低驱动功率补偿型超高压电磁换向锥阀及同步控制方法

本发明涉及换向阀，更具体的说是涉及低驱动功率补偿型超高压电磁换向锥阀及同步控制方法。

背景技术：

1、电磁换向阀作为液压系统的核心控制元件，其性能直接决定了系统方向控制的精度与可靠性。根据液压控制阀的内部阀芯分类，传统滑阀利用阀芯在阀体孔内的轴向滑动来改变液流通路的开口大小。尽管滑阀具备驱动力小、操纵方便等优点，但由于滑阀依靠圆柱面间隙配合进行密封，在超高压工况下，配合间隙处的静液泄漏会呈几何级数增长，严重影响系统效率，并极易引发流体剪切温升与液压卡紧现象。相比之下，锥阀通过阀芯前端密封锥面与阀座的线接触形成金属线密封结构，能够实现完全的零内泄漏，因而成为超高压液压控制系统的首选方案。

2、然而，传统超高压锥阀在实际工程应用中存在着三大难以克服的交互性瓶颈：

3、1.超高压静液压力带来的“大推力瓶颈”：传统锥阀阀芯前端直接承受高压油液的轴向静液压力，其受力大小与系统压力及阀口截面积的乘积成正比。在超高压力下，微小的阀口面积即可产生数千牛顿的轴向阻力，这迫使阀门配置体积庞大、功耗高达数百瓦且极易发热烧毁的大推力比例电磁铁，严重制约了液压系统的轻量化与集成化发展。

4、2.多阀口异步换向引发的“过渡态压力冲击瓶颈”：由于单个锥阀单元需要由单个电磁铁或单条液控油路实现独立控制；要实现三位四通的换向逻辑，通常需配置多个电磁铁或多条独立控制油路实现阀芯驱动。由于驱动主油路换向需要多个电磁铁或多条控制油路的同步动作，此时系统的响应时间偏差极易导致阀口启闭的不同步。在超高压瞬态下，哪怕发生极微小的不同步，也会导致系统流道瞬间处于全封闭（引发剧烈的水锤冲击，瞬态压力飙升至额定压力的2倍以上，造成管路爆裂）或全开放状态（导致主油路瞬态失压崩溃），严重威胁系统安全。

5、3.传统先导平衡结构的“泄漏与可靠性瓶颈”：部分技术尝试采用先导式锥阀结构，通过引入先导油路在主阀芯后腔建立平衡压力。然而，这种二级控制方式不仅破坏了锥阀“零泄漏”的优良特性，而且在超高压、高频换向的高剪切力流场中，微小的先导节流孔极易发生颗粒堵塞、冲刷磨损和气蚀，导致阀芯卡死故障，系统的抗污染能力与长期运行可靠性极低。

6、因此，研究出一种高压工况下轴向液压力平衡，且密封性好的低驱动功率补偿型超高压电磁换向锥阀及同步控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种高压工况下轴向液压力平衡，且密封性好的低驱动功率补偿型超高压电磁换向锥阀及同步控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、低驱动功率补偿型超高压电磁换向锥阀，包括：

4、阀体，所述阀体上开设有第一工作油口、第二工作油口、压力油口和回油口；

5、锥阀组件，四组所述锥阀组件设置于所述阀体内部，且呈方形分布，上部和下部的所述锥阀组件呈对称式，左部和右部的所述锥阀组件呈对称式；所述第一工作油口、第二工作油口分别连通上下对称布置的两个所述锥阀组件的控制腔；左右对称布置的两个所述锥阀组件的控制腔相连通，形成内部流道，所述压力油口与下部的内部流道连通，所述回油口与上部的内部流道连通，且上部、下部的内部流道相连通；所述阀体内穿设有阀杆，所述阀杆的两端分别穿设于两个所述锥阀组件内，并延伸至所述锥阀组件外部；

6、电磁驱动组件，所述电磁驱动组件包括第一电磁铁、第二电磁铁、第一枢轴式等距同步杠杆机构和第二枢轴式等距同步杠杆机构；所述第一电磁铁、第二电磁铁、第一枢轴式等距同步杠杆机构、第二枢轴式等距同步杠杆机构分别对应设置于阀体左右两端；所述第一枢轴式等距同步杠杆机构、第二枢轴式等距同步杠杆机构的中部均与所述阀体铰接，且其两端以铰接点为中心左右摆动；所述第一枢轴式等距同步杠杆机构、第二枢轴式等距同步杠杆机构的两端分别与延伸至所述锥阀组件外部的阀杆相抵接；所述第一电磁铁、第二电磁铁分别位于所述第一枢轴式等距同步杠杆机构、第二枢轴式等距同步杠杆机构的端部，通过对所述第一电磁铁或第二电磁铁通断电，驱动所述第一枢轴式等距同步杠杆机构、第二枢轴式等距同步杠杆机构的端部以铰接点为中心左右摆动。

7、优选的，所述锥阀组件还包括：阀座、阀套、均压锥阀芯及复位弹簧；所述阀座嵌装于阀体内，所述阀套安装于阀体内并轴向压紧所述阀座，所述均压锥阀芯同轴设置于所述阀套内孔中，并沿轴向滑动；所述复位弹簧设置于所述阀套与所述均压锥阀芯之间，并提供使阀芯端面轴向压紧在限位轴肩的预紧力，所述复位弹簧套设于所述阀杆外部。

8、优选的，所述均压锥阀芯与阀座密封接触的一端的外圆周面设置有密封锥面，端面处设置有多个通油孔。

9、优选的，所述均压锥阀芯的内部沿其轴向开设有导向孔，所述导向孔与所述通油孔相连通；所述复位弹簧设置于所述导向孔内，其一端与所述均压锥阀芯设置通油孔的一端抵接，另一端与所述阀套抵接。

10、优选的，所述导向孔和通油孔形成平衡油道，所述平衡油道将所述均压锥阀芯轴向两端的前端控制腔与后端平衡腔直接连通，且所述均压锥阀芯前端的有效受压投影面积与后端的有效受压投影面积相等。

11、优选的，所述阀套内腔远离阀座的一端设置有金属密封圈，所述复位弹簧与所述金属密封圈抵接。

12、优选的，所述阀杆的表面设置有用于限制阀杆左右移动距离的限位轴肩，所述限位轴肩与所述均压锥阀芯抵接。均压锥阀芯始终与限位轴肩紧密抵接，限位轴肩的长短直接影响到阀口开度，两轴肩间距越大，阀杆中间突起段长度越长，初始位置阀芯与阀座构成的阀口开度越大。由于均压锥阀芯始终与限位轴肩抵接，所以对复位弹簧施加了预紧力，也在复位弹簧的预紧力作用下使均压锥阀始终与限位轴肩抵接。

13、优选的，所述第一枢轴式等距同步杠杆机构与第一电磁铁相对的一端、第二枢轴式等距同步杠杆机构与第二电磁铁相对的一端均设置有手动复位机构，所述手动复位机构驱动第一枢轴式等距同步杠杆机构或第二枢轴式等距同步杠杆机构的移动方向与对应电磁铁的驱动方向相反。

14、优选的，所述手动复位机构内部设置有复位凸块和弹簧，所述复位凸块的一端与第一枢轴式等距同步杠杆机构或第二枢轴式等距同步杠杆机构相抵接，另一端与弹簧连接，所述弹簧提供驱动所述第一枢轴式等距同步杠杆机构或第二枢轴式等距同步杠杆机构复位的弹力。

15、一种低驱动功率补偿型超高压电磁换向锥阀的同步控制方法，包括如下步骤：

16、s1，中位卸荷同步平衡控制：维持第一电磁铁与第二电磁铁均处于失电状态，利用各锥阀组件内部的复位弹簧释放预紧力，推动对应的枢轴式等距同步杠杆机构回复至轴向中心位，使四组锥阀组件的阀口全部开启，实现第一工作油口、第二工作油口、压力油口和回油口四口的完全连通及系统的零压力中位卸荷；

17、s2，换向启动高响应度补偿控制：当接收到换向触发信号时，向目标侧电磁铁施加启动电流以产生快速电磁直驱推力，并推动对应侧所述枢轴式等距同步杠杆机构偏转，在刚性运动约束下推动同侧的一根阀杆向内移动关闭相应阀口，同时该枢轴式等距同步杠杆机构释放同侧另一根阀杆向外移动，使对角线上对应的两个锥阀组件阀口同步关闭，另两个锥阀组件阀口保持开启；

18、s3，换向保持低功耗维持控制：在换向位移到达目标终点后，将目标侧电磁铁的输入电流切换为低维持电流，利用平衡油道实现静态力平衡的零轴向压差特性，以低维持功率保持当前换向状态；

19、s4，过渡态瞬态液动力消震控制：在换向阀阀口启闭的过渡态切换过程中，利用平衡油道引导高压油液穿流锥阀阀芯，对两端控制腔与平衡腔内的流体能量进行耗散，配合枢轴式等距同步杠杆机构的刚性运动互补动作，使多阀口总等效开口面积保持相对稳定，抑制过渡态压力冲击；

20、s5，复位控制：在换向结束时切断第一电磁铁、第二电磁铁供电，各复位弹簧推动第一枢轴式等距同步杠杆机构、第一枢轴式等距同步杠杆机构及锥阀阀芯受复位弹簧力的作用快速且对称地恢复至中位卸荷状态。

21、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种低驱动功率补偿型超高压电磁换向锥阀及同步控制方法，其有益效果为：

22、1）本发明通过均压锥阀芯周向通油孔与内部导向孔构成的平衡油道，使均压锥阀芯前后两端受压腔完全连通，实现高压工况下轴向液压力完全平衡，解决了传统锥阀式换向阀阀芯直接承受高压轴向推力、换向阻力随压力升高急剧增大的核心缺陷，超高压工况下仅需微型电磁铁即可完成换向，大幅降低了阀的能耗与体积，同时显著提升了换向响应速度与控制精度，为超高压液压系统的小型化、低功耗设计提供了核心支撑。

23、2）本发明采用"电磁铁+枢轴式等距同步杠杆机构"的驱动结构，通过单侧电磁铁驱动同步机构实现同侧上下两根阀杆的反向同步运动，完成两个阀口的同步反向启闭，提升了阀口启闭的同步性与换向精度，同时减少了驱动元件数量，降低了系统故障率，使换向阀在高压工况下的运行可靠性显著提升。

24、3）本发明采用四组锥阀控制单元的完全对称布局，配合四油口同平面设计，使阀整体结构紧凑、受力均匀，适配标准安装界面，便于各类超高压液压系统的集成应用，广泛适用于工业液压、重型装备、航空航天等领域的超高压方向控制需求。