[發明專利]高速數字控制比例閥

無效

• 申請號: 00112925.2
• 申請日: 2000-05-12
• 公開（公告）號: CN1272600A
• 公開（公告）日: 2000-11-08
• 發明（設計）人: 柯堅;秦劍;許明恒;陳留;安維勝
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: F15B13/02
• 分類號: F15B13/02;F16K11/085
• 代理公司: 西南交通大學專利事務所
• 代理人: 劉思寧

本發明涉及一種液壓系統液流方向、流量及壓力控制用閥技術領域。

液壓控制系統通過對執行元件(油缸或馬達)中液流的方向、流量和壓力的控制，使液壓執行機構(油缸或馬達)能根據不同作業對象和工作狀態的變化，實現特定的位置、速度或力(力矩)的要求。實現液壓系統控制的系統主要有三類，一類是簡單的開關型控制系統，即由電磁/手動開關型換向閥實現液流方向的控制；第二類是能接受模擬式或數字式信號，使閥的輸出流量或壓力連續正比地受到控制的電液比例控制系統；第三類是能使壓力或流量完全正比于控制輸入電流或電壓的伺服控制系統。開關型控制系統只能實現液流方向控制，可用于對運動或動力無精度要求的簡單液壓系統。若需對液壓執行機構的速度(轉速)或力(力矩)進行精確和/或快速的控制，則需要在進行方向控制的同時，對輸出的流量或壓力進行精確控制。目前，能滿足精確或高速相應要求的控制系統主要是閉環伺服控制系統。但伺服閥10倍于開關閥的價格、對介質過濾精度的極高要求(5μm左右)和較高的閥內壓力損失(7Mpa)，使伺服控制系統只能在極為重要的場合得到應用，如航空、航天和軍事裝備。性能和價格均介于開關型和伺服型控制系統、抗污染能力等同開關型控制系統(25μm)的比例控制系統，能實現對輸出流量和壓力進行控制，被廣泛應用于對精度和相應速度有一定要求的開環或閉環控制。

對于中小流量(50L/min)的比例控制，比例閥一般采用直動式閥芯節流。模擬式比例電磁閥通過控制比例電磁鐵通電電流大小，使鐵芯在一定電磁力的作用下與壓縮回位彈簧并推動閥芯產生與控制電流成比例的位移，當電磁力與彈簧反力和液動力達到平衡時，使比例閥實現一定的流量或壓力。由于回位彈簧反力較大，以及閥芯及被驅動部分的質量較大，直動式比例閥的響應速度一般不超過25Hz，流量不大于10L/min。對于流量大于50L/min的控制，一般采用高速比例閥作為先導控制，其系統總響應小于15Hz。隨著計算機數字控制技術的不斷普及，也產生了相應的數字電液比例控制系統。根據所采用的數控元件，數字電液比例控制系統主要有四種：模擬式比例閥、組合式數字閥、步進式數字閥及高速開關閥。由模擬式比例元件構成的數字控制系統需要進行數模轉換，或采用脈寬調制方式進行控制，實際上是一種間接式數字控制；組合式數字閥是由成組的普通電磁閥和壓力閥或流量閥組成的數字式壓力或流量比例調節閥組，各電磁閥可接受由計算機輸出并放大的開關型電壓信號。若需實現一定精度的控制，數量眾多的電磁閥會使系統的體積過于龐大，成本也難以承受；步進式數字閥由計算機控制的步進電機驅動閥芯運動，實現對閥芯節流開度的控制，該系統因傳動環節增多、機械慣量大而響應速度慢(小于10Hz)；由快速開關閥組成的高速比例控制系統一般采用時間比率式脈沖調制來達到控制流量的目的，其響應頻率也相對較高(75Hz)，但只能對小流量(小于10L/min)的壓力或流量進行調速，所以多用在先導控制部分。

對上述各種液壓控制系統的分析可以看出：開關型控制系統不能實現對流量和壓力的控制；伺服控制系統因價格高、抗污染能力差，對系統放大電路的零漂等因素也極為敏感，而難以得到廣泛應用；而比例控制系統存在的主要問題則是響應速度不夠高(響應速度稍高的又流量太小)和難以實現真正意義上的數字化。無論是伺服閥還是現有的比例閥，還無法同時滿足液壓系統控制高精度、快響應、大流量、抗污染、低成本和數字化的各項要求。此外，比例電磁鐵體積較大(電磁鐵兩端對置)、工作時耗能多(電磁鐵工作時持續通電)、發熱等問題也對比例電磁閥的應用產生不利影響。

本發明的目的是提出實現液壓系統液流方向、流量和壓力進行高速數字控制比例閥，使比例閥實現數字化、快響應、高精度、大流量和低成本的綜合要求，并通過合理的設計，減小閥體尺寸，降低電磁閥工作能耗、減少發熱和提高閥的壽命。