本發(fā)明涉及一種開關閥，尤其涉及一種閥芯外環(huán)螺旋槽型2D電液高速開關閥。

背景技術：

高速開關閥是上個世紀80年代研制進而發(fā)展起來的一種電液控制元件，具有切換能力快、抗污染能力強等優(yōu)點，廣泛應用于液壓鎖緊、航空航天、工程機械以及軍事等領域。

近年來，高速開關閥作為電液數(shù)字控制技術的關鍵部件之一，為實現(xiàn)計算機技術和液壓控制技術的有機結合，其性能要求變得越來越高，必須在能實現(xiàn)其功能的同時亦能滿足大流量、耐高壓、響應速度快、控制精度高、密封性能好等特點。

作為液壓系統(tǒng)的控制元件，閥體結構形式多種多樣，高速開關閥通過調(diào)節(jié)閥口開/關時間改變通過閥口流量，其結構形式一般采用球閥式、滑閥式或錐閥式三種。目前，2D大流量電液開關閥是采用具有雙運動自由度閥芯的兩級高速開關閥，該閥具有控制靈活、精度高、頻響快、低滯環(huán)、泄漏量小、結構簡單等優(yōu)點，主要運用在航空航天、軍事等極端惡劣環(huán)境下。但是，對此類閥的閥芯加工難度較大，閥芯上設有的通孔在高壓、高振蕩下對閥芯的沖擊較大，降低了閥芯的剛度，易在通孔處折斷；且閥芯尾部的堵頭在壓力過高情況下易被沖出，造成對閥體整體結構的破壞。且在高壓下，閥芯的“卡緊”現(xiàn)象容易導致流量無法上升。

申請?zhí)枮?016103397553的中國專利申請記載了一種帶變傳動比傳動機構的斜槽型2D電液高速開關閥，該開關閥的高壓槽、低壓槽均開設在閥芯上，由于閥芯的體積較小，導致高壓槽、低壓槽的大小受限，因此響應速度也就受到限制；另需設置閥套，導致結構復雜；且斜槽設置在閥體上，加工難度較大，成本較高。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服已有的2D電液高速開關閥易受摩擦力、液動力、油污、閥芯弱強以及加工精度問題等對閥芯產(chǎn)生的液壓“卡滯”現(xiàn)象，以及增加伺服螺旋槽與高低壓槽相交的面積梯度從而提高頻響，本發(fā)明提供一種在高壓、大流量下，可以實現(xiàn)伺服螺旋機構快速響應、抗污染能力強的閥芯外環(huán)螺旋槽型2D電液高速開關閥。

本發(fā)明的技術方案是：

閥芯外環(huán)螺旋槽型2D電液高速開關閥，包括閥本體、驅動閥本體打開或開閉的傳動機構和驅動閥本體復位的零位保持機構；

閥本體包括由閥體和閥芯構成的伺服螺旋機構，閥芯可轉動地設置在閥體內(nèi)，閥芯從右向左依次設有第一臺肩、第二臺肩和第三臺肩，閥體的右端蓋和第一臺肩將閥體內(nèi)腔氣密圍隔成敏感腔，第一臺肩和第二臺肩將閥體內(nèi)腔氣密圍隔成環(huán)繞閥芯的環(huán)形出油腔，第二臺肩和第三臺肩將閥體內(nèi)腔氣密圍隔成環(huán)繞閥芯的環(huán)形進油腔；

進油腔與閥體上的進油口連通，閥芯內(nèi)沿中心軸設有高壓通道，高壓通道的入口端與進油腔連通；閥體上開有一對軸對稱的高壓槽和一對軸對稱的低壓槽，且高壓槽和低壓槽交替設置，高壓槽與高壓通道的出口端連通；所述閥體上沿軸向設有低壓通道，低壓通道的入口端與低壓槽連通，低壓通道的出口端與出油腔連通，

閥芯的外壁上設有一對軸對稱的螺旋槽，且螺旋槽自閥芯的右端面在閥芯上沿軸向螺旋延伸，螺旋槽的一端與敏感腔連通，螺旋槽的另一端位于高壓槽的運動軌跡和低壓槽的運動軌跡上，且低壓槽與高壓槽之間的距離與螺旋槽的槽寬相等，敏感腔通過高壓通道和螺旋槽與進油腔連通；

敏感腔通過螺旋槽、低壓槽和低壓通道與出油腔連通，且出油腔與閥體上的出油口連通；第二臺肩沿軸向的長度大于出油口的直徑，以使第二臺肩在閥芯位于關閉狀態(tài)時完全密封出油口，且出油口位于第二臺肩的運動軌跡上；

設置在閥本體左側的傳動機構包括位于正上方的上撥桿和位于正下方的下?lián)懿?，上撥桿的下半部是圓形撥頭，下?lián)懿娴纳习氩渴情_口向上的U形叉，且撥頭的外徑和U形叉的開口寬度相等，撥頭插設在U形叉內(nèi)，轉動設備的轉動軸與上撥桿固定連接，以驅動上撥桿帶動下?lián)懿孓D動，且下?lián)懿娴牡撞颗c閥芯的左端固定連接，以帶動閥芯同步轉動；上撥桿的頂部可滑動的設置在水平桿上，且水平桿的兩側均套設有將上撥桿抵緊在零位的上撥桿復位彈簧，上撥桿復位彈簧將上撥桿豎直抵緊在下?lián)懿鎯?nèi)；

閥芯的左端貫穿閥體，且閥體的左側設有迫使閥體保持零位的零位保持機構，所述零位保持機構包括套設在閥芯上的閥芯復位彈簧，閥芯復位彈簧的一端抵緊在第三臺肩的左側面上，迫使第二臺肩位于出油口上方并密封出油口，另一端抵緊在固套在閥芯上的卡簧上。

進一步，所述轉動設備為步進電機。

進一步，所述低壓槽和高壓槽均呈半圓形。

進一步，閥體的左側設有連接座，零位保持機構設置在連接座內(nèi)，傳動機構設置在連接座上方，連接板和閥體之間通過連接座相連，連接座的兩端分別通過第一密封圈與連接板和閥體氣密相連。

進一步，閥芯復位彈簧的右端通過彈簧座抵緊在第三臺肩的右側面上，且閥芯復位彈簧的右端端通過彈簧墊抵緊在卡簧上，彈簧座和彈簧墊均固定套設在閥芯上。

進一步，所述連接座和連接板配有盒蓋。

進一步，所述步進電機設置在閥體的上方，并配有保護罩。

進一步，所述上撥桿通過第一螺釘夾緊在步進電機的輸出軸上，所述下?lián)懿嫱ㄟ^第二螺釘夾緊在閥芯上。

本發(fā)明的技術構思為：為了使2D電液高速開關閥具有大流量、高頻響特性，除了要保證步進電機具有快速響應特性和傳動機構滿足提供閥芯運轉所需的較大驅動力矩外；較為重要的一點是，伺服螺旋機構的閥芯軸向位移對旋轉角位移之間應具有快速響應的特性。因此，螺旋槽與高低壓槽重疊面積梯度應盡可能做大。本發(fā)明將螺旋槽開在閥芯外壁上、將高低壓槽開在閥體內(nèi)壁上，既可有效的增大螺旋槽與高低壓槽的重疊面積梯度，又降低了螺旋槽的加工難度。

伺服螺旋機構是實現(xiàn)開關閥閥芯轉角與軸向直線位移轉換的導控結構。閥體內(nèi)壁左端開有螺旋槽，螺旋槽與敏感腔相通，高壓槽和低壓槽的之間的間隙與螺旋槽槽寬相等，以增加面積梯度，滿足2D電液高速開關閥大流量，高頻響的要求。閥芯可旋轉的安裝在閥體內(nèi)，螺旋槽的一端與敏感腔相通，另一端與高壓槽和低壓槽構成阻力半橋，阻力半橋通過螺旋槽控制敏感腔內(nèi)的壓力。

為了保證2D電液高速開關閥具有大流量、高頻響的特性，必須保證液壓伺服螺旋機構的閥芯軸向位移對旋轉角位移能夠做出快速響應，液壓伺服螺旋機構固有頻率取決于閥芯端部敏感腔體積和閥芯質(zhì)量，2D電液高速開關閥的結構特點決定了其敏感腔可以設計的很小，因而其液壓固有頻率很高，大約10⁴～10⁵Hz。如此高的液壓固有頻率使得二階振蕩不會影響到閥芯的動態(tài)響應，閥芯的軸向運動對輸入的轉角信號的響應不會造成影響，二階振蕩可簡化成慣性環(huán)節(jié)。

因液壓伺服螺旋機構的固有頻率很高，設計的高壓槽、低壓槽與螺旋槽采用正遮蓋方式，遮蓋量0.003～0.007mm，可以保證導控級零位泄漏量很小，提高閥芯轉角位移和軸向位移之間的轉換精度，并且可以使閥芯軸向剛度很大，有效提高2D電液高速開關閥工作時的可靠性與穩(wěn)定性。

本發(fā)明具有很高的自清潔能力，只要高壓槽、低壓槽與螺旋槽構成的平行四邊形區(qū)域的一面被阻塞，那么閥芯的力平衡就會被破壞，閥芯便進行軸向運動，在運動過程中阻塞面積增加，可以有效的清除障礙物，抗污染能力強。

本發(fā)明的有益效果是：

1、高壓槽、低壓槽均開設在閥體上，與現(xiàn)有的將高壓槽、低壓槽開設在閥芯上的開關閥相比，其形狀大小不受閥芯結構及其強度的限制，可以相應做大，從而增加了螺旋槽與高、低壓槽相交的面積梯度，提高了響應速度；

2、螺旋槽開設在閥芯上省去了閥套結構(如申請?zhí)枮?，因此可以相應增加閥芯直徑，從而增大本發(fā)明的控制流量；

3、螺旋槽開設在圓環(huán)內(nèi)孔加工難度很大，所以一般采用直槽代替螺旋槽，這樣使螺旋伺服機構的導控精度降低，在閥芯外環(huán)上可以輕易地加工螺旋槽而解決了以上問題，使閥芯的角度位移和直線位移呈線性關系；

4、螺旋槽開在閥芯外環(huán)比開在閥套內(nèi)腔簡單，減小了加工難度，降低了成本；

5、有效的減小閥芯高壓孔孔徑的大小，加強了閥芯的結構強度，提高了高速開關閥的可靠性；

6、頻響快，動態(tài)性能好；

7、對油液過濾精度要求低，抗污染能力強。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的剖視圖。

圖2為傳動機構結構示意圖。

圖3為閥芯的結構示意圖。

圖4為閥體的結構示意圖。

圖5為閥芯局部結構示意圖。

圖6為閥芯、閥體配合示意圖。

圖7為圖6中B-B向剖視圖

具體實施方式

如圖所示，閥芯外環(huán)螺旋槽型2D電液高速開關閥，包括閥本體、驅動閥本體打開或開閉的傳動機構和驅動閥本體復位的零位保持機構；

閥本體包括由閥體5和閥芯6構成的伺服螺旋機構，閥芯6可轉動地設置在閥體5內(nèi)，閥芯6從右向左依次設有第一臺肩61、第二臺肩62和第三臺肩63，閥體6的右端蓋7和第一臺肩61將閥體5內(nèi)腔氣密圍隔成敏感腔i，第一臺肩61和第二臺肩62將閥體5內(nèi)腔氣密圍隔成環(huán)繞閥芯6的環(huán)形出油腔，第二臺肩62和第三臺肩63將閥體5內(nèi)腔氣密圍隔成環(huán)繞閥芯6的環(huán)形進油腔；

進油腔與閥體6上的進油口P連通，閥芯6內(nèi)沿中心軸設有高壓通道d，高壓通道d的入口端與進油腔連通(高壓通道d的入口端沿徑向貫穿閥芯6)；閥體5上開有一對軸對稱的高壓槽h和一對軸對稱的低壓槽g，且高壓槽h和低壓槽g交替設置，高壓槽h與高壓通道d的出口端連通；所述閥體5上沿軸向設有低壓通道f，低壓通道f的入口端與低壓槽g連通，低壓通道f的出口端與出油腔連通，

閥芯6的外壁上設有一對軸對稱的螺旋槽e，且螺旋槽e自閥芯6的右端面在閥芯6上沿軸向螺旋延伸，螺旋槽e的一端與敏感腔i連通，螺旋槽e的另一端位于高壓槽h的運動軌跡和低壓槽g的運動軌跡上，且低壓槽g與高壓槽h之間的距離與螺旋槽e的槽寬相等，敏感腔i通過高壓通道d和螺旋槽e與進油腔連通；

敏感腔i通過螺旋槽e、低壓槽g和低壓通道f與出油腔連通，且出油腔與閥體5上的出油口A連通；第二臺肩62沿軸向的長度大于出油口A的直徑，以使第二臺肩62在閥芯6位于關閉狀態(tài)時完全密封出油口A，且出油口A位于第二臺肩62的運動軌跡上；

設置在閥本體左側的傳動機構包括位于正上方的上撥桿10和位于正下方的下?lián)懿?4，上撥桿10的下半部是圓形撥頭，下?lián)懿?0的上半部是開口向上的U形叉，且撥頭的外徑和U形叉的開口寬度相等，撥頭插設在U形叉內(nèi)，轉動設備的轉動軸9與上撥桿10固定連接，以驅動上撥桿10帶動下?lián)懿孓D動，且下?lián)懿?4的底部與閥芯6的左端固定連接，以帶動閥芯6同步轉動；上撥桿10的頂部可滑動的設置在水平桿上，且水平桿上的兩側均套設有將上撥桿10抵緊在零位的上撥桿復位彈簧12，上撥桿復位彈簧12將上撥桿10豎直抵緊在下?lián)懿?4內(nèi)；

閥芯6的左端貫穿閥體5，且閥體5的左側設有迫使閥體5保持零位的零位保持機構，所述零位保持機構包括套設在閥芯6上的閥芯復位彈簧3，閥芯復位彈簧3的一端抵緊在第三臺肩63的左側面上，迫使第二臺肩62位于出油口A上方并密封出油口A，另一端抵緊在固套在閥芯6上的卡簧上。

所述轉動設備為步進電機a。

所述低壓槽g和高壓槽h均呈半圓形。

閥體5的左側設有連接座2，零位保持機構設置在連接座2內(nèi)，連接板1位于左側，閥體5位于右側，連接板1和閥體5之間通過連接座2相連，連接座2的兩端分別通過第一密封圈17與連接板1和閥體5氣密相連。

閥芯6左端依次穿過閥體5、連接座2并穿入連接板1內(nèi)，且閥芯6通過第二密封圈4與閥體氣密連接、通過第三密封圈18與連接板1氣密連接。

右端蓋7通過第四密封圈19與閥體5氣密連接。

閥芯復位彈簧3的右端通過彈簧座抵緊在第三臺肩63的右側面上，且閥芯復位彈簧3的左端通過彈簧墊抵緊在卡簧上，彈簧座和彈簧墊均固定套設在閥芯6上。

所述連接座2和連接板1配有盒蓋。

所述步進電機a設置在閥體5的上方，并配有保護罩。

所述上撥桿10通過第一螺釘13夾緊在步進電機的輸出軸9上，所述下?lián)懿?4通過第二螺釘15夾緊在閥芯6上。

步進電機a與控制器相連。

閥芯上設有同心環(huán)4保證與閥體的同軸度。

圖6中T表示回油口。

本實施例以32通徑閥芯直徑為32mm、流量為1000L/min的閥芯外環(huán)螺旋槽型大流量二位三通2D電液高速開關閥為例，結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

(1)伺服螺旋機構：

伺服螺旋機構是實現(xiàn)開關閥閥芯轉角與軸向直線位移轉換的導控機構。

高壓槽h與高壓通道d始終相連通，高壓槽h和低壓槽g位于螺旋槽e的兩側，且高壓槽h與低壓槽g的距離與螺旋槽e的槽寬相等。螺旋槽e的一端與敏感腔i連通，另一端與高壓槽h和低壓槽g構成阻力半橋，阻力半橋通過螺旋槽e控制敏感腔i內(nèi)的壓力。螺旋槽e覆蓋相鄰的高壓槽h和低壓槽g之間的區(qū)域以增加面積梯度，降低加工工藝難度，實現(xiàn)滿足2D電液高速開關閥大流量，頻響快的要求。

當閥芯6位于零位時(即本發(fā)明位于關閉狀態(tài)時)，第二臺肩62的側面完全密封出油口A，且螺旋槽e的開口與高壓槽h相錯開。

油液經(jīng)進油口P進入進油腔內(nèi)，進油腔內(nèi)的壓力為p₁，進油腔內(nèi)的油液經(jīng)過高壓通道d進入高壓槽h內(nèi)，高壓槽h內(nèi)的油液經(jīng)過螺旋槽e進入敏感腔i內(nèi)，敏感腔i內(nèi)的油液經(jīng)螺旋槽e進入低壓槽f內(nèi)，并從低壓槽g經(jīng)低壓通道f進入出油腔，由于出油口A密封，油液不會外流，在靜態(tài)時若不考慮摩擦力及閥口液動力的影響，高壓槽h、低壓槽g分別與螺旋槽e相交的面積相等，敏感腔i內(nèi)的壓力只有進油腔內(nèi)的壓力(系統(tǒng)壓力)的一半，但設定敏感腔i的橫截面是進油腔的橫截面的2倍，則閥芯6分別位于敏感腔i內(nèi)和進油腔內(nèi)的兩頭的壓力相等，閥芯6軸向保持靜壓平衡，本發(fā)明處于零位狀態(tài)。

若閥芯6轉動，則閥芯6上高壓槽h和低壓槽g與螺旋槽e的相交面積發(fā)生變化，從而引起敏感腔i的壓力變化，閥芯6的受力平衡被破壞，隨之閥芯6產(chǎn)生軸向運動，則引起出油口A關閉或打開。

當本發(fā)明處于打開狀態(tài)時，傳動機構驅動閥芯6順時針轉動時(從開關閥右端看)，高壓槽h與螺旋槽i相交的面積減小，低壓孔槽g與螺旋槽e相交的面積增大，引起敏感腔i的壓力降低，同時推動閥芯6向右運動，出油口A關閉。繼續(xù)順時針轉動，高壓槽h與螺旋槽e的相交面積逐漸增大，低壓孔槽g與螺旋槽e的相交面積逐漸減小，直至高壓槽h與螺旋槽e的相交面積、低壓孔槽g與螺旋槽e的相交面積再次相等時，軸向力平衡，閥芯6停止運動，進入新的平衡狀態(tài)；反之，當閥芯6逆時針方向旋轉時，以上變化過程恰好相反。

因此，2D電液高速開關閥是閥芯具有雙運動自由度的兩級高速開關閥，閥芯角位移與軸向位移之間是線性關系，本發(fā)明利用旋轉電磁鐵和撥叉撥桿機構驅動閥芯作旋轉運動，實現(xiàn)導閥功能，在油液壓力差的作用下推動閥芯軸向移動，實現(xiàn)閥口的高速啟閉特性。

(2)傳動機構

傳動機構位于閥體5和步進電機a的左側，其上撥桿10通過第一螺釘13固連在步進電機a輸出軸9上，下?lián)懿?4通過第一螺釘15固連在閥芯6上，上撥桿10與下?lián)懿?4之間為線接觸配合，其結構簡單，可有效地減小撥桿和撥叉之間的摩擦力以及對步進電機的輸出力矩要求，提高開關閥的頻響特性。

所述步進電機a作為開關閥的電-機械轉換器，位于閥體5上端，通過螺釘固定在連接板1上，保護罩通過螺釘固定在連接板1上。盒蓋通過螺釘3連接到保護罩上，水平桿的支架8通過螺釘固定在連接板1上。

步進電機a帶動上撥桿10順時針轉動，則上撥桿10帶動下?lián)懿?4和閥芯6逆時針轉動，高壓槽h與螺旋槽e相交的面積增加，低壓槽g與螺旋槽e相交的面積減小，引起敏感腔i的壓力增大，閥芯6向左運動，則第二臺肩62從出油口A上移開，出油口A暢通，油液流出，從而本發(fā)明處于打開狀態(tài)。

為保證在開關閥的控制器未通電或失效的情況下使得閥芯13仍能處于零位，在水平桿上安裝撥叉復位彈簧12，復位彈簧12、水平桿構成上撥叉的限位機構。上撥叉在啟動后會轉動，復位彈簧12會在控制器斷電時，驅動上撥叉復位。

(2)零位保持機構

閥芯6上裝有卡簧、彈簧墊、閥芯復位彈簧3和彈簧座，以防止開關閥在運輸過程中閥芯6在閥體5內(nèi)部竄動，保證調(diào)零時閥芯6做平穩(wěn)的軸向運動，防止與閥體5發(fā)生碰撞，并同時保證在控制器未通電情況下閥芯處于絕對零位。

閥本體打開的瞬間，閥芯6向左移動，并壓迫閥芯復位彈簧3，當控制器斷電時，閥芯復位彈簧3驅動閥芯13向右移動并恢復零位，本發(fā)明處于關閉狀態(tài)。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。