高频大流量2D数字伺服阀 【技术领域】
本发明属于流体传动及控制领域中的电液伺服阀，尤其涉及一种高频大流量2D数字伺服阀。
背景技术
高频大流量电液伺服阀是高频电液振动台、高频材料试验机及其它高频电液伺服系统的关键元件。它的性能决定了电液伺服系统的性能。随着空间技术的发展，要求电液振动台具有高频响大推力；再者，为了缩短材料试验的时间周期，提高材料试验机的性能，也要求材料试验机具有高频性能。这就要求作为控制元件的电液伺服阀具有高频响、大流量。
目前大流量的伺服阀基本为多级阀结构，以期有效提高伺服阀的流量。国内外常采用动态响应较好的喷嘴挡板阀或射流管阀加上一级滑阀的“三级伺服阀”方案以获得超大流量，但是，喷嘴‑挡板伺服阀的抗污染能力差，是其致命的弱点。正常使用要求油液的过滤精度在5微米以下，使用环境要求苛刻，维护成本很高。此外，喷嘴‑挡板阀的结构复杂、加工和装配精度高、导控级泄漏限制工作压力提高及莫明的自激振荡等缺点，都进一步阻碍了其应用领域的拓展。采用射流管阀代替喷嘴‑挡板阀作为大流量伺服阀的先导级，虽然在一定程度上改善了阀的抗污染性能，但却以较大的先导泄漏功耗为代价。
国外也有基于音圈电机开发成功所谓的动圈式伺服阀，其具有电感很小、动态响应速度非常高的优点。但动圈式伺服阀由于受阀芯摩擦力的影响较为严重，静态特性不够理想；同时由于结构限制动圈无法贴壁散热，大电流工作时往往需要采取附助的冷却措施。
【发明内容】
为了克服已有大流量电液伺服阀存在的结构复杂、级数多、抗污染能力差、动态特性不够优良的缺点，本发明提供一种具有良好的动态响应特性、适合在大流量状态下工作、结构简单、精度高、抗污染能力强的高频大流量2D数字伺服阀。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高频大流量2D数字伺服阀，包括阀体、多极交流伺服电机、力矩放大机构、阀芯和阀套，所述多极交流伺服电机安装在阀体上，所述多极交流伺服电机的输出轴与所述力矩放大机构输入端连接，所述力矩放大机构的输出端与所述阀芯的前端固定连接，所述阀套密封安装在阀体内，所述阀芯可转动地安装在阀套内，所述阀芯的左端、阀套和后盖板构成敏感腔，所述敏感腔内的阀芯台肩表面分别开有一对轴对称的高压孔和一对轴对称的低压孔，所述高压孔和低压孔均呈满弓形，所述高压孔的弓弦和低压孔的弓弦平行，所述敏感腔外的阀套的内表面设有一对轴对称的螺旋槽，所述螺旋槽的一端与所述敏感腔连通，所述螺旋槽的另一端覆盖相邻的高压孔弓弦和低压孔弓弦之间的区域。
进一步，所述力矩放大机构包括齿轮和摆轮，所述齿轮安装在多极交流伺服电机的输出轴上，所述摆轮的上端与所述齿轮啮合，所述摆轮的下端与阀芯固定连接。
再进一步，所述多极交流伺服电机与电机安装板固定连接，所述输出轴穿过所述电机安装板，所述电机安装板上设有限位销，所述齿轮上开有扇形的限位槽，所述限位销位于所述限位槽内。
更进一步，相邻的高压孔的中心和低压孔的中心之间的径向夹角为90度。
所述阀芯上安装同心环，所述阀芯的右端安装右塞环。
本发明的技术构思为：为了使2D数字伺服阀具有高频响特性，除了要保证伺服螺旋机构的阀芯轴向位移对旋转角位移之间具有快速响应外，还应保证电‑机械转换元件即伺服电机具有快速响应特性，多极交流伺服电机27的驱动力矩电磁扭簧的刚度与转子组件的转动惯量决定了电机的固有频率，而电磁刚度大小与电机极数(转子齿数)成正比，因而可以直接采用规格齐全、价格低廉的商用混合式步进电机(其固有频率高达200～400Hz)，也可以自行研制频响更高的多极空心杯转子低惯量伺服电机。(该电机也已申报国家发明专利，申请号：200910095983.0)
为保证所需大流量，伺服阀的阀芯直径必须取得较大，从而要求其电‑机械转换器要有较大的输出力/输出力矩。
伺服螺旋机构是实现伺服阀阀芯转角与轴向直线位移(主阀开口)转换的导控结构，其包括阀芯和阀套等，阀芯与阀套、后盖板配合构成敏感腔d，靠近敏感腔d端的阀芯台肩表面上开设有两对轴对称的高低压孔f和c。根据伺服阀的流量要求，高低压孔为满弓形的高低压孔f和c，如图4所示，满弓形高低压孔的弓弦对准螺旋槽，以加大面积梯度，满足2D数字伺服阀大流量的要求。阀芯装于阀套中，两者之间通过O型密封圈密封，阀芯上装有同心环和右塞环以保证阀芯、阀套和阀体之间的定位。阀套的内表面上开设有一对轴对称的螺旋槽，该槽的一端和敏感腔d相通，另一端与高低压孔f和c构成阻力半桥，阻力半桥通过螺旋槽控制敏感腔d内的压力。
为了使2D数字伺服阀具有高频响特性，必须要保证伺服螺旋机构的阀芯轴向位移对旋转角位移之间具有快速响应，伺服螺旋机构的液压固有频率决定于敏感腔d的体积及阀芯的质量，2D伺服阀的结构特点决定了其敏感腔d可以设计的很小(基本没有死容腔)，因而其液压固有频率很高，大约在104～105Hz的范围，如此高的液压固有频率使得二阶振荡环节对阀芯的动态响应几乎不产生影响，阀芯的轴向位移对其旋转角位移之间的响应不产生振荡，可简化为一惯性环节。
由于2D伺服阀伺服螺旋机构的固有频率很高，在设计中高低压孔与螺旋槽之间可以取为零遮盖即可保证稳定。因为零遮盖阀使零位导控流量泄漏几乎为零，并使阀芯24的静态轴向刚度很大，阀芯24的转角位移与轴向直线位移(主阀开口)之间的转换精度很高。
伺服螺旋机构还具有自清洁功能，一旦某一侧的高压(或低压)弓形孔堵塞，阀芯24的力平衡将受到破坏而产生轴向移动，从而增大堵塞弓形孔的面积，清除堵塞物，从而大大降低了对油液过滤精度的要求，抗污染能力强。
本发明的有益效果主要表现在：1、采用了改进型的液压伺服螺旋机构，用满弓形的高低压孔来增大面积梯度，使得伺服阀具备在大流量状态下工作的能力；同时也可将高低压孔的结构改成圆形，以适合中小流量的应用场合；2、频响高，响应速度快，动态性能好；3、采用了带限位功能的力矩放大机构，可有效放大电‑机械转换器的输出力矩，从而降低了对电‑机械转换器的输出力矩要求；4、对油液过滤精度要求低，抗污染能力强；5、结构简单，无需弹性元件，生产成本低；6、零位导控泄漏流量几乎为零，精度高。
【附图说明】
图1为高频大流量2D数字伺服阀的结构原理示意图。
图2是敏感腔的放大示意图。
图3为阀芯结构示意图。
图4为满弓形高低压孔的结构示意图。
图5是图4的D‑D剖面图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种高频大流量2D数字伺服阀，包括多极交流伺服电机27、力矩放大机构、伺服螺旋机构、限位销3、阀体26、后盖板20、盒盖6、右塞环8、同心环9、电机安装板1、O型密封圈14、15、16、17、18、22和螺钉4、10、11、12、13、19、23、25、28、29、30。
所述多极交流伺服电机27作为驱动数字阀的电‑机械转换器，位于阀体26上端，通过螺钉28、29、30与电机安装板1相连接。盒盖6通过螺钉4、11、12连接到电机安装板1上。
力矩放大机构包括齿轮2和摆轮5，齿轮2被压配在多极交流伺服电机27的外伸轴上，与摆轮5相啮合构成定传动比的力矩放大机构，其结构简单，工作可靠，有效降低了对多极交流伺服电机27的输出力矩要求；为防止伺服电机旋转角位移过大，在齿轮上开有扇形的限位槽，与装在电机安装板1上的限位销3一起构成伺服阀的限位机构。摆轮5下端与阀芯24相连，通过螺钉10固定。
伺服螺旋机构是实现伺服阀阀芯转角与轴向直线位移(主阀开口)转换的导控结构，其包括阀芯24和阀套21等，阀芯24与阀套21、后盖板20配合构成敏感腔d，靠近敏感腔d端的阀芯24台肩表面上开设有两对轴对称的高低压孔f和c。根据伺服阀的流量要求，高低压孔为满弓形的高低压孔f和c，如图4所示，满弓形高低压孔的弓弦对准螺旋槽，以加大面积梯度。阀芯24装于阀套21中，两者之间通过O型密封圈15、16、17、18和22密封，阀芯24上装有同心环9和右塞环8以保证阀芯24、阀套21和阀体26之间的定位。阀套21的内表面上开设有一对轴对称的螺旋槽，该槽的一端和敏感腔d相通，另一端与高低压孔f和c构成阻力半桥，阻力半桥通过螺旋槽控制敏感腔d内的压力。
2D伺服阀的结构特点决定了其敏感腔d可以设计的很小(基本没有死容腔)，因而其液压固有频率很高，大约在104～105Hz的范围，如此高的液压固有频率使得二阶振荡环节对阀芯24的动态响应几乎不产生影响，阀芯24的轴向位移对其旋转角位移之间的响应不产生振荡，可简化为一惯性环节。
高低压孔与螺旋槽之间可以取为零遮盖即可保证稳定。因为零遮盖阀使零位导控流量泄漏几乎为零，并使阀芯24的静态轴向刚度很大，阀芯24的转角位移与轴向直线位移(主阀开口)之间的转换精度很高。
本实施例以阀芯直径为16mm、力矩放大机构传动比为3∶1的300L大流量2D数字伺服阀为例，结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例的工作原理：如图1和图2所示，2D数字伺服阀的右腔通过小孔a，经阀芯24杆内通道和小孔b与进油P口(系统压力)相通，其面积为左敏感腔d的一半；左敏感腔d的压力由开设在阀芯24左端台肩上的一对高低压孔f和c与开设于阀套21内表面的螺旋槽e相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，左敏感腔d的压力为P口压力(系统压力)的一半，阀芯24轴向保持静压平衡，与螺旋槽e相交的高低压孔两侧的遮盖面积相等。当以逆时针(面对阀芯伸出杆)的方向转动阀芯24，则高压侧的遮盖面积增大、低压侧的遮盖面积减小，左敏感腔d的压力升高，并推动阀芯24右移，同时高低压孔f和c又回到螺旋槽e的两侧，处于高低压孔两侧遮盖面积相等的位置，左敏感腔d的压力恢复为P口压力(系统压力)的一半，保持轴向力平衡；若顺时针方向转动阀芯24，变化则正好相反，阀芯24向左移动。在2D数字伺服阀中，阀芯24的旋转角位移与轴向直线位移之间的转换运动与普通的机械螺旋机构的转换运动相一致，不同之处在于阀芯24的轴向运动由液压静压力驱动，因此实现2D数字伺服阀阀芯旋转角位移与轴向直线位移(主阀开口)转换的导控结构被称为液压伺服螺旋机构。从结构和工作原理可以看出2D数字伺服阀为一双级位置反馈液压流量伺服阀。
上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。