CN121184436A - 接触式阀芯位置检测的液压阀及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种接触式阀芯位置检测的液压阀及其控制方法，阀体设有沿其轴向贯穿的阀芯孔，阀芯设于阀芯孔内。阀体的侧壁设有沿其径向贯穿的进油口、回油口和工作油口。进油口连通于油源，工作油口连通于外部负载的进口，回油口连通于回油箱。阀芯驱动部连接于阀芯的第一端，用于驱动阀芯沿阀体的轴向方向在第一位置和第二位置之间运动。压力传感器设于工作油口和进油口，用于检测工作油口和进油口之间的压差。位移传感器包括接触头和伸缩触杆，伸缩触杆连接于接触头的第一端，接触头的第二端抵接于阀芯的第二端，以跟随阀芯运动。解决了现有技术中存在的阀芯具体位移量难以精准确定，导致液压控制阀精度不佳的问题。

Description

接触式阀芯位置检测的液压阀及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压阀领域，尤其是涉及一种接触式阀芯位置检测的液压阀及其控制方法。

背景技术

在液压传动与控制系统中，液压控制阀作为控制整个液压系统各个机构工作的核心精密部件，其性能直接影响整个系统的可靠性、控制精度与寿命。而控制阀的阀芯在阀体内的位移量是关键参数，直接关系到控制阀油口的通断状态、流量大小及方向，进而影响执行机构动作的精准控制。因此，对阀芯位移进行精确、可靠且高效的检测，对于阀类产品的性能验证、质量控制和故障诊断，对整个液压系统精确控制和可靠运行很重要都有至关重要的意义。

目前在液压传动与控制系统中，一般使用液控、电控或者机械操纵杆来驱动阀芯运动，一些精度要求高的场合多使用步进电机或者伺服电机来控制阀芯运动，依靠电机的输入参数来反算阀芯位置。其中步进电机依靠输入脉冲数量来确认电机圈数，然后通过丝杠导程乘以电机圈数来确定阀芯位移量。但是在实际应用中，因为负载变化或者电机匹配等原因，会出现步进电机“丢步”现象，此时再通过脉冲数量来反算阀芯位移就不准确了，此方案存在一定的不确定性。当使用伺服电机来驱动阀芯运动时，主要依靠伺服电机轴端的编码器来实时测量伺服电机的驱动角度，并通过PID闭环控制算法来确认阀芯的具体位移，此方案多数时间需要根据具体的负载惯性、刚性进行优化整定，参数设置不当会导致系统响应迟缓、抖动或定位超调，影响动态精度。

可见，现有技术存在阀芯具体位移量难以精准确定，导致液压控制阀精度不佳的问题。

发明内容

本发明提供了一种接触式阀芯位置检测的液压阀及其控制方法，解决了现有技术中存在的阀芯具体位移量难以精准确定，导致液压控制阀精度不佳的问题。

本发明提供了一种接触式阀芯位置检测的液压阀，包括阀芯、阀体、压力传感器、位移传感器、阀芯驱动部以及控制器。

阀体设有沿其轴向贯穿的阀芯孔，阀芯设于阀芯孔内；阀体的侧壁设有沿其径向贯穿的进油口、回油口和工作油口；进油口连通于油源，工作油口连通于外部负载的进口，回油口连通于回油箱；

阀芯驱动部连接于阀芯的第一端，用于驱动阀芯沿阀体的轴向方向在第一位置和第二位置之间运动，以控制进油口、回油口以及工作油口的开度。

压力传感器设于工作油口和进油口，用于检测工作油口和进油口之间的压差；

位移传感器包括接触头和伸缩触杆，伸缩触杆连接于接触头的第一端，接触头的第二端抵接于阀芯的第二端，以跟随阀芯运动。

位移传感器、压力传感器以及阀芯驱动部均电连接控制器。

可选的，阀体和阀芯为滑阀式三位四通结构。

可选的，沿阀体的径向，工作油口和回油口相背设置，沿阀体的周向，进油口位于工作油口和回油口之间。

可选的，工作油口包括沿阀体轴向间隔设置的第一油口和第二油口，第一位置和第二位置之间具有中间位置；

当阀芯运动至中间位置时，进油口连通于回油口；

当阀芯运动至第一位置时，进油口连通于第一油口，回油口连通于第二油口；

当阀芯运动至第二位置时，进油口连通于第二油口，回油口连通于第一油口。

可选的，接触式阀芯位置检测的液压阀还包括第一端盖和第二端盖，第一端盖设于阀体远离位移传感器的一端，第二端盖设于阀体的另一端，位移传感器的至少部分位于第二端盖内。

可选的，阀芯的外壁硬度HRC＞40。

可选的，阀芯的第二端的端面粗糙度Ra＜1.6。

可选的，阀芯的第二端的端面与阀芯轴心的垂直度小于0.1。

本发明还提供一种接触式阀芯位置检测的液压阀的控制方法，用于控制上述各实施例及可能的实施方式所涉及的接触式阀芯位置检测的液压阀。控制方法包括：

接收目标开度信息并驱动阀芯运动至目标位置；

接收液压阀在目标位位置的压力信息和位移信息，压力信息表征了第一油口和第二油口之间的压差；位移信息表征了阀芯的移动位移；

根据液压阀的参数信息、压力信息和位移信息，确定液压阀的当前流量信息；其中，液压阀的参数信息包括液压油的密度和阀芯的横截面积；

根据当前流量信息和目标开度信息调整阀芯的位置。

可选的，阀芯的每一个位移信息对应一个阀体的通流面积，根据液压阀的参数信息、压力信息和位移信息，确定液压阀的当前流量信息，是根据以下公式确定的：

其中，Q表征了液压阀的当前流量；

C为流量系数；

ρ为液压油的密度；

ΔP表示第一油口与进油口的相对压力与第二油口与进油口的相对压力之间的压差；

A表示当前位移信息对应的阀体的通流面积。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明通过设置在工作油口的压力传感器和设置在阀芯第二端的位移传感器，通过获取阀芯的位移可以计算出具体阀口开度时的过流流量，进而确定阀门此时的当前开度，然后控制器可以将目标开度(或可理解为目标流量)和当前开度(或可理解为当前流量)进行比较，并动态调整控制指令，确保阀芯始终处于正确的位置，提高液压阀的控制精度。

2、由于阀芯位置准确可控，因而其可以实现流量的精准分配，在实际使用中可以精确控制阀芯驱动部的速度和扭矩，避免传统技术中通过节流或者溢流来调节速度而产生大量节流损失和热损耗，进而能够延长液压油和密封件的寿命，减小了冷却系统的负荷。

3、本发明能够实现阀芯位置的精准检测，进而可以对液压系统进行故障诊断和预测性维护，例如阀芯位置不准确或者卡死等故障，系统可立刻报警，提示阀芯卡滞，以避免更大的故障。

4、本发明可以通过实时监测阀芯响应时间的变化趋势，预测液压阀的磨损情况，进而实现液压阀的预测性维护。

附图说明

图1为本发明实施例接触式阀芯位置检测的液压阀的剖视结构示意图；

图2为本发明实施例接触式阀芯位置检测的液压阀的电控连接示意图；

图3为本发明实施例接触式阀芯位置检测的液压阀的控制方法的流程示意图。

附图标记说明：

1、接触式阀芯位置检测的液压阀；

11、阀芯；111、第一端；112、第二端；113、台肩；114、沉割槽；

12、阀体；120、阀芯孔；121、进油口；122、回油口；123、工作油口；124、第一油口；125、第二油口；

13、位移传感器；131、接触头；132、伸缩触杆；133、安装螺母；134、信号处理盒；135、接线端子；

141、第一端盖；142、第二端盖；

15、压力传感器；16、阀芯驱动部；17、控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供了一种接触式阀芯位置检测的液压阀1，请参见图1和图2，包括阀芯11、阀体12、压力传感器15、位移传感器13、阀芯驱动部16以及控制器17。如图2所示，位移传感器13、压力传感器15以及阀芯驱动部16均电连接控制器17。

请参见图1，阀体12设有沿其轴向贯穿的阀芯孔120，阀芯11设于阀芯孔120内。阀体12的侧壁设有沿其径向贯穿的进油口121、回油口122和工作油口123。进油口121连通于油源，工作油口123连通于外部负载的进口，回油口122连通于回油箱。其中，外部负载可例如为执行机构，例如油缸、马达等。

阀芯驱动部(图1中未示出)连接于阀芯11的第一端111，用于驱动阀芯11沿阀体12的轴向方向在第一位置和第二位置之间运动，以控制进油口121、回油口122以及工作油口123的开度。

压力传感器15(图1中未示出)设于工作油口123，用于检测工作油口的当前压力。位移传感器13包括接触头131和伸缩触杆132，伸缩触杆132连接于接触头131的第一端，接触头131的第二端抵接于阀芯11的第二端112，以跟随阀芯11运动。阀芯驱动部可以是液控、电控或者机械方式，本发明对此不作限定。

本发明通过设置在工作油口的压力传感器和设置在阀芯11第二端的位移传感器13，因而能够通过获取阀芯11的位移计算出具体阀口开度时的过流流量，进而确定阀门此时的当前开度，通过控制器17可以将目标开度(或可理解为目标流量)和当前开度(或可理解为当前流量)进行比较，并动态调整控制指令，确保阀芯11始终处于正确的位置，提高了液压阀的控制精度。

由于阀芯11位置准确可控，因而其可以实现流量的精准分配，在实际使用中可以精确控制阀芯驱动部16的速度和扭矩，避免传统技术中通过节流或者溢流来调节速度而产生大量节流损失和热损耗，进而能够延长液压油和密封件的寿命，减小了冷却系统的负荷。本发明还能够通过阀芯位置的精准检测，对液压系统进行故障诊断和预测性维护，例如阀芯位置不准确或者卡死等故障，系统可立刻报警，提示阀芯卡滞，以避免更大的故障。

此外，本发明可以通过实时监测阀芯响应时间的变化趋势，预测液压阀的磨损情况，进而实现液压阀的预测性维护。

一个实施方式中，阀体12和阀芯11为滑阀式三位四通结构。或可理解为：阀体12和阀芯11采用滑阀结构，阀芯11在阀体12内作轴向滑动，通过阀芯11上的台肩113和沉割槽114的配合实现油路通断。三位的含义为：阀芯11有三个稳定工作位置。

具体的一个实施方式中，工作油口123包括沿阀体12轴向间隔设置的第一油口124和第二油口125，前述第一位置和第二位置之间具有中间位置；

当阀芯运动至中间位置时，进油口121连通于回油口122。

当阀芯运动至第一位置时，进油口121连通于第一油口124，回油口122连通于第二油口125。

当阀芯11运动至第二位置时，进油口121连通于第二油口125，回油口122连通于第一油口124。

一个实施方式中，上述中间位置可理解为常态位，此时阀芯11居中，第一位置可例如为阀芯11向左移动至左位，第二位置可例如为阀芯11向右移动至右位。

其他可替代的实施方式中，阀芯11在不同位置各油口也可以与上述不同的连通方式，只要阀芯11能够通过三个稳定工作位置控制不同油口的连通关系，就不脱离本发明实施例的范围。

进一步的实施方式中，沿阀体12的径向，工作油口123和回油口122相背设置，沿阀体12的周向，进油口121位于工作油口123和回油口122之间。

进一步的，一个实施方式中，接触式阀芯位置检测的液压阀1还包括第一端盖141和第二端盖142，第一端盖141设于阀体12远离位移传感器13的一端，第二端盖142设于阀体12的另一端，位移传感器13的至少部分位于第二端盖142内。一个实施方式中，位移传感器13是通过带密封的安装螺母133安装于第二端盖142的。

一种举例的实施方式中，位移传感器13还包括信号处理盒134和接线端子135。位移传感器13通过信号处理盒134和接线端子135电连接于控制器17。液压阀装配时，伸缩触杆会被压缩固定至中间位置，以便左右测量阀芯11位移，安装好后使用缩紧螺母安装固定，程序调整当前阀芯位置为零位。一种实施方式中，位移传感器13为绝对型刻度尺脉冲系统，测量精度为1um，分辨率为0.1um，采样周期1ms，外壳防护等级IP67，触头部分耐压30bar。

一个实施方式中，阀芯11外表面需要做硬化处理，硬度HRC＞40，一个实施方式中，阀芯11的第二端112的端面(或可理解为与传感器接触端面)的粗糙度Ra＜1.6。一个实施方式中，阀芯11的第二端112的端面与阀芯11轴心的垂直度小于0.1。

本领域技术人员可以理解的是，进油口121可被称作是P口，回油口122可被称作是T口，工作油口123可被称作为A/B口，一种举例的工作过程中，P口接液压泵出口油源，控制端(手柄)给出指令到达阀芯11两端，阀芯在控制压力油或者机械操纵杆作用下会向左或者向右移动，此时P口压力油通过A/B口流向执行机构，回油经T口流回液压油箱。同时，阀芯11在向左或者向右移动时，会推动位移传感器的13的接触头131带动伸缩触杆132运动，因为位移传感器13在阀芯11中位时显示为零，当阀芯11向左移动时伸缩触杆132伸出，位移信息显示为正，当阀芯11向右移动时，伸缩触杆132缩回，位移信息显示为负。由于位移传感器13采样周期为1ms，分辨率为0.1um，因此阀芯11极小的位移都可检测到，进一步提高了阀芯11位移的精准检测能力。

本发明还提供了一种接触式阀芯位置检测的液压阀的控制方法，用于控制上述各实施例及可能的实施方式所涉及的接触式阀芯位置检测的液压阀。请参见图3，控制方法包括：

步骤S1：接收目标开度信息并驱动阀芯运动至目标位置。

步骤S2：接收液压阀在目标位位置的压力信息和位移信息，压力信息表征了第一油口和第二油口之间的压差；位移信息表征了阀芯的移动位移。

步骤S3：根据液压阀的参数信息、压力信息和位移信息，确定液压阀的当前流量信息；其中，液压阀的参数信息包括液压油的密度和阀芯的横截面积。

步骤S4：根据当前流量信息和目标开度信息调整阀芯的位置。

一个实施方式中，阀芯的每一个位移信息均对应一个阀体通流面积，步骤S3是根据以下公式确定的：

其中，Q表征了液压阀的当前流量；

C为流量系数；

ρ为液压油的密度；

ΔP表示第一油口与进油口的相对压力与第二油口与进油口的相对压力之间的压差；

A表示当前位移信息对应的阀体的通流面积。

可见，利用加装在阀体的A/B口的压力传感器，结合阀芯的位移信息，则可根据阀口流量公式，很容易计算出具体阀口开度时的过流流量，进而确定阀芯的当前位置，然后控制器可以将“目标位置”与“当前位置”进行比较，并动态调整控制指令，确保阀芯始终处于正确的位置。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种接触式阀芯位置检测的液压阀，其特征在于，包括阀芯、阀体、压力传感器、位移传感器、阀芯驱动部以及控制器；

所述阀体设有沿其轴向贯穿的阀芯孔，所述阀芯设于所述阀芯孔内；所述阀体的侧壁设有沿其径向贯穿的进油口、回油口和工作油口；所述进油口连通于油源，所述工作油口连通于外部负载的进口，所述回油口连通于回油箱；

所述阀芯驱动部连接于所述阀芯的第一端，用于驱动所述阀芯沿所述阀体的轴向方向在第一位置和第二位置之间运动，以控制所述进油口、所述回油口以及所述工作油口的开度；

所述压力传感器设于所述工作油口和所述进油口，用于检测所述工作油口和所述进油口之间的压差；

所述位移传感器包括接触头和伸缩触杆，所述伸缩触杆连接于所述接触头的第一端，所述接触头的第二端抵接于所述阀芯的第二端，以跟随所述阀芯运动；

所述位移传感器、所述压力传感器以及所述阀芯驱动部均电连接所述控制器。

2.根据权利要求1所述的接触式阀芯位置检测的液压阀，其特征在于，所述阀体和阀芯为滑阀式三位四通结构。

3.根据权利要求2所述的接触式阀芯位置检测的液压阀，其特征在于，沿所述阀体的径向，所述工作油口和所述回油口相背设置，沿所述阀体的周向，所述进油口位于所述工作油口和所述回油口之间。

4.根据权利要求2所述的接触式阀芯位置检测的液压阀，其特征在于，所述工作油口包括沿所述阀体轴向间隔设置的第一油口和第二油口，所述第一位置和所述第二位置之间具有中间位置；

当所述阀芯运动至所述中间位置时，所述进油口连通于所述回油口；

当所述阀芯运动至所述第一位置时，所述进油口连通于所述第一油口，所述回油口连通于所述第二油口；

当所述阀芯运动至所述第二位置时，所述进油口连通于所述第二油口，所述回油口连通于所述第一油口。

5.根据权利要求1所述的接触式阀芯位置检测的液压阀，其特征在于，还包括第一端盖和第二端盖，所述第一端盖设于所述阀体远离所述位移传感器的一端，所述第二端盖设于所述阀体的另一端，所述位移传感器的至少部分位于所述第二端盖内。

6.根据权利要求1～5任一项所述的接触式阀芯位置检测的液压阀，其特征在于，所述阀芯的外壁硬度HRC＞40。

7.根据权利要求1～5任一项所述的接触式阀芯位置检测的液压阀，其特征在于，所述阀芯的所述第二端的端面粗糙度Ra＜1.6。

8.根据权利要求1～5任一项所述的接触式阀芯位置检测的液压阀，其特征在于，所述阀芯的所述第二端的端面与所述阀芯轴心的垂直度小于0.1。

9.一种接触式阀芯位置检测的液压阀的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1～8任一项所述的接触式阀芯位置检测的液压阀，所述控制方法包括：

接收目标开度信息并驱动阀芯运动至目标位置；

接收液压阀在所述目标位位置的压力信息和位移信息，所述压力信息表征了第一油口和第二油口之间的压差；所述位移信息表征了所述阀芯的移动位移；

根据所述液压阀的参数信息、所述压力信息和所述位移信息，确定所述液压阀的当前流量信息；其中，所述液压阀的参数信息包括液压油的密度和所述阀芯的横截面积；

根据所述当前流量信息和所述目标开度信息调整所述阀芯的位置。

10.根据权利要求9所述的接触式阀芯位置检测的液压阀的控制方法，其特征在于，所述阀芯的每一个位移信息对应一个阀体的通流面积，所述根据所述液压阀的参数信息、所述压力信息和所述位移信息，确定所述液压阀的当前流量信息，是根据以下公式确定的：

其中，Q表征了所述液压阀的当前流量；

C为流量系数；

ρ为液压油的密度；

ΔP表示第一油口与所述进油口的相对压力与第二油口与所述进油口的相对压力之间的压差；

A表示当前位移信息对应的阀体的通流面积。