一种高响应深海压力自适应水压换向阀

1.本发明属于控制阀相关技术领域，更具体地，涉及一种高响应深海压力自适应水压换向阀。


背景技术：

2.占地球面积70％的辽阔海洋是人类生存和发展的资源宝库，随着科技的发展和海洋战略地位的不断提升，探索海洋已经成为了愈加重要的战略目标。水液压传动技术作为探索水下领域的主要技术方法，具有绿色环保、安全可靠、功率与质量比大等优点。水液压元件的种类和规格逐渐完善，应用前景十分广阔。
3.高速开关阀是现代数字液压系统中的重要控制元件。作为一种电液转换元件，其具有结构紧凑、控制方便、抗污染能力强、响应速度快等优点。高速开关阀直接利用脉冲信号来控制阀口的启闭，通过快速的启闭运动生成高频的离散流体，实现对不同流量的精确控制，是现代数字液压技术的重要研究方向之一。
4.目前液压系统中常用的控制元件一般为伺服阀，但伺服阀加工难度大、抗污染能力差。常见的三位四通换向阀为油压型滑阀，工作压力低、容易泄漏、并且响应速度慢，无法满足深海工况要求。因此，如何克服上述缺陷并研制出密封性好且能适应深海高压环境的水压换向阀，是深海水压传动需要解决的重要问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高响应深海压力自适应水压换向阀，其通过采用压力自补偿平衡的方式，实现了全海深范围内对液压系统的换向控制功能。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高响应深海压力自适应水压换向阀，所述换向阀包括阀块、宝塔接头及插装于所述阀块内的高速开关阀，所述高速开关阀包括电磁驱动组件，所述电磁驱动组件内设置有线圈；所述宝塔接头连接于所述电磁驱动组件，且其与所述线圈相连通；
7.通过所述宝塔接头向所述线圈内部注入有液压油；工作时，通过所述液压油的压力与外界压力自适应，进而使得所述线圈内部的压力与外界压力平衡，实现了所述换向阀对不同海深压力的适应。
8.进一步地，所述换向阀包括连接于所述阀块开口端的压盖，所述阀块开设有第二安装孔，所述高速开关阀设置在所述第二安装孔内；所述宝塔接头设置在所述压盖上；所述电磁驱动组件包括电磁铁壳体、电磁铁下端盖及线圈骨架，所述线圈套设在所述线圈骨架上；所述电磁铁下端盖连接于所述电磁铁壳体的一端；所述宝塔接头通过开设于所电磁铁壳体上的孔与所述线圈相连通。
9.进一步地，所述电磁驱动组件还包括极靴、复位弹簧及衔铁，所述极靴设置在所述线圈骨架内，其一端连接于所述电磁铁壳体，另一端通过所述复位弹簧与所述衔铁相连接；
所述衔铁的两端设置在所述线圈骨架及所述电磁铁下端盖内，且其与所述极靴间隔设置。
10.进一步地，所述极靴与所述衔铁之间的最大工气隙设置为0.43mm；通过给所述线圈通电以产生电磁场，电磁场对衔铁产生一个向上的电磁驱动力来使得衔铁朝向所述极靴运动，继而使得高速开关阀开启。
11.进一步地，所述电磁驱动组件包括第一导套、隔磁套及第二导套，所述第一导套、隔磁套及第二导套依次连接在一起形成环体，所述环体的一端套设在所述极靴上，另一端套设在所述衔铁上；所述电磁驱动组件还包括限位片，所述限位片连接于所述极靴邻近所述衔铁的一端。
12.进一步地，所述高速开关阀还包括阀体阀芯组件，所述衔铁与所述阀体阀芯组件相连通，所述高速开关阀开启时，流体自所述阀体阀芯经由所述电磁铁下端盖进入所述衔铁，并经由所述衔铁进入所述衔铁与所述极靴之间，使得所述衔铁浸在流体中。
13.进一步地，所述阀块开设有入口及出口；所述阀体阀芯组件包括阀体、阀座、球阀及推杆，所述阀座设置在所述阀体内，所述推杆的一端穿过所述阀体后连接于衔铁，另一端连接于所述球阀；所述阀座开设有阀孔，所述球阀与所述阀孔可分离的相连接；所述阀孔与所述入口相连通；所述阀体还开设有高速开关阀出口，所述高速开关阀出口与所述出口相连通，且其与所述衔铁相连通。
14.进一步地，通过所述线圈的通断电及所述复位弹簧来实现所述球阀与所述阀孔的连接及分离；电磁场作用于所述衔铁在，使得所述衔铁带动所述推杆朝向所述极靴运动，所述推杆带动所述球阀朝向所述极靴运动，使得所述球阀与所述阀孔分离，所述高速开关阀被开启；所述线圈断电时，所述衔铁在复位弹簧的作用下反向运动，使得所述球阀将所述阀孔密封，所述高速开关阀关闭。
15.进一步地，所述衔铁呈圆柱状，其一端开设有第一安装孔；所述推杆的一端通过所述第一安装孔连接于所述衔铁；所述衔铁的外周还开设有多个沿所述衔铁的轴向设置的弧形凹槽，所述弧形凹槽的底面开设有径向设置的径向孔，所述径向孔与所述第一安装孔相连通；所述弧形槽与高速开关阀出口相连通。
16.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，本发明提供的高响应深海压力自适应水压换向阀主要具有以下有益效果：
17.1.通过向线圈内注入液压油，使得使用时、线圈的内部压力与外部压力平衡，使得高速开关管阀可以适应不同海深压力下的工作条件，实现了压力自补偿平衡。
18.2.为解决深海水压阀易泄漏和低响应的问题，采用球阀结构来实现阀孔的开启及关闭，同时采用复位弹簧，使阀具备双向密封并且密封性能好，同时大大提升了复位时的响应速度。
19.3.导磁件设计为湿式电磁铁结构，取消了电磁铁与球阀之间的密封圈，使衔铁直接浸泡在高压水中，避免了运动时密封圈非线性摩擦力带来的影响。
20.4.为解决天然海水的自身腐蚀性对电磁运动组件和阀体阀芯组件的腐蚀磨损，导磁组件如极靴、衔铁等采用了不锈软磁合金1j117，具有导磁率高、饱和磁感应强度高、低矫顽力等优点，同时抗腐蚀性能强，能满足以海水作为工作介质的高压工况的使用要求，并且阀的响应速度快。
21.5.本发明中通过四个两位两通高速开关阀构成三位四通换向阀，可实现负载口之
间的独立控制，便于控制调节；且水压换向阀设计为插装结构，具有密封性好、安装维修方便等优点。
附图说明
22.图1是本发明提供的高响应深海压力自适应水压换向阀的结构示意图；
23.图2是图1中的高响应深海压力自适应水压换向阀沿一个角度的示意图；
24.图3是图1中的高响应深海压力自适应水压换向阀沿另一个角度的示意图；
25.图4是图1中的深海自适应水压换向阀的衔铁的结构示意图；
26.图5是本发明提供的一种液压系统的原理图。
27.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-阀块，2-第一安装螺钉，3-下端盖，4-阀座，5-球阀，6-阀体，7-螺堵，8导向套，9-第二安装螺钉，10-推杆，11-衔铁，12-第一导套，13-隔磁套，14-限位片，15-第二导套，16-复位弹簧，17-极靴，18-第三安装螺钉，19-线圈，20-线圈骨架，21-宝塔接头，22-电磁铁壳体，23-压盖，24-水密插接件安装板，25-导线引出孔，26-第四安装螺钉，27-电磁铁下端盖，28-第一组合密封圈，29-第二组合密封圈，30-第三组合密封圈，31-第四组合密封圈，32-第五组合密封圈，33-第六组合密封圈，34-第七组合密封圈，35-第三组高速开关阀出口，36-第一流道，37-第四组高速开关阀出口，38-水密插接件，39-第一组高速开关阀，40-第二流道，41-第二组高速开关阀，42-径向孔，43-弧形凹槽。
具体实施方式
28.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。
29.本发明提供了一种高响应深海压力自适应水压换向阀，所述换向阀适合在深海高压环境中使用，且具有双密封且密封性好、抗污能力强、响应速度快、可实现压力自动补偿等优点，解决了深海高压环境中传统的伺服滑阀加工难度大且易泄漏的问题，能够实现任何深度海域内液压系统的换向控制功能。
30.请参阅图1，所述换向阀包括阀块1、压盖23、多个高速开关阀及水密接插件38，所述压盖23连接于所述阀块1的一端，所述水密接插件38设置在所述压盖23上，其分别与多个高度开关阀相连接。多个所述高速开关阀分别插装在所述阀块1内。本实施方式中，所述高速开关阀的数量为四个。
31.请参阅图2及图3，所述压盖23通过第三安装螺钉18连接于所述阀块1的开口端，其朝向所述阀块1的一端开设有第三凹槽，所述第三凹槽用于收容部分所述高速开关阀。所述压盖23上还设置有四个宝塔接头21，四个所述宝塔接头21绕所述压盖23的中心轴均匀排布，且所述宝塔接头21与所述第三凹槽相连通。所述压盖23的另一端还开设有导线引出孔25，所述导线引出孔25与所述第三凹槽相连通，以用于供所述高速开关阀的导线通过。
32.所述阀块1朝向所述压盖23的一端开设有四个第一凹槽，四个所述第一凹槽均匀排布。所述第一凹槽的底部开设有第二凹槽，所述第二凹槽的底部开设有第一收容孔。所述
阀块1还开设有四个径向设置的第一阶梯孔，四个所述第一阶梯孔分别与四个所述第二凹槽的底部相连通，四个螺堵7分别设置在四个所述第一阶梯孔内。所述阀块1还开设有第一流道36、第二流道40及出口，所述第一流道36与所述第二流道40相交，呈十字状设置。所述出口沿所述阀块1的轴向设置，且其一端位于所述第一流道36与所述第二流道40的相交处，以使得所述第一流道36、所述第二流道40及出口相连通。所述第一流道36的两端分别与两个所述第二凹槽相连通，所述第二流道40的两端分别与另外两个所述第二凹槽相连通。所述阀块1还开设有入口，所述入口与所述第一收容孔相连通。
33.本实施方式中，对应的所述第一凹槽、所述第二凹槽及所述第一收容孔组成第二安装孔，四个所述第二安装孔分别用于收容四个所述高度开关阀。
34.所述高速开关阀包括相连接的电磁驱动组件和阀体6阀芯组件，所述阀体6阀芯组件包括阀体6、阀座4、下端盖3、第一安装螺钉2、球阀、导向套8及推杆10。
35.所述下端盖3设置在所述第一收容孔内，其通过第一安装螺钉2连接于所述阀体6，所述阀座4设置于所述阀体6内。所述下端盖3开设有连通孔。所述阀体6呈阶梯状，其一端设置在所述第一凹槽内，另一端穿过所述第二凹槽后伸入所述第一收容孔内与所述下端盖3相连接。所述阀体6相背的两端分别开设有阶梯槽及第七凹槽，所述第七凹槽的底面开设有第四通孔，所述第四通孔贯穿所述阶梯槽的底面。所述阀座4设置在所述第七凹槽及所述第四通孔内，所述阶梯槽的一侧与所述第一阶梯孔相连通。
36.四个高速开关阀分别称为第一组高速开关阀39、第二组高速开关阀41、第三组高速开关阀及第四组高速开关阀，四个所述阀体6分别对应的开设有第一组高速开关阀出口、第二组高速开关阀出口、第三组高速开关阀出口35及第四组高速开关阀出口37，对应的高度开关阀出口与阶梯槽相连通。
37.所述阀座4开设有阀孔，所述阀孔与所述阶梯槽相连通。所述阀孔的中心轴与所述连通孔的中心轴重合，且两者相连通。其中，流体通过依次通过所述连通孔及所述阀孔进入所述高速开关阀内。所述阀体6与所述第一收容孔之间设置有第六组合密封圈33，所述阀体6与所述第二凹槽之间设置有第五组合密封圈32。所述阀座4与所述阀体6之间设置有第七组合密封圈34。所述阀体6位于所述第一凹槽的一端内嵌有第四组合密封圈31。
38.所述导向套8设置在所述阶梯槽内，且其抵靠在所述阶梯槽的阶梯面上，并临近所述第四组合密封圈31设置。所述导向套8开设有第三通孔及多个第二通孔，所述第二通孔与所述阶梯槽相连通。所述第三通孔用于供推杆10通过。本实施方式中，所述第三通孔的中心轴与所述导向套8的中心轴重合，多个所述第二通孔绕所述第三通孔均匀排布。所述推杆10的一端连接于所述球阀，另一端穿过所述第三通孔后连接于所述电磁驱动组件。所述球阀与所述阀孔可分离的相连接。
39.所述电磁驱动组件包括衔铁11、第一导套12、隔磁套13、限位片14、第二导套15、复位弹簧16、极靴17、线圈19、线圈骨架20、电磁铁壳体22及电磁铁下端盖27。所述电磁铁壳体22的一端收容在所述第三凹槽内，另一端收容在所述第一凹槽内。收容在所述第一凹槽的一端与所述电磁铁下端盖27相连接，所述电磁铁下端盖27通过第二安装螺钉9与所述阀体6相连接。所述电磁铁壳体22形成有第四凹槽，所述第四凹槽的底面形成有第一凸起。所述线圈骨架20设置在所述第四凹槽内，其形成有第一环形槽及第二收容孔，所述第二收容孔的中心轴与所述线圈骨架20的中心轴重合，所述第一环形槽形成在所述线圈骨架20的外周
上。所述线圈19设置在所述第一环形槽内，其与所述第四凹槽的槽壁之间间隔设置。所述线圈19与所述第四凹槽之间的缝隙与对应的所述宝塔接头21相连通。
40.所述极靴17呈阶梯状，其大端开设有第五凹槽，小端开设有第二环形槽。所述极靴17设置在所述第二收容孔内，所述第一凸起设置在所述第五凹槽内。所述电磁铁下端盖27呈阶梯状，其一端收容在所述第四凹槽内，且该端与所述线圈骨架20相接触。所述电磁铁下端盖27收容在所述第四凹槽内的一端开设有第六凹槽，另一端开设有第一通孔。所述第一通通孔与所述第二通孔及所述第三通孔均相连通。
41.所述第一导套12、所述隔磁套13及所述第二导套15依次连接在一起形成环体，所述环体的一端套设在所述极靴17的小端上，另一端设置在所述第六凹槽内。所述限位片14设置在所述极靴17邻近所述衔铁11的一端上。
42.请参阅图4，所述衔铁11呈圆柱状，其相背的两端分别开设有第三环形槽及第一安装孔。所述衔铁11位于所述环体内，其与所述极靴17间隔设置。所述复位弹簧16设置在所述第二环形槽及所述第三环形槽内，其两端分别连接于所述第二环形槽的底面及所述第三环形槽的底面。所述推杆10的一端通过所述第一安装孔连接于所述衔铁11。所述衔铁11的外周还开设有多个沿所述衔铁11的轴向设置的弧形凹槽43，所述弧形凹槽43的底面开设有径向设置的径向孔42，所述径向孔42与所述第一安装孔相连通。所述弧形凹槽43与所述第一通孔相连通。
43.所述电磁铁下端盖27与所述第一导套12之间设置有第三组合密封圈30，所述电磁铁壳体22与所述电磁铁下端盖27之间设置有第一组合密封圈28；所述极靴17与所述第二导套15之间设置有第二组合密封圈29。所述水密插接件通过水密插接件安装板24连接于所述压盖23，所述水密插接件安装板24通过第四安装螺钉26连接于所述压盖23。其中，所述水密插接件与所述导线引出孔25相连通。
44.本实施方式中，所述衔铁11在所述线圈19通电时被吸引向所述极靴17；所述限位片14起到运动限位的作用，所述线圈19与外界通过第一组合密封圈28、第二组合密封圈29及第三组合密封圈30进行软密封；通过所述线圈19的通断电来实现所述球阀与所述阀孔之间的连接或者脱离，进而实现阀孔的启闭；其中，通过第六组合密封圈33及第七组合密封圈34来实现阀孔与外界的密封。
45.所述宝塔接头21用于连通外界与所述线圈19内部，通过所述宝塔接头21向所述第四凹槽内注入液压油，与宝塔接头21连接的外界部件(如管或者压力补偿件)会将外界压力传递给液压油，从而实现线圈19内部压力与外部压力的平衡，使得高速开关阀可以适应不同海深压力下的工作条件。
46.所述弧形凹槽43将水流引入到所述衔铁11与所述极靴17之间，使得所述衔铁完全浸于水中，所述径向孔42将水流引入所述推杆10的上方，使得所述推杆10的上下两边压力平衡。
47.本实施方式中，每组高速开关阀的导线通过所述导线引出孔25汇集后经由水密接插件38引出；球阀和阀座4形成线密封，阀体6阀芯组件内安装的组合密封圈，可以隔绝高压水和低压水；导磁组件如极靴17、衔铁等采用了不锈软磁合金1j117。
48.所述极靴17与所述衔铁之间的最大工气隙设置为0.43mm，衔铁行程设置为0.33mm，当工作时，高速开关阀的阀孔开启，高压水通过阀孔和导向套8进入衔铁内部，将衔
铁完全浸泡在水中，避免了密封圈带来的非线性摩擦力。其中，所述复位弹簧16用于在其压缩力的作用下保证所述高速开关阀的阀孔的完全关闭。
49.工作时，当电磁驱动组件中的线圈19通电时，产生电磁场，所述衔铁、极靴17、电磁铁壳体22、电磁铁下端盖27形成封闭的磁通回路，在电磁场的作用下，对衔铁产生一个向上的电磁驱动力，克服向下的所述复位弹簧16的弹簧力从而向上运动，衔铁带动球阀向上，高速开关阀的阀孔开启，而第一导套12、第二导套15、隔磁套13起到增大电磁力的作用。当线圈19断电时，作用在衔铁上的电磁力消失，在复位弹簧16的复位力的作用下，衔铁带动球阀向下运动，高速开关阀的阀孔关闭。高速开关阀接受pwm控制信号，将一个离散的开关信号转化为连续的流量信号，通过改变控制信号的频率和占空比，起到调节流量的作用。通过改变四组高速开关阀的通电顺序，起到三位四通换向阀的作用。
50.本发明还提供了一种液压系统，所述液压系统包括活塞缸及如上所述的高响应深海压力自适应水压换向阀，所述换向阀连接于所述活塞缸。所述换向阀工作时通过控制多个高速开关阀的通电顺序来完成换向功能，实现了对活塞缸的高精度控制。
51.本实施方式中，请参阅图5，所述液压系统中的四个高速开关阀分别称为阀a1、阀a2、阀b1、阀b2；阀a1与阀b1的进口连接泵p的出口，阀a2与阀b2的出口连接油箱，阀a1的出口与阀a2的进口分别连接于活塞缸的a负载口；阀b1的出口与阀b2的进口分别连接于活塞缸的b负载口。
52.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。

技术特征：
1.一种高响应深海压力自适应水压换向阀，其特征在于：所述换向阀包括阀块、宝塔接头及插装于所述阀块内的高速开关阀，所述高速开关阀包括电磁驱动组件，所述电磁驱动组件内设置有线圈；所述宝塔接头连接于所述电磁驱动组件，且其与所述线圈相连通；通过所述宝塔接头向所述线圈内部注入有液压油；工作时，通过所述液压油的压力与外界压力自适应，进而使得所述线圈内部的压力与外界压力平衡，实现了所述换向阀对不同海深压力的适应。2.如权利要求1所述的高响应深海压力自适应水压换向阀，其特征在于：所述换向阀包括连接于所述阀块开口端的压盖，所述阀块开设有第二安装孔，所述高速开关阀设置在所述第二安装孔内；所述宝塔接头设置在所述压盖上；所述电磁驱动组件包括电磁铁壳体、电磁铁下端盖及线圈骨架，所述线圈套设在所述线圈骨架上；所述电磁铁下端盖连接于所述电磁铁壳体的一端；所述宝塔接头通过开设于所电磁铁壳体上的孔与所述线圈相连通。3.如权利要求2所述的高响应深海压力自适应水压换向阀，其特征在于：所述电磁驱动组件还包括极靴、复位弹簧及衔铁，所述极靴设置在所述线圈骨架内，其一端连接于所述电磁铁壳体，另一端通过所述复位弹簧与所述衔铁相连接；所述衔铁的两端设置在所述线圈骨架及所述电磁铁下端盖内，且其与所述极靴间隔设置。4.如权利要求3所述的高响应深海压力自适应水压换向阀，其特征在于：所述极靴与所述衔铁之间的最大工气隙设置为0.43mm；通过给所述线圈通电以产生电磁场，电磁场对衔铁产生一个向上的电磁驱动力来使得衔铁朝向所述极靴运动，继而使得高速开关阀开启。5.如权利要求3所述的高响应深海压力自适应水压换向阀，其特征在于：所述电磁驱动组件包括第一导套、隔磁套及第二导套，所述第一导套、隔磁套及第二导套依次连接在一起形成环体，所述环体的一端套设在所述极靴上，另一端套设在所述衔铁上；所述电磁驱动组件还包括限位片，所述限位片连接于所述极靴邻近所述衔铁的一端。6.如权利要求3所述的高响应深海压力自适应水压换向阀，其特征在于：所述高速开关阀还包括阀体阀芯组件，所述衔铁与所述阀体阀芯组件相连通，所述高速开关阀开启时，流体自所述阀体阀芯经由所述电磁铁下端盖进入所述衔铁，并经由所述衔铁进入所述衔铁与所述极靴之间，使得所述衔铁浸在流体中。7.如权利要求6所述的高响应深海压力自适应水压换向阀，其特征在于：所述阀块开设有入口及出口；所述阀体阀芯组件包括阀体、阀座、球阀及推杆，所述阀座设置在所述阀体内，所述推杆的一端穿过所述阀体后连接于衔铁，另一端连接于所述球阀；所述阀座开设有阀孔，所述球阀与所述阀孔可分离的相连接；所述阀孔与所述入口相连通；所述阀体还开设有高速开关阀出口，所述高速开关阀出口与所述出口相连通，且其与所述衔铁相连通。8.如权利要求7所述的高响应深海压力自适应水压换向阀，其特征在于：通过所述线圈的通断电及所述复位弹簧来实现所述球阀与所述阀孔的连接及分离；电磁场作用于所述衔铁在，使得所述衔铁带动所述推杆朝向所述极靴运动，所述推杆带动所述球阀朝向所述极靴运动，使得所述球阀与所述阀孔分离，所述高速开关阀被开启；所述线圈断电时，所述衔铁在复位弹簧的作用下反向运动，使得所述球阀将所述阀孔密封，所述高速开关阀关闭。9.如权利要求7所述的高响应深海压力自适应水压换向阀，其特征在于：所述衔铁呈圆柱状，其一端开设有第一安装孔；所述推杆的一端通过所述第一安装孔连接于所述衔铁；所
述衔铁的外周还开设有多个沿所述衔铁的轴向设置的弧形凹槽，所述弧形凹槽的底面开设有径向设置的径向孔，所述径向孔与所述第一安装孔相连通；所述弧形槽与高速开关阀出口相连通。

技术总结
本发明属于控制阀相关技术领域，其公开了一种高响应深海压力自适应水压换向阀，所述换向阀包括阀块、宝塔接头及插装于所述阀块内的高速开关阀，所述高速开关阀包括电磁驱动组件，所述电磁驱动组件内设置有线圈；所述宝塔接头连接于所述电磁驱动组件，且其与所述线圈相连通；通过所述宝塔接头向所述线圈内部注入有液压油；工作时，通过所述液压油的压力与外界压力自适应，进而使得所述线圈内部的压力与外界压力平衡，实现了所述换向阀对不同海深压力的适应。本发明实现了压力自补偿平衡。本发明实现了压力自补偿平衡。本发明实现了压力自补偿平衡。


技术研发人员：吴德发 王成龙 孟令康 杨幸 王振耀 王于健 蒋济泽 李江雄 王伟灿
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/25