压力低、流量小的限制，因此常作为大流量阀的先导阀。

针对当前高压大流量高水基流量阀存在的问题，亟需提出一种高压大流量高水基数字节流阀，能够克服上述难题。

发明内容

本发明提供一种双主动控制高压大流量高水基数字节流阀及控制方法，密封性能佳，安装简单，同时具有响应速度快、泄漏小以及抗污染能力强的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双主动控制高压大流量高水基数字节流阀，包括主阀和先导阀，主阀的主阀体包括主阀芯以及主阀座，主阀芯同轴设置在主阀座内部，主阀芯的入口为锥阀结构，在主阀芯靠近出口的圆周壁向外凸出形成凸台，凸台将主阀座内的腔室分成主阀控制上腔和主阀控制下腔，且在主阀中轴线上由主阀芯入口至出口方向，主阀控制上腔位于主阀控制下腔的顶部；

在主阀芯的轴向位置开设流道c，流道c靠近主阀芯入口处安装主阀芯阻尼孔，高水基液顺次经过主阀芯阻尼孔、流道c流入至靠近主阀座顶部的主阀上腔内，在主阀座内形成压力平衡；

所述先导阀包括两个结构相同的两位三通球阀，分别为先导阀I以及先导阀II，所述先导阀I以及先导阀II通过螺纹插装在先导阀体内，其中，先导阀I与主阀控制下腔连通，先导阀II与主阀控制上腔连通，通过控制主阀控制上腔、主阀控制下腔的压力，进而控制主阀芯在主阀座内轴向方向的移动，实现流量的调节；

作为本发明的进一步优选，所述主阀还包括传感器推杆、主阀芯位移传感器以及主阀弹簧，传感器推杆的一端嵌入主阀芯的顶端，且传感器推杆的一端与主阀芯螺纹连接；

在传感器推杆的另一端罩设主阀弹簧调节螺母，即在主阀弹簧调节螺母朝向传感器推杆的部分内开设凹槽，传感器推杆的另一端嵌入凹槽内；

传感器推杆的另一端与主阀弹簧调节螺母封闭端之间设置主阀芯位移传感器，在传感器推杆与主阀芯位移传感器形成的结构外部套设主阀弹簧；

作为本发明的进一步优选，所述先导阀I或者先导阀II包括顺次同轴安装在先导插装阀体内的上先导阀芯、密封压块、中先导阀芯、球阀座、球阀芯、球阀复位座以及先导阀螺堵，

在球阀复位座顶部开设梯形凹槽，球阀芯嵌入梯形凹槽内，球阀复位座底部设置复位座凸台，在先导阀螺堵的顶部设置螺堵凸台，球阀复位弹簧的一端插入复位座凸台，球阀复位弹簧的另一端插入螺堵凸台；

所述球阀座、球阀芯、球阀复位座以及先导阀螺堵之间的空间形成先导进油腔；

先导阀II的先导进油腔通过流道h和先导进油口相连，先导阀I的先导进油腔通过流道i和先导阀II的先导进油腔相连；

作为本发明的进一步优选，在中先导阀芯外部套设中先导阀套，中先导阀芯靠近底部的部分位于球阀座内，且所述中先导阀芯位于中先导阀套部分的直径大于中先导阀芯位于球阀座部分的直径；

在中先导阀芯中间部分的外壁向外凸出形成环形凸台，环形凸台的直径大于中先导阀套中心孔的直径；

作为本发明的进一步优选，中先导阀套、中先导阀芯以及球阀座之间的空间形成主阀控制腔，上先导阀芯、密封压块以及中先导阀套之间的空间形成先导回油腔，中先导阀芯为锥形结构，其内部自设孔，孔连接主阀控制腔以及先导回油腔；

上先导阀芯的顶部与先导插装阀体之间的空间形成先导控制腔；

主阀控制上腔通过流道b与先导阀II的主阀控制腔连通；

主阀控制下腔通过流道a与先导阀I的主阀控制腔连通；

作为本发明的进一步优选，中先导阀套的外部与先导插装阀体螺纹连接；在上先导阀芯、密封压块以及位于中先导阀套顶部的中先导阀芯形成的结构外部套设上先导阀弹簧；

上先导阀弹簧的一端与上先导阀芯贴合，上先导阀弹簧的另一端与中先导阀套贴合；

密封压块的顶端贴合上先导阀芯，密封压块的底端贴合中先导阀芯；

作为本发明的进一步优选，在先导插装阀体的顶部同轴插设高速开关阀，且高速开关阀通过螺纹连接在先导插装阀体内；

作为本发明的进一步优选，所述高速开关阀的进油口通过流道k和先导控制腔相连；

所述高速开关阀出油口通过顺次连通的流道d、流道e、流道g、先导回油腔、流道f与先导回油口连通；

所述先导进油腔通过顺次连通的先导阻尼孔、流道g、流道m和先导控制腔连通；

一种基于所述双主动控制高压大流量高水基数字节流阀的控制方法，当数字节流阀不需要输出流量时，高速开关阀为常开式阀，先导阀I以及先导阀II的先导控制腔内高水基液体经流道k与高速开关阀的进油口连通，接着高水基液体通过高速开关阀的回油口顺次经流道d、流道e、流道j、先导回油腔和流道f与先导回油口连通，先导阀I以及先导阀II内先导控制腔压力趋于为零；

在上先导阀弹簧的作用下位于上先导阀芯底部的密封压块和中先导阀芯分开，先导阀I以及先导阀II的球阀芯均处于关闭状态，主阀控制上腔和主阀控制下腔内压力均为零，主阀入口处的压力和主阀上腔内压力相等，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，没有流量流过；

当流量阀的输出流量变化时，根据主阀入口处口流量和位移的关系，计算得到主阀芯的位移，并将计算获得的位移信号转换成高速开关阀的PWM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匹配先导阀I以及先导阀II的先导控制腔的压力，控制先导阀I和先导阀II流入匹配主阀控制腔或者从匹配主阀控制腔流出的流量；

作为本发明的进一步优选，控制先导阀I和先导阀II流入匹配主阀控制腔或者从匹配主阀控制腔流出的流量的具体过程如下：

当流量阀所需的流量增加即主阀芯开度变大时，通过改变先导阀II的高速开关阀的占空比，使得先导阀II内先导控制腔压力逐渐减小，在上先导阀弹簧的作用下位于上先导阀芯底部的密封压块和中先导阀芯分开，先导阀II的球阀芯处于关闭状态，主阀控制上腔的乳化液从先导阀II的主阀控制腔、中先导阀芯的内孔和先导回油腔回到先导回油口，主阀控制上腔压力减小；与此同时，通过改变先导阀I的高速开关阀的占空比，使得先导阀I内先导控制腔压力逐渐增大，上先导阀芯在先导控制腔压力的作用下沿着轴向方向向先导阀螺堵方向移动，安装在上先导阀芯的密封压块将中先导阀芯的流道堵住，将主阀控制腔和先导回油腔阻隔；中先导阀芯在上先导阀芯的作用下继续沿着轴向方向向先导阀螺堵方向移动将球阀芯的开度增大，主阀控制下腔的压力增大，在产生的压差下主阀芯开度增大，主阀输出的流量增多；

当流量阀所需的流量减小即主阀芯开度变小时，通过改变先导阀I的高速开关阀的占空比，使得先导阀I内先导控制腔压力逐渐减小，在上先导阀弹簧的作用下位于上先导阀芯底部的密封压块和中先导阀芯分开，先导阀I的球阀芯处于关闭状态，主阀控制上腔的乳化液从先导阀I的主阀控制腔、中先导阀芯的内孔和先导回油腔回到先导回油口，主阀控制下腔压力减小；与此同时，通过改变先导阀II的高速开关阀的占空比，使得先导阀II内先导控制腔压力逐渐增大，上先导阀芯在先导控制腔压力的作用下沿着轴向方向向先导阀螺堵方向移动，安装在上先导阀芯的密封压块将中先导阀芯的流道堵住，将主阀控制腔和先导回油腔阻隔；中先导阀芯在上先导阀芯的作用下继续沿着轴向方向向先导阀螺堵方向移动将球阀芯的开度增大，主阀控制上腔的压力增大，在产生的压差下主阀芯开度减小，主阀输出的流量减小。

对比主阀芯位移传感器测得的主阀芯位移信号与预期的主阀芯位移信号，并将误差信号输入到控制器，反馈控制主阀芯的位移。

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、本发明提供的双主动控制高压大流量高水基数字节流阀，采用高速开关阀作为驱动，具有驱动力大、抗污染以及响应速度快的特点，同时避免引入机械结构，带来的惯量大、死区和零点漂移等问题；

2、本发明提供的双主动控制高压大流量高水基数字节流阀，其主阀、先导阀以及作为驱动的高速开关阀均为插装式结构，结构紧凑、密封性能佳；

3、本发明提供的双主动控制高压大流量高水基数字节流阀，主阀的进油口采用锥阀的结构，先导阀采用球阀的结构，密封性能佳，能够适应高水基或者纯水的工况；

4、本发明提供的双主动控制高压大流量高水基数字节流阀，通过两个两位三通阀分别控制主阀的主阀控制上腔和主阀控制下腔，实现对主阀的双主动控制，主阀响应时间快。

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液压原理图；

图2是本发明提供的优选实施例的主视图局部剖视图；

图3是本发明提供的图2所示优选实施例中A-A剖视图；

图4是本发明提供的图3所示优选实施例中B-B剖视图；

图5是本发明提供的优选实施例的控制原理图。

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为传感器推杆，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为流道d，16为流道e，17为流道f，18为流道g，19为流道h，20为流道i，21为先导阀I，22为先导阀II，23为高速开关阀，24为先导插装阀体，25为上先导阀芯，26为流道j，27为上先导阀弹簧，28为密封压块，29为中先导阀套，30为中先导阀芯，31为球阀座，32为球阀芯，33为先导阻尼孔，34为球阀复位座，35为球阀复位弹簧，36为先导阀螺堵，37为流道k，38为先导控制腔，39为流道m，40为先导回油腔，41为主阀控制腔，42为先导进油腔。

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。

如背景技术中阐述的，在对回路的大流量进行比例控制时，作为优选的二通型插装比例阀通常采用滑阀作为先导，导致其成本高、抗污染性能差以及维护保养要求高，因此在权衡各方面因素后，本申请提出了一种高压大流量高水基数字节流阀，该阀的主阀、先导阀12及驱动阀均采用插装式结构，密封性好，容易安装，而且具有响应速度快、泄漏小、抗污染能力强的特点。那么为了达到上述特点，本申请提供的高压大流量高水基数字节流阀以高速开关阀驱动两个两位三通球阀作先导，实现流量的两级放大；然后以该先导阀驱动二通插装式锥阀。

图1所示是本申请优选实施例的液压原理图，先导阀采用两个两位三通常闭式球阀结构，以常开式高速开关阀23作为驱动，由于主阀采用的是对称缸式锥阀结构，具有上下两个对称的控制腔，因此可以利用PWM占空比信号来控制先导控制腔的溢流量，控制先导阀位移，进而控制主阀两个控制腔的压差，实现主阀位移，达到控制主阀流量的目的。

图2所示，是本申请优选实施例的整体结构局部剖视图，包括主阀和先导阀，主阀的主阀体3包括主阀芯1以及主阀座2，主阀芯同轴设置在主阀座内部，主阀芯的入口为锥阀结构，在主阀芯靠近出口的圆周壁向外凸出形成凸台，凸台将主阀座内的腔室分成主阀控制上腔5和主阀控制下腔4，且在主阀中轴线上由主阀芯入口至出口方向，主阀控制上腔位于主阀控制下腔的顶部；本申请具有两个较为突出的优势，首先是在主阀芯的轴向位置开设流道c13，流道c靠近主阀芯入口处安装主阀芯阻尼孔14，高水基液顺次经过主阀芯阻尼孔、流道c流入至靠近主阀座顶部的主阀上腔内，在主阀座内形成压力平衡；

其次是，图3-图4即为本申请优选实施例中关于先导阀的结构剖视图，所述先导阀包括两个结构相同的两位三通球阀，分别为先导阀I以及先导阀II，所述先导阀I以及先导阀II通过螺纹插装在先导阀体内，其中，先导阀I与主阀控制下腔连通，先导阀II与主阀控制上腔连通，通过控制主阀控制上腔、主阀控制下腔的压力，进而控制主阀芯在主阀座内轴向方向的移动，实现流量的调节。

主阀还包括传感器推杆9、主阀芯位移传感器以及主阀弹簧8，传感器推杆的一端嵌入主阀芯的顶端，且传感器推杆的一端与主阀芯螺纹连接；在传感器推杆的另一端罩设主阀弹簧调节螺母11，即在主阀弹簧调节螺母朝向传感器推杆的部分内开设凹槽，传感器推杆的另一端嵌入凹槽内；传感器推杆的另一端与主阀弹簧调节螺母封闭端之间设置主阀芯位移传感器，在传感器推杆与主阀芯位移传感器形成的结构外部套设主阀弹簧。

前述有提到，本申请其中一个优势是通过先导阀来控制主阀控制上腔和主阀控制下腔的压力，以实现流量的调节，那么这里的先导阀最多是采用四个两位两通阀或者两个两位三通阀，但是从制造成本以及安装尺寸等方面考虑，本申请采用的是两个两位三通阀，控制主阀芯快速打开阀口和快速关闭阀口，响应速度很快，同时结构比较紧凑。

由于先导阀I、先导阀II结构相同，这里就以图4的结构作为阐述对象，所述先导阀I或者先导阀II包括顺次同轴安装在先导插装阀体24内的上先导阀芯25、密封压块28、中先导阀芯30、球阀座31、球阀芯32、球阀复位座34以及先导阀螺堵36，在球阀复位座顶部开设梯形凹槽，球阀芯嵌入梯形凹槽内，球阀复位座底部设置复位座凸台，在先导阀螺堵的顶部设置螺堵凸台，球阀复位弹簧35的一端插入复位座凸台，球阀复位弹簧的另一端插入螺堵凸台；所述球阀座、球阀芯、球阀复位座以及先导阀螺堵之间的空间形成先导进油腔42。先导阀II的先导进油腔通过流道h19和先导进油口PP相连，先导阀I的先导进油腔通过流道i20和先导阀II的先导进油腔相连。

在中先导阀芯外部套设中先导阀套29，中先导阀芯靠近底部的部分位于球阀座内，且所述中先导阀芯位于中先导阀套部分的直径小于中先导阀芯位于球阀座部分的直径；在中先导阀芯中间部分的外壁向外凸出形成环形凸台，环形凸台的直径大于中先导阀套中心孔的直径，这里环形凸台起到了限位的作用。

中先导阀套、中先导阀芯以及球阀座之间的空间形成主阀控制腔41，上先导阀芯、密封压块以及中先导阀套之间的空间形成先导回油腔40，中先导阀芯为锥形结构，其内部自设孔，孔连接主阀控制腔以及先导回油腔；上先导阀芯的顶部与先导插装阀体之间的空间形成先导控制腔38；主阀控制上腔通过流道b与先导阀II的主阀控制腔连通；主阀控制下腔通过流道a与先导阀I的主阀控制腔连通。

中先导阀套的外部与先导插装阀体螺纹连接；在上先导阀芯、密封压块以及位于中先导阀套顶部的中先导阀芯形成的结构外部套设上先导阀弹簧27；上先导阀弹簧的一端与上先导阀芯贴合，上先导阀弹簧的另一端与中先导阀套贴合；密封压块的顶端贴合上先导阀芯，密封压块的底端贴合中先导阀芯。当先导不需要为主阀提供高水基乳化液时，先导控制腔的压力几乎为零，上先导阀芯在上先导阀弹簧的作用下上移（这里的上移是以图4视图角度为阐述对象），同时将密封压块和中先导阀芯的中心孔分开。

在先导插装阀体的顶部同轴插设高速开关阀，且高速开关阀通过螺纹连接在先导插装阀体内。为了实现先导阀对主阀的相关前驱控制，主阀与先导阀之间必然存在流道的连通性，具体的，主阀与先导阀所述高速开关阀的进油口通过流道k37和先导控制腔相连；所述高速开关阀出油口通过顺次连通的流道d15、流道e16、流道g、先导回油腔、流道f17与先导回油口P

最后本申请还提供了基于所述双主动控制高压大流量高水基数字节流阀的控制方法，其实现原理如图5所示，当数字节流阀不需要输出流量时，高速开关阀为常开式阀，先导阀I以及先导阀II的先导控制腔内高水基液体经流道k与高速开关阀的进油口连通，接着高水基液体通过高速开关阀的回油口顺次经流道d、流道e、流道j26、先导回油腔和流道f与先导回油口连通，先导阀I以及先导阀II的先导控制腔压力趋于为零；

在上先导阀弹簧的作用下位于上先导阀芯底部的密封压块和中先导阀芯分开，先导阀I以及先导阀II的球阀芯均处于关闭状态，主阀控制上腔和主阀控制下腔内压力均为零，主阀入口处的压力和主阀上腔内压力相等，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，没有流量流过；

当流量阀的输出流量变化时，根据主阀入口处口流量和位移的关系，计算得到主阀芯的位移，并将计算获得的位移信号转换成高速开关阀的PWM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匹配先导阀I以及先导阀II的先导控制腔的压力，控制先导阀I和先导阀II流入匹配主阀控制腔或者从匹配主阀控制腔流出的流量。

其中，控制先导阀I和先导阀II流入匹配主阀控制腔或者从匹配主阀控制腔流出的流量的具体过程如下：

当流量阀所需的流量增加即主阀芯开度变大时，通过改变先导阀II的高速开关阀的占空比，使得先导阀II内先导控制腔压力逐渐减小，在上先导阀弹簧的作用下位于上先导阀芯底部的密封压块和中先导阀芯分开，先导阀II的球阀芯处于关闭状态，主阀控制上腔的乳化液从先导阀II的主阀控制腔、中先导阀芯的内孔和先导回油腔回到先导回油口，主阀控制上腔压力减小；与此同时，通过改变先导阀I的高速开关阀的占空比，使得先导阀I内先导控制腔压力逐渐增大，上先导阀芯在先导控制腔压力的作用下沿着轴向方向向先导阀螺堵方向移动，安装在上先导阀芯的密封压块将中先导阀芯的流道堵住，将主阀控制腔和先导回油腔阻隔；中先导阀芯在上先导阀芯的作用下继续沿着轴向方向向先导阀螺堵方向移动将球阀芯的开度增大，主阀控制下腔的压力增大，在产生的压差下主阀芯开度增大，主阀输出的流量增多；

当流量阀所需的流量减小即主阀芯开度变小时，通过改变先导阀I的高速开关阀的占空比，使得先导阀I内先导控制腔压力逐渐减小，在上先导阀弹簧的作用下位于上先导阀芯底部的密封压块和中先导阀芯分开，先导阀I的球阀芯处于关闭状态，主阀控制上腔的乳化液从先导阀I的主阀控制腔、中先导阀芯的内孔和先导回油腔回到先导回油口，主阀控制下腔压力减小；与此同时，通过改变先导阀II的高速开关阀的占空比，使得先导阀II内先导控制腔压力逐渐增大，上先导阀芯在先导控制腔压力的作用下沿着轴向方向向先导阀螺堵方向移动，安装在上先导阀芯的密封压块将中先导阀芯的流道堵住，将主阀控制腔和先导回油腔阻隔；中先导阀芯在上先导阀芯的作用下继续沿着轴向方向向先导阀螺堵方向移动将球阀芯的开度增大，主阀控制上腔的压力增大，在产生的压差下主阀芯开度减小，主阀输出的流量减小。

对比主阀芯位移传感器测得的主阀芯位移信号与预期的主阀芯位移信号，并将误差信号输入到控制器，反馈控制主阀芯的位移。

综上可知，本申请提供的数字节流阀，其主阀、先导阀及先导阀驱动均采用插装式结构，结构紧凑、密封良好、容易安装；先导阀采用两位三球阀响应速度快，可以快速调节系统所需流量；同时利用高速开关阀作驱动，输出力大无需引入杠杆或者滚珠丝杠等机械结构。

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。