一種高壓大流量電?氣伺服比例閥的制作方法

本發明屬于氣壓控制元件，具體涉及一種高壓大流量電-氣伺服比例閥。

背景技術：

氣動技術因其工作介質為壓縮空氣，具有能源獲得方便、清潔無污染、低成本、易操作等優點而廣泛應用于農業機械、自動化工業、交通運輸、能源、化工、航空航天、航海、國防軍事等領域。

目前，關于低壓氣動技術的認識較成熟。高壓氣體由于功率比重大、快速膨脹能力強、相對于低壓系統可有效改善系統動態性能與剛度，且有利于元件結構小型化及執行機構高速化，還能節省安裝空間，使得高壓氣動技術成為當前國內外流體傳動與控制領域的研究熱點之一。

本領域中壓力低于1mpa的氣動系統稱為低壓氣動系統，壓力在1mpa～10mpa之間的氣動系統稱為中壓氣動系統，壓力高于10mpa的氣動系統稱為高壓氣動系統。

隨著各個行業，特別是天燃氣輸送、氫能源汽車、國防軍事工業對系統高壓、高響應、高精度的需求日益增加，同時也由于各種新材料、新工藝及高壽命器件的出現，有力地推動了高壓氣動技術的發展，新型高壓氣動元件的開發與研制已成為氣動技術新的發展方向。

近十多年來，國內外對高壓氣動元件進行的研究工作主要集中在高壓氣動開關閥與減壓閥方面，而高壓氣動伺服控制技術仍處于起步階段，關于高壓大流量電-氣伺服比例閥的研究鮮有報道，尚無相關成熟產品。高壓大流量電-氣伺服比例閥作為大型高壓氣動伺服比例控制系統的核心元件，目前已成為高壓氣動伺服比例控制技術在大型裝備中應用的瓶頸。

高壓大流量電-氣伺服比例閥作為一種既能控制氣流方向，又能控制輸出流量/壓力的氣動控制元件，在控制精度與動態響應方面要求較高的大型裝備控制領域有廣闊的應用前景，尤其是航空航天與國防軍事領域。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種高壓大流量電-氣伺服比例閥，其將主閥、伺服閥以及控制器巧妙的設計為一體，使得其結構簡單，響應速度快，輸出流量控制精度較高。

為實現上述目的，本發明提供了一種高壓大流量電-氣伺服比例閥，其包括伺服閥和主閥，所述伺服閥和所述主閥緊密相鄰且相互連通，

所述主閥包括主閥閥體，所述主閥閥體整體呈管狀，其一端固定有閥體左端蓋，其另一端固定有主閥端蓋，在所述主閥閥體中心的空腔內依次設置有調整塊、主閥定位套、主閥閥套、主閥閥芯、主閥彈簧、彈簧調整蓋、緊固套以及主閥位移傳感器，

所述調整塊嵌裝在閥體左端蓋內，所述主閥閥芯呈軸狀，其嵌裝在主閥閥套內，所述主閥閥套同軸嵌裝在所述主閥閥體內壁處，所述主閥閥芯兩端部分別與所述主閥閥套內壁相密封，所述主閥閥芯中間桿部與所述主閥閥套內壁相隔間距以形成環形空腔，

所述主閥定位套呈圓環狀，其設置在所述主閥閥體內壁中間的止口處，其一端面抵接所述止口，且其另一端面抵接所述主閥閥套和主閥閥芯，所述主閥定位套和所述調整塊相隔距離以形成用于容置高壓氣的控制腔c，所述控制腔c通過開設在主閥閥體的通道與所述伺服閥的控制口連通，

所述主閥閥體的側壁上開設有用于供外界高壓氣源通入的進氣腔a，所述進氣腔a通過開設在主閥閥體的通道經所述環形空腔連通所述伺服閥的進氣口，

所述主閥位移傳感器同軸插裝在所述彈簧調整蓋中，依靠緊固套鎖緊，并抵接所述主閥閥芯端部，所述主閥彈簧套設在所述主閥位移傳感器的一端，并同時與所述主閥閥芯端部和所述彈簧調整蓋端部抵接，

所述彈簧調整蓋端面設計有通孔，通孔一側與大氣相通，另一側與彈簧腔d連通。

進一步的，所述伺服閥包括閥本體和直線音圈電機，所述直線音圈電機包括電機殼體、嵌裝在所述電機殼體內的環形永久磁鋼以及插裝在所述環形永久磁鐵的動圈繞組，

所述閥本體包括伺服閥閥體、伺服閥閥套以及伺服閥閥芯，所述伺服閥閥體一端與所述電機殼體固定連接，以使所述直線音圈電機和所述閥本體相固定，伺服閥閥套嵌裝在所述伺服閥閥體軸線處的空腔內并緊貼該空腔內壁，所述伺服閥閥套一端抵接所述伺服閥閥體的止口以實現所述伺服閥閥套的軸向定位，所述伺服閥閥芯插裝在所述伺服閥閥套中，

所述伺服閥閥芯的一端固定有位移傳感器定位板，所述伺服閥閥芯的另一端連接有定位套筒，所述定位套筒與所述動圈繞組固連。

進一步的，所述伺服閥閥體的一端端口處固定有位移傳感器定位座，在該位移傳感器定位座中心固定有伺服閥位移傳感器，伺服閥位移傳感器一端與所述位移傳感器定位板相鄰。

進一步的，還包括控制器，所述控制器分別通過導線與動圈繞組、主閥位移傳感器、伺服閥位移傳感器進行電氣連接，所述伺服閥位移傳感器用于將檢測的伺服閥閥芯的位移量送至控制器，所述控制器用于將伺服閥閥芯位移量與外界輸入的位移指令信號比較的差值信號執行放大處理，并發送至音圈電機的動圈繞組，形成閥芯位置閉環控制。

進一步的，所述的主閥閥芯閥口形式一側為圓周均勻分布三角槽流道，其與進氣腔a連通，以保證高壓大流量電-氣伺服比例閥小開度時具有較小流量增益，從而實現被控系統初始啟動過程的穩定控制；所述的主閥閥芯閥口形式另一側矩形槽流道，其與彈簧腔d連通，用于泄放排氣腔b高壓氣體。

進一步的，所述的主閥具有兩位三通機能。初始狀態，主閥閥芯在主閥彈簧的作用下與主閥定位套緊密接觸，此時，主閥進氣腔a與排氣腔b隔斷，彈簧腔d與排氣腔b通過主閥矩形槽流道連通，主閥處于排氣機能，用于將高壓大流量電-氣伺服比例閥被控負載高壓氣體排空至大氣；當控制腔c進入高壓氣體后，主閥閥芯克服彈簧力動作，主閥進氣腔a與排氣腔b通過三角槽流道連通，彈簧腔d與排氣腔b隔斷，主閥處于充氣機能，用于將高壓氣體經高壓大流量電-氣伺服比例閥輸出至被控負載。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案能夠取得下列有益效果：

利用伺服閥控制主閥開口實現高壓氣體流量輸出，伺服閥由直線音圈電機控制，主閥依靠彈簧復位，伺服閥作為先導級閥門，主閥作為功率級閥門，采用兩級閥門控制，可提高控制精度。進一步的，兩級閥門的閥芯位置分別由各自位移傳感器檢測并反饋至控制器，整體構成閉環位置控制系統，能有效控制高壓氣體輸出流量的大小。

附圖說明

圖1是本發明的高壓大流量電-氣伺服比例閥整體結構示意圖；

圖2是本發明的先導級伺服閥的剖視圖；

圖3(a)為本發明的功率級主閥閥芯結構圖；圖3(b)為圖3(a)中a-a剖視圖；圖3(c)為圖3(a)中b-b剖視圖；

圖4(a)為本發明的功率級主閥閥套結構圖；圖4(b)為圖4(a)中b-b剖視圖；圖4(c)為圖4(a)中a-a剖視圖；

圖5是本發明的高壓大流量電-氣伺服比例閥符號功能原理圖。

在本發明中，相同的附圖標記自始至終表示相同的元件或者結構：

1-伺服閥2-控制器3-調整塊

4-圓柱頭螺釘5-閥體左端蓋6-第一o型密封圈

7-主閥閥體8-主閥定位套9-格萊圈

10-主閥閥套11-主閥閥芯12-第二o型密封圈

13-主閥彈簧14-主閥端蓋15-彈簧調整蓋

16-緊固套17-主閥位移傳感器18-電機殼體

19-環形永久磁鋼20-動圈繞組21-連接螺母

22-定位套筒23-伺服閥閥芯24-伺服閥閥套

25-第三o型密封圈26-伺服閥閥體27-位移傳感器定位板

28-定位座29-緊固螺母30-伺服閥位移傳感器

31-第四o型密封圈32-三角槽流道33-矩形槽流道

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1是本發明的高壓大流量電-氣伺服比例閥整體結構示意圖，由圖可知，其包括先導級三位三通高壓電-氣伺服閥(簡稱伺服閥)和兩位三通式主閥(簡稱主閥)，伺服閥設置在主閥側壁處并與主閥緊密相連。

其中，兩位三通式主閥包括主閥閥體7，主閥閥體7左端開有螺孔并與閥體左端蓋5通過圓柱頭螺釘4相固連，閥體左端蓋5開有密封槽，與主閥閥體7之間采用第一o型密封圈6密封，調整塊3通過螺紋旋入閥體左端蓋2內部，與之形成整體。

圖3(a)為本發明的功率級主閥閥芯結構圖，圖3(b)為圖3(a)中a-a剖視圖，圖4(a)為本發明的功率級主閥閥套結構圖，圖4(b)為圖4(a)中b-b剖視圖，圖4(c)為圖4(a)中a-a剖視圖，由圖可知，調整塊3與主閥閥芯11同軸設置，用于調節控制腔c的初始腔體體積(控制腔c是設置在調整塊3和主閥定位套8之間用于容置高壓氣體的空腔)，主閥定位套8通過主閥閥套10壓緊在主閥閥體7內腔壁的止口上，主閥閥體7左部止口實現主閥定位套8和主閥閥套10的軸向定位；主閥閥套10開有三個密封環，與主閥閥體7內壁之間采用多個第二o型密封圈12密封，主閥閥芯11與主閥閥套10之間用格萊圈9密封，主閥閥芯11右邊端部抵接主閥彈簧13，彈簧調整蓋15對主閥彈簧13進行預壓緊，彈簧調整蓋15通過螺紋與主閥端蓋14相連接，主閥端蓋14與主閥閥體7之間用內六角圓柱頭螺釘4固連，主閥位移傳感器17呈軸狀，其直接插裝在彈簧調整蓋15軸心上，依靠緊固套16鎖緊，并同時與主閥閥芯11右邊端部相抵接，從而能感知主閥閥芯11的位移。

圖5是本發明的高壓大流量電-氣伺服比例閥符號功能原理圖。進氣腔a設置在主閥閥體7壁部，在主閥閥體7壁部上還設置了用于與外界氣瓶相連的法蘭盤以及用于設置密封圈的凹槽。進氣腔a與伺服閥1的進氣口p連通，控制腔c與伺服閥1的控制口c連通。系統工作過程中進氣腔a處高壓氣體一部分流經伺服閥1進入主閥的控制腔c，另一部分經主閥閥套10與閥芯11形成的矩形閥口，再經節流口輸出至排氣腔b。排氣腔b呈環形腔體狀，由主閥閥套10外壁開設的環形槽與主閥閥體7內壁形成的環形空腔，該環形空腔通過開設在主閥閥體壁上的法蘭盤口與外界被控系統相連通，從而控制流進或流出系統的氣體流量。

圖2是本發明的先導級伺服閥的剖視圖，由圖可知，伺服閥1為滑閥式高壓電-氣伺服閥，具有三位三通功能，所述伺服閥的直線音圈電機包括電機殼體18、環形永久磁鋼19和動圈繞組20，伺服閥閥體26和電機殼體18通過螺釘連接；伺服閥閥套24開有三個密封環，伺服閥閥體26與伺服閥閥套24之間用第三o型密封圈密封25，伺服閥閥套24與伺服閥閥體26中心孔左端部止口抵接，實現伺服閥閥套24的軸向定位；伺服閥閥芯23左端螺紋連接位移傳感器定位板27，伺服閥閥芯23右端連接定位套筒22，通過連接螺母21與電機動圈繞組20固連；伺服閥位移傳感器30通過緊固螺母29連接在位移傳感器定位座28中心孔內，定位座28通過螺紋連接固連在伺服閥閥體26左端處。伺服閥1進氣口和控制口分別與主閥的進氣腔a和控制腔c相對接，伺服閥和主閥固定時，在進氣口與主閥的進氣腔a間以及在控制口與控制腔c間分別設置有第四o型密封圈31，使得伺服閥1進氣口和控制口分別與主閥的進氣腔a和控制腔c密封良好，防止氣體泄漏。

控制器2分別通過導線與動圈繞組20、主閥位移傳感器17、伺服閥位移傳感器30電氣連接，伺服閥位移傳感器30將檢測的閥芯位移量送至控制器2，控制器2將伺服閥閥芯位移量與位移指令信號比較的差值信號放大處理后，發送至音圈電機的動圈繞組20，形成閥芯位置閉環控制。

主閥閥芯11閥口形式一側為圓周均勻分布三角槽流道32，其與進氣腔a連通，以保證高壓大流量電-氣伺服比例閥小開度時具有較小流量增益，從而實現被控系統初始啟動過程的穩定控制；主閥閥芯11閥口形式另一側矩形槽流道33，其與彈簧腔d連通，用于泄放排氣腔b高壓氣體。

本發明的工作原理是：

通過計算機發送位置指令信號至控制器2，經處理放大為電流信號后，將電流信號輸出至伺服閥的直線音圈電機，輸入電流大小與動圈繞組20驅動力成正比關系，并通過改變電流方向控制伺服閥閥芯23換向，由音圈電機直接驅動三位三通的伺服閥1，伺服閥位置傳感器30檢測伺服閥閥芯23位移并傳送至控制器2，實現伺服閥閥芯23位置閉環控制，從而精確控制流經伺服閥口的高壓氣體流量。從伺服閥1流出的高壓氣體進入主閥的控制腔c，推動主閥閥芯11運動，此時高壓氣體從主閥閥口處流出進入被控系統。主閥閥芯11的位移由主閥位移傳感器17檢測并傳送至控制器2，經處理后作為指令信號控制先導級伺服閥閥芯23的動作。伺服閥1與主閥形成級間耦合，耦合方式為氣-位移-電反饋耦合，將放大器非線性、先導級與功率級氣動力、摩擦力等非線性因素包括在位置控制系統內，更進一步提高對主閥閥芯11的控制精度。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。