一种变增益的液压数字阀及大惯量缸控制方法

本发明涉及节流阀，具体涉及一种变增益的液压数字阀及大惯量缸控制方法。

背景技术：

1、液压传动技术由于具有安全、环保，同时又兼具功率密度大、容易实现大的功率输出，在水利工程，食品加工、压铸等行业被广泛应用，其中，水液压阀作为水液压传动技术领域的核心元件之一，受到广泛的关注。

2、数字阀目前主要分为高速开关式和增量式数字阀，高速开关阀依靠电磁铁高频启闭实现离散流量，流量脉动较大，而增量式数字阀采用音圈电机或者步进电机，依靠脉冲控制方式实现对阀芯位移的控制。

3、大惯量液压缸是指在液压系统中，用于驱动具有较大惯量机构的液压缸（简称大惯量缸），在运动过程中表现出较好的稳定性，以及具有在受到外力干扰时，运动状态改变较小等优点，而被广泛应用。例如：在需要承载和移动重物的场合，如重型起重机、挖掘机、装载机等工程机械中，大惯量液压缸可以提供所需的力和稳定性；在自动化生产线、自动化装配线等工业自动化领域，大惯量液压缸可以用于驱动大型机械臂或重型部件的定位；在建筑施工中，如混凝土泵车、塔吊等设备，大惯量液压缸用于支撑和移动重型结构；在石油钻探和开采设备中，大惯量液压缸用于控制钻杆的精确运动和承受巨大的地下压力；在某些航空航天应用中，如飞机起落架的收放，大惯量液压缸可以提供必要的力量和稳定性；在水坝和水闸的控制机构中，大惯量液压缸用于控制重型闸门的开启和关闭；在重型运输车辆中，如自卸车、重型卡车等，大惯量液压缸用于控制货箱的举升和倾卸。

4、大惯量液压缸往往需要进行高速运行和低速高精度运行的分段控制，例如，在某些应用中，如热冲压成形压制过程，大惯量液压缸需要快速响应以满足生产效率的要求。高速运行可以减少节流损失，提高系统效率，并在需要快速动作时提供必要的动力。而在需要精确控制的场合，如精密定位或精细加工，大惯量液压缸需要实现低速高精度运行，这是因为大惯量负载的机械时间常数较大，系统的响应时间和超调量难以调和。此外，在大多数应用场合，大惯量液压缸在不同工作阶段对控制性能的要求也不同。目前现有技术中主要采用数字液压阀对大惯量液压缸进行位移和速度控制，但现有数字液压阀及其控制策略难以保证较好的控制动态特性。授权公告号为cn114593100b一种负载口独立控制的插装式水压数字节流阀及控制方法，该专利提出采用两个两位三通比例阀分别控制主阀上下腔的结构形式，先导级采用球阀和板阀的结构形式，因板阀的过流面积增益大，导致主阀位移控制难以达到最佳状态；并且由于主级为全周开口形式，面积增益大，流量梯度大，对于需要精确控制负载的场合难度大。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种变增益液压数字阀及大惯量缸控制方法。变增益液压阀包括先导阀和主阀，电-机械转换器为步进电机滚珠丝杠，步进电机上装有编码器，左右两侧的阀芯为相同结构；利用先导级两侧阀芯为主级的上下腔供液，并结合主级上的位移传感器实现主级阀芯位移闭环控制，不同的主级阀芯位移对应不同流量。

2、本发明首先提供了一种变增益的液压数字阀，包括先导阀和主阀；所述先导阀包括两个结构相同、设置在同一阀块上且独立控制的二位三通比例球阀，所述主阀为二通插装式锥滑阀结构，主阀具有分别与两个比例球阀的工作口连通的上控制腔和下控制腔；通过调整两个控制腔的压差调整主阀阀芯的位置，

3、所述比例球阀的阀芯组件采用步进电机滚珠丝杠驱动，步进电机上装有编码器；阀芯组件包括导杆、上阀芯、过流杆、下阀芯，其中，上阀芯和下阀芯均为球阀芯，上阀芯用于先导阀t口与工作口之间的流量控制，下阀芯用于先导阀p口与工作口之间的流量控制，导杆上端连接滚珠丝杠，下端和上阀芯连接在一起，过流杆位于上阀芯和下阀芯之间，过流杆上端开设有用于匹配上阀芯的锥形面，下端与下阀芯接触，过流杆沿轴线开设有用于连通t口与工作口的通孔；下阀芯下方设置有弹簧复位组件；上阀芯和下阀芯均处于上限位置时，比例球阀仅t口与工作口连通；

4、所述主阀阀芯的端部周向均布有多个u型节流槽；在阀芯位移小于u型节流槽长度时，液压数字阀通过u型节流槽控制高水基液的流动。在这种情况下，由于阀芯位移较小，油液通过u型节流槽的流动受到限制，从而实现对流量的控制。当阀芯位移超过u型节流槽长度时，液压数字阀的流动状态会发生改变。此时，阀芯位移较大，u型节流槽限制作用减弱，高水基液流动的阻力减小，流量增加。

5、本发明通过采用u型非全周阀口+全周开口的形式，实现通流面积梯度的分段分需求控制，高精度流量要求时采用u型节流槽小面积梯度，而快速性要求较高时采用全口开口大面积梯度，以满足不同需求时的精确控制。

6、本发明还提供了一种基于所述液压数字阀的大惯量缸控制方法，通过所述液压数字阀控制与其连接的外部液压缸达到设定的位移，所述控制方法包括以下步骤：

7、1）根据外部液压缸需达到的设定工作位移，预先设定外部液压缸的减速点位置；其中，外部液压缸的输出位移在未达到减速点位置前，外部液压缸高速运行；在达到减速点位置后，外部液压缸采用低速高精度运行，直至达到所需的设定工作位移；

8、2）在外部液压缸刚开始工作时，通过控制液压数字阀的两个比例球阀，使主阀阀芯移动到设定的第一开度，所述第一开度大于u型节流槽长度，在第一开度时，主阀不起节流作用；此时液体从主阀进油口流入、通过出油口输送到外部液压缸中，外部液压缸高速动作输出位移；

9、3）保持主阀阀芯位移不变，直至外部液压缸的输出位移到达步骤1）设定的减速点位置；

10、4）到达减速点后，控制液压数字阀的两个比例球阀，使主阀阀芯位移逐渐减小到第二开度，其中，第二开度时主阀阀芯位移小于u型节流槽长度，在第二开度时，主阀起到节流作用；在此阶段，外部液压缸的速度降低，所述液压数字阀能精确控制液压缸的速度；

11、5）继续保持主阀阀芯位移不变，直至外部液压缸的输出位移到所需的工作位移。

12、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

13、本发明的二位三通比例球阀取消了先导级位移传感器，直接用步进电机编码器进行度量，从而实现精确控制。本发明的二位三通比例球阀内，上下阀芯均采用球阀芯，球阀作用具有自动对中功能，实现高可靠性水液压密封，实现先导级比例控制；本发明的先导阀和主阀的液路中的工作介质可以为油，也可以为水或高水基液（煤矿井下作业时），降低了对工作介质的要求，使其能适用于更多的应用场景。

14、本发明的主阀阀芯采用u型非全周开口（u型节流槽），根据设定的外部大惯量液压缸工作位移，本发明提出了实现阀口流量分段控制的控制方法，一方面，在高速运行阶段，注重系统的动态响应和效率；减少节流损失，提高系统效率，并在需要快速动作时提供必要的动力。另一方，在需要精确控制的场合，本发明注重精度和稳定性，能提高阀口小开度时的流量控制精度，确保液压缸运动精准控制。

技术特征：

1.一种变增益的液压数字阀，包括先导阀和主阀；所述先导阀包括两个结构相同、设置在同一阀块上且独立控制的二位三通比例球阀，所述主阀为二通插装式锥滑阀结构，主阀具有分别与两个比例球阀的工作口连通的上控制腔和下控制腔；通过调整两个控制腔的压差调整主阀阀芯的位置，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的液压数字阀，其特征在于，所述u型节流槽的长度为主阀阀芯最大位移的25-30%，深度为主阀阀芯直径的9-11%，宽度为主阀阀芯直径的6-8%；u型节流槽的个数为6个。

3.根据权利要求1所述的液压数字阀，其特征在于，所述阀芯组件还包括由上至下顺次设置的导套、中间套、下套、阀座和弹簧复位组件；其中，导套用于安装所述导杆；过流杆沿轴线开设有用于连通t口与工作口的通孔；所述过流杆套设在中间套上，两组阀芯组件的中间套位置设有互相连通的径向通孔并延伸出阀块构成t口；下套设置在中间套下方，阀座设置在下套下方，阀座的下端面开设有用于设置下阀芯的限位槽；两组阀芯组件的下套和阀座之间开设有径向通孔作为各自的工作口；弹簧复位组件包括弹簧座、弹簧、限位套，所述弹簧座下方设有限位套，限位套内设置有为弹簧座提供推力的弹簧；弹簧座通过弹簧提供的推力将下阀芯顶在阀座上，两组阀芯组件的弹簧座位置处设有互相连通的径向通孔构成进液用的p口。

4.根据权利要求3所述的液压数字阀，其特征在于，所述中间套内侧和外侧均设计有密封圈凹槽，在密封圈凹槽内装有密封圈。

5.根据权利要求1所述的液压数字阀，其特征在于，所述主阀包括主阀端盖，主阀端盖内设有贯穿的腔体，腔体内设置有主阀阀套、主阀阀芯、主阀弹簧和位移传感器，主阀阀套伸出腔体外的部分端部设有进液口，径向上设有回液口，主阀阀芯控制进液口与回液口导通程度，主阀弹簧用于主阀阀芯的复位，位移传感器用于检测主阀阀芯位移；主阀阀芯的中部设有密封活塞，活塞一侧在主阀阀套上设有下控制腔、活塞另一侧在主阀阀套上设有上控制腔。

6.根据权利要求5所述的液压数字阀，其特征在于，主阀腔体内还设有主阀弹簧调节螺母，位移传感器端部设置位移传感器顶杆，位移传感器顶杆穿过主阀弹簧调节螺母和主阀弹簧与主阀阀芯接触，位移传感器顶杆将主阀阀芯的位移传递给位移传感器，进而测量主阀阀芯的位移。

7.根据权利要求6所述的液压数字阀，其特征在于，位移传感器顶杆与主阀阀芯通过螺纹固定连接；主阀阀芯内设有轴向贯穿的通孔；位移传感器顶杆与主阀阀芯中的通孔接触，位移传感器顶杆与通孔连接处设有引导经过主阀进液口顺着主阀阀芯中通孔流入的液体到腔体内使主阀阀芯的两端平衡。

8.根据权利要求7所述的变增益的液压数字阀，其特征在于，两个二位三通比例球阀的上阀芯均处于上限位置时，下阀芯由于受到弹簧的压力，紧紧压向阀座，此时主阀阀芯两侧的上腔和下腔的液体均通过先导阀的t口流回液箱，主阀阀芯两侧压力相同，主阀阀芯压紧在主阀阀套上，主阀处于关闭状态。

9.一种基于权利要求1所述液压数字阀的大惯量缸控制方法，其特征在于，通过所述液压数字阀控制与其连接的外部液压缸达到设定的位移，所述控制方法包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述液压数字阀的主阀阀芯的位移和阀芯速度由主阀阀芯内上控制腔与下控制腔的压力差决定，上控制腔与下控制腔内的压力分别由与其连接的两个比例球阀进行控制；比例球阀的控制方法如下：

技术总结
本发明公开了一种变增益的液压数字阀及大惯量缸控制方法，属于节流阀技术领域。本发明的液压数字阀包括先导级和主级；本发明的先导级包括两个二位三通比例球阀，比例球阀阀芯组件中的上阀芯和下阀芯均为球阀芯，阀芯组件位移直接用步进电机编码器进行度量，取消了先导级位移传感器。本发明主级的阀口结构形式，采用非全周开口的形式，通过U型节流槽实现阀口流量分段控制，通过在不同时间段的速度规划，本发明既实现了大惯量缸的快速运动需求，同时也实现了大惯量系统的位移精确控制问题。

技术研发人员：张鹤,朱恺,王学国,张斌,曹会杰,季清华,陈威,王谦
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/26