[发明专利]高速数字控制比例阀

说明书

本发明涉及一种液压系统液流方向、流量及压力控制用阀技术领域。

液压控制系统通过对执行元件(油缸或马达)中液流的方向、流量和压力的控制，使液压执行机构(油缸或马达)能根据不同作业对象和工作状态的变化，实现特定的位置、速度或力(力矩)的要求。实现液压系统控制的系统主要有三类，一类是简单的开关型控制系统，即由电磁/手动开关型换向阀实现液流方向的控制；第二类是能接受模拟式或数字式信号，使阀的输出流量或压力连续正比地受到控制的电液比例控制系统；第三类是能使压力或流量完全正比于控制输入电流或电压的伺服控制系统。开关型控制系统只能实现液流方向控制，可用于对运动或动力无精度要求的简单液压系统。若需对液压执行机构的速度(转速)或力(力矩)进行精确和/或快速的控制，则需要在进行方向控制的同时，对输出的流量或压力进行精确控制。目前，能满足精确或高速相应要求的控制系统主要是闭环伺服控制系统。但伺服阀10倍于开关阀的价格、对介质过滤精度的极高要求(5μm左右)和较高的阀内压力损失(7Mpa)，使伺服控制系统只能在极为重要的场合得到应用，如航空、航天和军事装备。性能和价格均介于开关型和伺服型控制系统、抗污染能力等同开关型控制系统(25μm)的比例控制系统，能实现对输出流量和压力进行控制，被广泛应用于对精度和相应速度有一定要求的开环或闭环控制。

对于中小流量(50L/min)的比例控制，比例阀一般采用直动式阀芯节流。模拟式比例电磁阀通过控制比例电磁铁通电电流大小，使铁芯在一定电磁力的作用下与压缩回位弹簧并推动阀芯产生与控制电流成比例的位移，当电磁力与弹簧反力和液动力达到平衡时，使比例阀实现一定的流量或压力。由于回位弹簧反力较大，以及阀芯及被驱动部分的质量较大，直动式比例阀的响应速度一般不超过25Hz，流量不大于10L/min。对于流量大于50L/min的控制，一般采用高速比例阀作为先导控制，其系统总响应小于15Hz。随着计算机数字控制技术的不断普及，也产生了相应的数字电液比例控制系统。根据所采用的数控元件，数字电液比例控制系统主要有四种：模拟式比例阀、组合式数字阀、步进式数字阀及高速开关阀。由模拟式比例元件构成的数字控制系统需要进行数模转换，或采用脉宽调制方式进行控制，实际上是一种间接式数字控制；组合式数字阀是由成组的普通电磁阀和压力阀或流量阀组成的数字式压力或流量比例调节阀组，各电磁阀可接受由计算机输出并放大的开关型电压信号。若需实现一定精度的控制，数量众多的电磁阀会使系统的体积过于庞大，成本也难以承受；步进式数字阀由计算机控制的步进电机驱动阀芯运动，实现对阀芯节流开度的控制，该系统因传动环节增多、机械惯量大而响应速度慢(小于10Hz)；由快速开关阀组成的高速比例控制系统一般采用时间比率式脉冲调制来达到控制流量的目的，其响应频率也相对较高(75Hz)，但只能对小流量(小于10L/min)的压力或流量进行调速，所以多用在先导控制部分。

对上述各种液压控制系统的分析可以看出：开关型控制系统不能实现对流量和压力的控制；伺服控制系统因价格高、抗污染能力差，对系统放大电路的零漂等因素也极为敏感，而难以得到广泛应用；而比例控制系统存在的主要问题则是响应速度不够高(响应速度稍高的又流量太小)和难以实现真正意义上的数字化。无论是伺服阀还是现有的比例阀，还无法同时满足液压系统控制高精度、快响应、大流量、抗污染、低成本和数字化的各项要求。此外，比例电磁铁体积较大(电磁铁两端对置)、工作时耗能多(电磁铁工作时持续通电)、发热等问题也对比例电磁阀的应用产生不利影响。

本发明的目的是提出实现液压系统液流方向、流量和压力进行高速数字控制比例阀，使比例阀实现数字化、快响应、高精度、大流量和低成本的综合要求，并通过合理的设计，减小阀体尺寸，降低电磁阀工作能耗、减少发热和提高阀的寿命。