PL249946B1 - Serwo-proporcjonalny zawór elektrohydrauliczny z bezpośrednim napędem osiowo-krzywkowym - Google Patents

Abstract

Zawór serwo-proporcjonalny z napędem osiowo-krzywkowym, zwłaszcza do zastosowań w układach regulacji hydrauliki siłowej, posiadający bezpośredni napęd suwaka charakteryzuje się tym, że wirnik (7) łożyskowany jest w strefie mokrej we wnętrzu membrany separującej (8) za pomocą dowolnego łożyska oporowego z jednej strony i/lub za pomocą drugiego dowolnego łożyska i/lub trzpienia będącego integralną częścią suwaka zaworowego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest serwo-proporcjonalny zawór elektrohydrauliczny, zwłaszcza do zastosowań w precyzyjnych systemach sterowania hydraulicznego dużej mocy. Bardziej szczegółowo, wynalazek dotyczy serwozaworu z napędem bezpośrednim, w którym ruch obrotowy wirnika silnika elektrycznego jest przekształcany w ruch posuwisto-zwrotny suwaka zaworowego za pomocą mechanizmu osiowo-krzywkowego z ogranicznikiem krańcowym w obu kierunkach ruchu napędu.

Serwozawory jako elektrycznie sterowane wzmacniacze hydrauliczne znalazły zastosowanie w elektrohydraulicznych układach regulacji, gdzie niewielki wejściowy sygnał elektryczny przetwarzany jest w odpowiednie natężenie przepływu oleju wraz z jednoczesnym elektronicznym pomiarem uchybu zadanego położenia lub prędkości. Wykorzystanie wewnętrznego sprzężenia zwrotnego i wartości zmierzonego uchybu umożliwiają dokonanie korekcji w nastawie serwozaworu.

Niniejszy wynalazek dotyczy serwozaworu o bezpośrednim napędzie suwaka, będący znacznym ulepszeniem serwozaworu o napędzie pośrednim znanym z patentu amerykańskiego US 2,625,136, gdzie przesunięcie suwaka realizowane jest poprzez wymuszenie różnicy cieśnień działających na suwak serwozaworu poprzez odpowiednie wychylenie przysłony sterowanej elektrycznym silnikiem momentowym. Ze względu na zastosowanie w nim przysłony i jej specyfikę działania ten znany serwozawór charakteryzuje się znacznym przeciekiem wewnętrznym i może być wrażliwy na zmiany ciśnienia w układzie hydraulicznym, które to mogą wpływać niekorzystnie na jego wzmocnienie, regulację centrowania i ogólną dokładność w porównaniu do serwozaworu z napędem bezpośrednim.

Serwozawory suwakowe o bezpośrednim napędzie są równie dobrze znanym rozwiązaniem wykorzystywanym w przedmiotowym obszarze badania stanu techniki, są to w szczególności takie zawory, które działają poprzez zamianę ruchu obrotowego wirnika silnika elektrycznego na ruch liniowy suwaka poprzez zastosowanie mechanizmu korbowego.

Jednym z istotnych elementów serwozaworów o bezpośrednim napędzie są mechaniczne krańcówki umożliwiające ograniczenie obrotu silnika powodujące ograniczenie ruchu suwaka w korpusie serwozaworu. Takie ograniczenie ruchu wirnika jest konieczne w celu absorpcji energii związanej z inercją całego mechanizmu podczas osiągania pozycji krańcowej zabezpieczając go przed uszkodzeniem lub całkowitym zniszczeniem. Znane są z analizy stanu techniki ograniczenia ruchu wirnika za pomocą tzw. kołków ustawczych lub wbudowanych cech geometrycznych konstrukcji pozwalających w podobny sposób ograniczyć skok mechanizmu.

Przykład serwozaworu elektrohydraulicznego z napędem bezpośrednim opisano w amerykańskim patencie nr 5,040,568. W ujawnionym przykładzie ruch obrotowy silnika elektrycznego zamieniany jest na ruch posuwisto-zwrotny suwaka za pomocą mechanizmu mimośrodowego, gdzie wirnik silnika posiada czop mimośrodowy sprzęgnięty z suwakiem zaworowym, umożliwiając jego przesuwanie w korpusie/tulei zaworowej. W tym samym przykładzie wirnik dodatkowo posiada płaską podkładkę w kształcie krzywki, której obrót ograniczony jest powierzchnią podcięcia na korpusie.

Z innego amerykańskiego patentu nr 4,503,888 znany jest serwozawór z napędem bezpośrednim, gdzie do konwersji ruchu obrotowego silnika na ruch posuwisto-zwrotny suwaka zastosowano mechanizm nakrętki i śruby bezpośrednio połączonej z suwakiem zaworowym. Połączenie gwintowe jest wstępnie obciążone hydrostatycznie, aby wyeliminować luz i zapewnić lepszą stabilność pozycji suwaka zaworowego. W tym znanym serwozaworze zastosowano mechanizm, którego specyfika powoduje powstawanie znacznych strat mechanicznych prowadzących do szybkiego zużycia mechanizmu, ze względu na dominację sił tarcia ślizgowego.

W innym amerykańskim zgłoszeniu patentowym nr US 2004/0238051 ujawniono serwozawór hydrauliczny będący znacznym ulepszeniem zaworu z mechanizmem ze śrubą i nakrętką. W ujawnionym przykładzie zastosowano mechanizm śrubowo-toczny, który odznacza się niskimi oporami ruchu. Jest to rozwiązanie znacznie bardziej skomplikowane i mało odporne na zanieczyszczenia medium roboczego wykorzystywanego do smarowania kulek.

Celem wynalazku jest opracowanie zaworu serwo-proporcjonalnego, które zapewni niezawodność działania zaawansowanych systemów sterowania hydraulicznego w trudnych warunkach pracy, a w przypadku wystąpienia awarii zasilania, samoczynnego przejścia w stan bezpieczny.

Cel ten spełnia urządzenie według dołączonej treści zastrzeżeń patentowych.

Zgodnie z wynalazkiem elektrohydrauliczny zawór serwo-proporcjonalny z napędem osiowo-krzywkowym zwłaszcza do zastosowań do sterowania hydraulicznego w maszynach wykorzystywaPL 249946 B1 nych w przemyśle drzewnym, metalurgicznym, tworzyw sztucznych (w szczególności formowanie wtryskowe metali i tworzyw), a także w hydraulice siłowej stosowanej w układach mobilnych posiada korpus, w którym znajduje się tuleja zaworowa i suwak. Napęd liniowy suwaka realizowany jest poprzez zastosowanie mechanizmu osiowo-krzywkowego umożliwiającego zamianę ruchu obrotowego wirnika silnika elektrycznego na ruch posuwisto-zwrotny suwaka. Wirnik z magnesami trwałymi umiejscowiony jest w membranie. Membrana wypełnia szczelinę pomiędzy magnesami i nabiegunnikami stojana. Wirnik podparty jest z wykorzystaniem łożyska oporowego na jego tylnej części oraz poprzez umiejscowienie środka wirnika bezpośrednio na środku suwaka zaworowego umożliwiając między nim, a wirnikiem jednoczesny obrót i przesuw. Elementem pośredniczącym w parze kinematycznej suwaka i wirnika jest rolka umiejscowiona bezpośrednio na suwaku, która tocząc się po korzystnie zdefiniowanej i naciętej bieżni wirnika powoduje przesuwanie suwaka w żądanym kierunku wewnątrz tulei zaworowej.

Korzystnie, rolka poprzez sprężynę dociskającą suwak utrzymuje stały kontakt z bieżnią wirnika bez powstawania luzów.

Korzystnie membrana oddziela strefę statora silnika od strefy olejowej wirnika zachowując szczelność środowiska strefy olejowej.

Korzystnie, pomiar przemieszczenia suwaka realizowany jest pośrednio poprzez pomiar kąta obrotu wirnika z wykorzystaniem magnesu trwałego umieszczonego w osi wirnika i enkodera magnetycznego umieszczonego w suchej strefie poza membraną separującą.

Korzystnie, bieżnia wirnika posiada nadany kształt umożliwiający liniowe i/lub nieliniowe zmiany przemieszczenia suwaka przy stałym kącie obrotu, no a także zapewnia bezpieczną pozycję krańcową w przypadku zaniku napięcia zasilania.

Korzystnie, wirnik posiada zderzak mechaniczny ograniczający zakres ruchu obrotowego wirnika w obu kierunkach, co odpowiada ograniczonemu wychyleniu pozycji suwaka rozdzielacza zaworowego.

Przedstawione rozwiązanie jest urządzeniem, w którym konwersja sygnału elektrycznego zamieniana jest na odpowiednie przesunięcie suwaka przy bardzo małych stratach energii i ograniczonym smarowaniu. Dzięki zastosowaniu mechanizmu osiowo-krzywkowego możliwe było zupełne wyeliminowanie pierwszego stopnia sterowania pozycją suwaka, co korzystnie ograniczyło przecieki wewnętrzne występujące w typowych konstrukcjach z rurką strumieniową lub uchylną przysłoną, a także redukcję wpływu zmian ciśnienia na stabilność pozycji suwaka.

Wynalazek został poniżej przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania, z odniesieniem do załączonych rysunków, na których:

Fig. 1 - przedstawia przekrój zaworu.

Fig. 2 - przedstawia parę skojarzoną wirnika i suwaka.

Fig. 3 - przedstawia przekrój pary skojarzonej wirnika i suwaka.

Fig. 4 - przedstawia sposób konwersji ruchu obrotowego wirnika na przykładową charakterystykę przepływu w funkcji przemieszczenia suwaka zaworowego Q(x).

W jednym z korzystnych przykładów realizacji wynalazku na fig. 1 przedstawiono przekrój poprzeczny zaworu serwo-proporcjonalnego z napędem osiowo-krzywkowym, zwłaszcza do zastosowań w układach regulacji hydrauliki siłowej. Jest to w szczególności zawór serwo-proporcjonalny z napędem bezpośrednim, w którym ruch obrotowy wirnika silnika elektrycznego jest przekształcany w ruch liniowy suwaka zaworowego za pomocą mechanizmu krzywkowo-osiowego z ogranicznikiem krańcowym w obu kierunkach ruchu napędu.

Zawór posiada korpus (1) z otworem głównym (2) w którym umiejscowiona jest tuleja zaworowa (3). Suwak zaworowy (4) poruszający się ruchem posuwisto-zwrotnym znajduje się w tulei (3). Napęd suwaka (4) realizowany jest za pomocą bez szczotkowego silnika elektrycznego (5) z magnesami trwałymi (6) umiejscowionymi na wirniku (7). Wirnik (7) znajduje się w tzw. strefie mokrej i jest odseparowany od stojana silnika (5) znajdującego się w strefie tzw. suchej za pomocą membrany (8) wypełniającej szczelinę pomiędzy nabiegunnikami stojana a magnesami trwałymi. Membrana (8) dociskana jest do korpusu zaworu (1) za pomocą tarczy (24). Stojan silnika elektrycznego (5) jest przymocowany do obudowy (9), która jest przytwierdzona bezpośrednio do korpusu zaworu (1). Wirnik (7) łożyskowany jest na jednym końcu za pomocą łożyska oporowego (10) znajdującego się w środku membrany (8) oraz za pomocą trzpienia (11) stanowiącego element wspólny z suwakiem zaworowym (4) umożliwiając między nim a, wirnikiem (7) na jednoczesny obrót i przesuw. Obrót suwaka blokowany jest poprzez ciasno pasowany z suwakiem (4) kołek (14) suwający się w rowku tulei (3) unieruchomionej w korpusie zaworu (1) za pomocą kołka (15) przechodzącego przez kołnierz tulei (3). Pomiar przemieszczenia suwaka (4) realizowany jest pośrednio poprzez pomiar kąta obrotu wirnika (7) z wykorzystaniem magnesu trwałego (22) umieszczonego w osi wirnika (7) i enkodera magnetycznego (23) umieszczonego w suchej strefie poza membraną separującą (8).

Kołnierz tulei zaworowej (3) i kołek (15) dociskane są poprzez pogłębienie znajdujące się w otworze głównym korpusu zaworu (1) pakietem sprężyn talerzowych (16) dociskanych uszczelnionym korkiem zaślepiającym (17). Na fig. 2 i 3 przedstawiono złożenie pary kinematycznej suwaka (4) i wirnika (7). Element pośredniczący w parze kinematycznej wirnika (7) i suwaka (4) z trzpieniem (11) stanowi rolka (12) umiejscowiona bezpośrednio na suwaku przy użyciu kołka (13). Rolka (12) poprzez sprężynę suwaka (25) utrzymuje stały kontakt z bieżnią wirnika (18) bez powstawania luzów.

Jak pokazano na fig. 2 i fig. 4 rolka (12) tocząc się po korzystnie zdefiniowanej i naciętej bieżni (18) powoduje przesuwanie suwaka (4) w zadanym kierunku wewnątrz tulei zaworowej (3) powodując żądane zmiany przepływu cieczy zgodne z zakładaną charakterystyką przepływu Q(x).

Zakres ruchu obrotowego wirnika (7), a tym samym zakres ruchu posuwisto-zwrotnego suwaka ograniczony jest przez ogranicznik krańcowy rolki (19) znajdujący się na bieżni wirnika (18). Bieżnia wirnika (18) posiada podcięcia (21) mające na celu wprowadzenie zmian w zakresie szybkości narastania i/lub opadania charakterystyki przepływu przez zawór. W przypadku wystąpienia awarii zasilania, sprężyna (25) działa wystarczającą siłą na węzeł osiowo krzywkowy, aby przesunąć suwak zaworowy (4) do pozycji bezpiecznej powodując również samoczynny obrót wirnika (7) na pozycję krańcową wyznaczoną przez ogranicznik (19).

Claims (5)

1. Zawór serwo-proporcjonalny z napędem osiowo-krzywkowym, zwłaszcza do zastosowań w układach regulacji hydrauliki siłowej, posiadający bezpośredni napęd suwaka, znamienny tym, że wirnik (7) łożyskowany jest w strefie mokrej we wnętrzu membrany separującej (8) za pomocą dowolnego łożyska oporowego z jednej strony i/lub za pomocą drugiego dowolnego łożyska i/lub trzpienia będącego integralną częścią suwaka zaworowego.

2. Zawór serwo-proporcjonalny z napędem osiowo-krzywkowym według zastrz. 1 znamienny tym, że suwak posiada element w postaci kołka i/lub wpustu zabezpieczającego suwak przed obrotem w tulei zaworowej przy jednoczesnym umożliwieniu swobodnego wykonywania ruchu posuwisto-zwrotnego.

3. Zawór serwo-proporcjonalny z napędem osiowo-krzywkowym według zastrz. 1 i 2 znamienny tym, że ruch obrotowy wirnika (7) silnika elektrycznego (5) jest przekształcany w ruch posuwisto-zwrotny suwaka zaworowego (4) za pomocą mechanizmu krzywkowo-osiowego z ogranicznikiem krańcowym (19) w obu kierunkach ruchu napędu.

4. Zawór serwo-proporcjonalny z napędem osiowo-krzywkowym według zastrz. 1, 2 i 3 znamienny tym, że wirnik posiada zdefiniowaną bieżnię dla rolki suwakowej o kształcie umożliwiającym zmianę szybkości przesuwania suwaka w tulei zaworowej przy zachowaniu stałej prędkości obrotowej wirnika.

5. Zawór serwo-proporcjonalny z napędem osiowo-krzywkowym według zastrz. 1,2, 3 i 4 znamienny tym, że bieżnia wirnika posiada podcięcie przed ogranicznikiem krańcowym umożliwiając osiągnięcie stabilnej pozycji krańcowej wirnika i samoczynnego przejścia suwaka na pozycję bezpieczną w przypadku wystąpienia awarii zasilania lub zaniku pola elektromagnetycznego.