阅读说明：本技术 一种阀芯阀套配合副及其液/气动力补偿方法 (Valve core and valve sleeve matching pair and hydraulic/pneumatic force compensation method thereof ) 是由 高隆隆 李宝仁 杜经民 傅晓云 杨钢 吴川 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阀芯阀套配合副及其液/气动力补偿方法,属于液压/气动领域,阀套上与阀芯控制边配合形成节流作用的开口为方形直孔、起到通流作用的开口为斜孔,方形直孔的轴线与阀芯轴线相交成直角,斜孔的轴线与阀芯轴线相交成锐角或者钝角,斜孔用作阀套与阀芯间倾斜流道,以此方式,在不改变滑阀工作边结构的基础上,使高压流体以一定倾斜角度流入或流出阀腔,增加了阀腔控制体进口端或出口端轴向动量分量,从而减小流出与流入阀腔的动量差值,实现滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的补偿。本发明还提供了其液/气动力补偿方法。本发明结构能实现滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的补偿,最终能提高滑阀的动态响应能力以及控制精度。(The invention discloses a valve core and valve sleeve matching pair and a liquid/pneumatic force compensation method thereof, belonging to the hydraulic/pneumatic field, wherein an opening on a valve sleeve, which is matched with a valve core control edge to form a throttling function, is a square straight hole, an opening playing a through-flow function is an inclined hole, the axis of the square straight hole is intersected with the axis of the valve core to form a right angle, the axis of the inclined hole is intersected with the axis of the valve core to form an acute angle or an obtuse angle, and the inclined hole is used as an inclined flow channel between the valve sleeve and the valve core. The invention also provides a liquid/pneumatic force compensation method thereof. The structure of the invention can realize the compensation of the steady-state hydraulic/pneumatic force of the slide valve type hydraulic/pneumatic valve, and finally can improve the dynamic response capability and the control precision of the slide valve.)

一种阀芯阀套配合副及其液/气动力补偿方法

技术领域

本发明属于液压/气动技术领域，更具体地，涉及一种阀芯阀套配合副及其液/气动力补偿方法。

背景技术

液压技术具有功率重量比大、体积小、频响高、压力和流量可控性好、可柔性传送动力、易实现直线运动等优点，且易与微电子、电气技术结合，形成自动控制系统，因此液压技术在各种工业生产中具有广阔的应用前景。

气动技术因其工作介质为压缩空气，具有低成本、能源清洁无污染、易操作等优点，其广泛应用于现代工业的各个领域。相比于低压气动技术，高压气动技术有利于元件结构的小型化及执行机构高速化，因此，成为当前国内外流体传动与控制领域的研究热点之一。

滑阀式液压/气动阀是液压/气动伺服系统的核心部件，其中，高压高速流体作用在阀芯上的液/气动力不能忽视，对其驱动装置构成阻力作用，成为影响滑阀式液压/气动阀的动态响应与控制精度的重要干扰力。因此，如何有效补偿和消除滑阀液/气动力成为了液压/气动伺服系统研究与技术发展的瓶颈。

补偿液/气动力的方法主要包括如下方法：(1)阀套运动法，这种方法将阀芯受到的力转移到运动的阀套上面，从而减小阀芯的受力；(2)流道改造法，通过阀芯结构的改变，改善流体流经阀体内部的流线形状，减小液动力；(3)非全周开口，在阀芯上开U型槽，由于阀口引流作用减小射流角，从而减小液动力。

滑阀式液压/气动阀主要通过阀芯工作边调节流量与压力，加工过程需要精确控制阀芯工作边圆角大小，因此不宜采用改变阀芯工作边形状来补偿液/气动力的方法。

因此，需要开发一种新的补偿方法或者补偿结构，以简单、方便地来补偿液/气动力。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种阀芯阀套配合副及其液/气动力补偿方法，其目的在于，通过在阀芯和阀套间设计倾斜流道，使得高压流体以一定倾斜角度流入或流出阀腔，以此方式，增加阀腔控制体进口端或出口端轴向动量分量，最终可实现滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的补偿。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种阀芯阀套配合副，阀套上与阀芯控制边配合形成节流作用的开口为方形直孔、起到通流作用的开口为斜孔，方形直孔的轴线与阀芯轴线相交成直角，斜孔的轴线与阀芯轴线相交成锐角或者钝角，斜孔用作阀套与阀芯间倾斜流道，以此方式，在不改变滑阀工作边结构的基础上，使高压流体以一定倾斜角度流入或流出阀腔，增加了阀腔控制体进口端或出口端轴向动量分量，从而减小流出与流入阀腔的动量差值，实现滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的补偿。

进一步的，其为二位二通滑阀配合副，阀芯与阀套采用间隙密封，其阀芯具有一个工作边，工作边靠近阀套的方形直孔；阀套上斜孔的方向与阀芯轴向能形成一个锐角。

进一步的，所述阀芯具有两个凸肩与阀套的开孔配合，右侧凸肩的左端面为工作边，沿着阀套的轴向方向，从左向右依次开有一个斜孔与一个方形直孔，分别作为滑阀的P口和A口，设置斜孔以使流入和流出P口的流体方向与阀芯轴向的角度呈锐角，从而增加了流入和流出P口的流体动量的轴向分量，起到了补偿稳态液/气动力的作用。

进一步的，其为三位三通滑阀配合副，阀芯与阀套采用间隙密封，其阀芯具有两个工作边。

进一步的，阀芯有三个凸肩和阀套的开孔配合，中间凸肩的左右端面为工作边，沿着阀套的轴向方向，从左向右依次开有一个斜孔、一个方形直孔和又一个斜孔，分别作为滑阀的T口、A口和P口，T口和P口关于阀芯轴线的中垂线对称，两个斜孔的设置使得流入和流出P口和T口的流体角度与阀芯轴线均呈锐角，从而增加了流入和流出P口和T口的流体动量的轴向分量，当阀芯处于左位和右位时均能起到补偿液/气动力的作用。

进一步的，其为三位五通滑阀配合副，阀芯与阀套采用间隙密封，其阀芯具有四个工作边。

进一步的，沿着阀套的轴向方向，从左到右依次是斜孔、方形直孔、双斜孔、又一个方形直孔、又一个斜孔，分别为作为滑阀的T口、A口、P口、B口和又一个T口，双斜孔是两个斜孔共用一个开口而形成的开孔，该两个斜孔关于阀芯轴线的中垂线对称，阀芯具有四个凸肩和阀套的开孔配合，其中，A口和B口处凸肩的左右端面为工作边，共计四个工作边，阀芯的中部为纺锤形，其外圆面同样与阀套内孔成间隙配合，以将P口处的阀腔分成两个独立的腔室，阀套的A口和B口为方形直孔，左右边T口的轴线关于阀芯轴线的中垂线对称，阀套上斜孔以及阀芯中部纺锤形的设置，使得流入和流出P口和两个T口的流体与阀芯轴线呈锐角，从而增加了流入和流出P口和两个T口的流体动量的轴向分量，当阀芯处于左位和右位时均能起到补偿液/气动力的作用。

按照本发明的另一方面，提供了一种滑阀的液/气动力补偿方法，其阀套与阀芯间的流道相对阀芯轴线成倾斜而非垂直，以形成X流道，从而在不改变滑阀工作边结构的基础上，通过设计X流道，使高压流体以一定倾斜角度流入或流出阀腔，以此方式，增加阀腔控制体进口端或出口端轴向动量分量，从而减小流出与流入阀腔的动量差值，实现滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的补偿。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提出的阀芯阀套配合副中，阀套与阀芯的流道为倾斜设计，形成了X流道，在不改变滑阀工作边结构的基础上，通过设计X流道，使高压流体以一定倾斜角度流入或流出阀腔，增加了阀腔控制体进口端或出口端轴向动量分量，从而减小流出与流入阀腔的动量差值，实现滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的补偿，最终能提高滑阀的动态响应能力以及控制精度。

附图说明

图1是优化前二位二通滑阀式液压/气动阀结构示意图；

图2a是本发明实施例中二位二通液/气动力补偿滑阀的常闭状态结构的剖面示意图；

图2b是图2a的外形图，而不是剖面图，能更为清晰的看到直孔和斜孔；

图3是本发明实施例中二位二通液/气动力补偿滑阀的开启状态结构示意图；

图4是本发明实施例中优化前三位三通滑阀式液压/气动阀结构示意图；

图5是本发明实施例中三位三通液/气动力补偿滑阀的中位结构示意图；

图6是本发明实施例中三位三通液/气动力补偿滑阀的左位结构示意图；

图7是本发明实施例中三位三通液/气动力补偿滑阀的右位结构示意图；

图8是优化前三位五通滑阀式液压/气动阀结构示意图；

图9是本发明实施例中三位五通液/气动力补偿滑阀的中位结构示意图；

图10是本发明实施例中三位五通液/气动力补偿滑阀的左位结构示意图；

图11是本发明实施例中三位五通液/气动力补偿滑阀的右位结构示意图；

图12是本发明实施例中液/气动力的产生机理和影响因素原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、阀芯 2、阀套 3、密封圈

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种基于X流道的滑阀液/气动力补偿结构及方法，对于滑阀式液压/气动阀，高压高速流体作用在滑阀阀芯上的液/气动力不能忽略，对其驱动装置构成阻力作用，成为影响滑阀式液压/气动阀动态响应与控制精度的重要干扰力。

基于滑阀式液压/气动阀受到较大稳态液/气动力影响，本发明申请提出了阀套与阀芯间流道倾斜改造的方式，并针对二位二通滑阀式液压/气动阀、三位三通滑阀式液压/气动阀和三位五通滑阀式液压/气动阀分别构造了单X流道、双X流道及四X流道结构。在不改变滑阀工作边结构的基础上，通过设计X流道，使高压流体以一定倾斜角度流入或流出阀腔，增加了阀腔控制体进口端或出口端轴向动量分量，从而减小流出与流入阀腔的动量差值，实现滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的补偿。该结构有效减小了滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的大小，降低了液/气动力对滑阀式液压/气动阀驱动装置的影响，具有原理简单、结构小巧、加工方便、适用范围广等特点。

基于X流道的滑阀液/气动力补偿结构改造主要体现在阀芯阀套配合副上，阀芯阀套配合副主题结构包括阀芯、阀套和密封圈。阀套的设计既保证了加工工艺的可行性，又保证了当密封面出现磨损时便于维修和更换。为了使阀芯尽可能接近直角锐边的理想滑阀，在加工过程中需要精确控制阀芯工作边圆角大小。同时，与阀芯控制边配合形成节流作用的阀套窗口为矩形方孔，滑阀工作时阀口开度小，阀芯阀套配合形成方形截面喷嘴。阀芯凸肩的外圆面和阀套的内表面为精密的间隙配合，不具有互换性，在实际工程中需要注意成套加工、使用和更换。密封圈用于阀套和阀体之间的密封，使滑阀的几个工作口不会相互泄露。

为了更详细的说明本发明的滑阀的阀芯阀套配合副，下面结合具体的附图进一步详细地说明。

图1是优化前二位二通滑阀式液压/气动阀结构示意图，由图可知，其沿着阀套的轴线方向，从左向右依次开有均布的直孔、方形直孔，这是传统的滑阀开口的设计方式。这样的设计方式使得滑阀式液压/气动阀动态响应与控制精度受到较大干扰。

图2a是本发明实施例中二位二通液/气动力补偿滑阀的常闭状态结构示意图，图2b是图2a的外形图，而不是剖面图，能更为清晰的看到直孔和斜孔，图3是本发明实施例中二位二通液/气动力补偿滑阀的开启状态结构示意图，其中，1为阀芯、2为阀套、3为密封圈。结合两图可知，图2和图3所示的阀芯有2个凸肩与阀套的开孔配合，右侧凸肩的左端面为工作边。在图2中，沿着阀套的轴线方向，从左向右依次开有一个斜孔与一个方形直孔，分别作为滑阀的P口和A口。斜孔的设计使得流入和流出P口的流体方向角度呈锐角，从而增加了流入和流出P口的流体动量的轴向分量，起到了补偿稳态液/气动力的作用。

更具体的，工作边所在的滑阀式液压/气动阀阀口可等效为可变节流口，用来调节流量与压力。对于二位二通滑阀式液压/气动阀，其常态如图2所示，阀芯1具有一个工作边，阀套2采用流道倾斜改造法，即令阀套上斜孔的方向与阀芯轴向能形成一个锐角。如图3所示，当阀芯右移时，流体在P口和A口处的流线形状与X形状类似，以下都简称“X流道”。

图4是本发明实施例中优化前三位三通滑阀式液压/气动阀结构示意图，由图可知，其也沿着阀套的轴线方向，从左向右依次开有多个均布的直孔、方形直孔、又一直孔，这是传统的滑阀开口的设计方式。这样的设计方式使得滑阀式液压/气动阀动态响应与控制精度受到较大干扰。

图5是本发明实施例中三位三通液/气动力补偿滑阀的中位结构示意图，由图可知，阀芯1具有两个工作边，阀套2也采用了流道倾斜改造。在图5中，阀芯有三个凸肩和阀套中心的开孔配合，中间凸肩的左右端面为工作边，沿着阀套的轴向方向，从左向右依次开有一个斜孔、一个方形直孔和又一个斜孔，分别作为滑阀的T口、A口和P口，其中T口和P口的轴向方向关于阀芯轴线的中垂线对称，两个对称的斜孔的设置使得流入和流出P口和T口的流体角度与呈锐角，从而增加了流入和流出P口和T口的流体动量的轴向分量，当阀芯处于左位和右位时均能起到补偿液/气动力的作用。

图6是本发明实施例中三位三通液/气动力补偿滑阀的左位结构示意图，图7是本发明实施例中三位三通液/气动力补偿滑阀的右位结构示意图，结合两图可知，如图6所示，当阀芯向左运动时，A口与T口处形成一处X流道。如图7所示，当阀芯向右运动时，A口和P口处形成另一处X流道，总共形成两处X流道。

图8是优化前三位五通滑阀式液压/气动阀结构示意图，由图可知，其沿着阀套的轴线方向，从左向右依次开有直孔、方形直孔、又一直孔、又一方形直孔、又一直孔，这是传统的滑阀开口的设计方式。这样的设计方式使得滑阀式液压/气动阀动态响应与控制精度受到较大干扰。

图9是本发明实施例中三位五通液/气动力补偿滑阀的中位结构示意图，由图可知，阀套同样采用流道倾斜改造方式，沿着阀套的轴向方向，从左到右依次是斜孔、方形直孔、双斜孔、又一个方形直孔、又一个斜孔，分别为作为滑阀的T口、A口、P口、B口和又一个T口，双斜孔是两个斜孔共用一个开口而形成的开孔，该两个斜孔关于阀芯轴线的中垂线对称。阀芯具有四个凸肩和阀套中心的开孔配合。其中，A口和B口处凸肩的左右端面为工作边，共计四个工作边。阀芯中间部位设计成纺锤形，将P口处的阀腔分成两个独立的腔室。

图10是本发明实施例中三位五通液/气动力补偿滑阀的左位结构示意图，图11是本发明实施例中三位五通液/气动力补偿滑阀的右位结构示意图，由以上两图可知，当阀芯向左运动时，P口和A口、B口和T口处形成两处X流道。当阀芯向右运动时，P口和B口、A口和T口处形成另外两处X流道，总共形成四处X流道。如图10所示，三位五通阀的P口和T口靠近阀芯1的非工作边，由于P口在阀芯向左向右运动时分别与A口和B口相通，因此，阀套的P口处设计了两个倾斜方向相对称的流道，使得流入和流出P口和T口的流体角度呈锐角，从而增加了流入和流出P口和T口的流体动量的轴向分量。

本发明申请提出了阀套与阀芯的流道倾斜改造法，在不改变滑阀工作边结构的基础上，通过设计X流道，使高压流体以一定倾斜角度流入或流出阀腔，增加了阀腔控制体进口端或出口端轴向动量分量，从而减小流出与流入阀腔的动量差值，实现滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的补偿。

其中，阀套与阀芯的流道倾斜的角度大小会影响稳态液/气动力补偿的效果，当角度为90°时，高压流体速度的轴向分量为0，此时没有补偿作用；当角度从90°开始减小，高压流体速度的轴向分量增大，补偿作用加强。

在实际工程实践中，随着流道倾斜角度的不同，液/气动力的补偿作用也会不同，可能出现欠补偿、过补偿等现象，造成补偿效果不明显或稳态液/气动力方向从使阀芯趋向于关闭方向变为使阀芯趋向于开启方向。针对不同的滑阀式液压/气动阀，为了获得当前结构下的最佳的流道倾斜角度，应具体结构具体分析，采用合适的优化算法获得流道倾斜角度的最优解。

本发明结构能有效减小滑阀式液压/气动阀阀口液/气动力的大小，降低了液/气动力对阀芯位移控制的影响，补偿方法与结构具有原理简单、结构小巧、加工方便、适用范围广等特点。

本发明还提供了一种滑阀的液/气动力补偿方法，其阀套与阀芯间的流道相对阀芯轴线成倾斜而非垂直，以形成X流道，从而在不改变滑阀工作边结构的基础上，通过设计X流道，使高压流体以一定倾斜角度流入或流出阀腔，以此方式，增加阀腔控制体进口端或出口端轴向动量分量，从而减小流出与流入阀腔的动量差值，实现滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力的补偿。

作为补充地，下面就更深层次的原理进行详细的分析：

本发明为从理论分析的角度得出液/气动力的产生机理和影响因素，现取阀腔内气体为控制体(虚线)作为研究对象，如图12所示。其中dS为控制微元，则阀芯所受作用力F_spool为：

式中，F_p为作用在阀芯上的静压力，F_τ为阀杆所受粘性力，S为控制体面积，p_x为控制微元所受的正压力沿x方向的分量，τ_x为控制微元所受的剪切力沿x方向的分量，p_r、p_l分别为阀芯右端面、左端面所受正压力，τ_rod为流体对阀杆的剪切力，S_land为阀腔环形面积，S_rod为阀杆圆周表面积。

但由于流体流经阀口时运动复杂，工程应用中无法得到速度、压力实际分布状态的精确数学表达式，导致难于通过理论分析方法积分求解稳态液/气动力。而根据牛顿第三定律作用力与反作用力的关系，运用动量守恒原理，可以避免寻找壁面压力分布数学表达式的困难，则阀芯所受作用力F_spool可表示为：

式中，ρ为高压流体密度，u_x为流体速度轴向分量，u_n为流体微元法向速度分量，x为控制微元对应的横坐标，t为时间，u_n＝u·n，u为流体速度矢量，n为流体微元单位法向量，F_efflux为阀芯端面受到的力，由式(2)可看出力F_spool由稳态液/气动力与瞬态液/气动力两部分组成，由于气体的粘性导致作用在阀芯上的粘性剪切力F_rod+sleeve为：

式中，μ气体的动力粘度，y为控制微元对应的纵坐标，但阀芯阀套接触面积小，粘性力较小，可将粘性剪切力F_rod+sleeve忽略不计，因此，依据动量定理可得稳态液/气动力的大小为高压流体流出控制体时动量与流入控制体时动量在阀芯轴向分量之差，其表达式可写为：

式中，F_s——稳态液/气动力；

u_in——流入控制体流体速度；

u_out——流出控制体流体速度；

Q_m——流体质量流量；

θ_in——流入控制体射流角；

θ_out——流出控制体射流角，流体方向与阀芯轴线夹角。

综上所述，公式(2)和(4)提供了两种不同的方法求解滑阀式液压/气动阀稳态液/气动力。

由公式(4)可知，稳态液/气动力大小与气体的质量流量、流入与流出的射流角与速度均相关，因此在保证气体质量流量不变的前提下要补偿稳态液/气动力，应减小气体流出阀腔与流入阀腔轴向速度分量差值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。