双向力反馈提升阀

摘要

本发明涉及一种阀，包括：具有包括第一口(16)和第二口(18)的主腔(14)的阀体(12)，和设置在所述主腔内的主提动阀芯(20)。该主提动阀芯具有第一表面(28)，该第一表面在所述主腔内形成控制腔(30)。所述阀具有连通控制腔与第一口的第一通道(40)以及连通控制腔与第二口的第二通道(50)。所述阀还包括具有先导提动阀芯(82)的导阀(80)，该先导提动阀芯用于分别控制流体从控制腔穿过第三通道(96)向第一口的流动和穿过第四通道(102)向第二口的流动。该阀还包括一反馈弹簧(90)，该弹簧联接在主提动阀芯与先导提动阀芯之间以提供与主提动阀芯和先导提动阀芯之间距离相关的力。

权利要求

1.一种阀，包括：

阀体(12)，该阀体具有包括第一口(16)和第二口(18)的主腔(14)；

主提动阀芯(20)，该主提动阀芯设置在所述主腔内，可在打开位置与关闭位置之间滑动从而控制在第一口与第二口之间的流体流动，该主提动阀芯具有第一表面(28)，该第一表面在所述主腔内形成控制腔(30)；

连通控制腔与第一口的第一通道(40)以及连通控制腔与第二口的第二通道(50)，该第一通道内具有允许流体从第一口流到控制腔的止回阀(42)，该第二通道内具有允许流体从第二口流到控制腔的止回阀(52)；

具有先导提动阀芯(82)的导阀(80)，该先导提动阀芯用于控制流体穿过第三通道(96)在控制腔与第一口之间的流动，以及用于控制流体穿过第四通道(102)在控制腔与第二口之间的流动，其中，该先导提动阀芯包括流体连通控制腔与衔铁腔(138)的先导通道(130)；和弹簧(90)，该弹簧联接在主提动阀芯与先导提动阀芯之间以提供与主提动阀芯和先导提动阀芯之间距离相关的力。

2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述第一通道包括一孔口(44)以限制流体从第一口到控制腔的流动，所述第二通道包括一孔口(54)以限制流体从第二口到控制腔的流动。

3.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述第一通道和第二通道包括一公共孔口(62)以控制第一和第二通道中的流体的流动。

4.根据权利要求3所述的阀，其特征在于，所述公共孔口是一可变孔口，该可变孔口适于响应于跨越可变孔口的压差调节穿过第一和第二通道流到控制腔的流体流量。

5.一种控制与主腔(14)连通的第一口(16)和第二口(18)之间的流体连通的方法，该主腔具有可滑动地置于该主腔内的主提动阀芯(20)，主提动阀芯(20)适于在关闭位置阻断第一口和第二口之间的流体连通，在打开位置允许第一口和第二口之间的流体连通，该主提动阀芯具有第一表面，该第一表面在所述主腔内形成控制腔(30)；其中，控制腔中的流体适于在阀关闭方向上向主提动阀芯施加压力，第一口和第二口中的流体适于在阀打开方向上向主提动阀芯施加压力，该方法包括：打开导阀(80)以允许流体从控制腔流到第一口和第二口中压力较低的一个中，其中，该导阀包括先导提动阀芯，该先导提动阀芯包括流体连通控制腔与衔铁腔(138)的先导通道(130)；

引导流体从第一口和第二口中压力较高的一个流到控制腔中；

当沿阀打开方向作用在主提动阀芯上的合力大于沿阀关闭方向作用在主提动阀芯上的合力时，在阀打开方向上移动主提动阀芯以允许第一口与第二口之间的流体连通；和施加一与主提动阀芯和导阀之间的距离相关的力以关闭导阀。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，施加力包括由设置在主提动阀芯与导阀之间的弹簧(90)对导阀施加力。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，引导流体从第一口和第二口中压力较高的一个流到控制腔中包括通过连接第一口与控制腔的第一通道(40)或连接第二口与控制腔的第二通道(50)引导流体从第一口和第二口中压力较高的一个流到控制腔中，各通道分别包括用于控制从第一口或第二口到控制腔的流体流动的孔口(44，54)。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，打开导阀以允许流体从控制腔流到第一口和第二口中压力较低的一个中包括打开导阀以允许流体通过连接控制腔与第一口的第三通道(96)或连接控制腔与第二口的第四通道(102)从控制腔流到第一口和第二口中压力较低的一个中，各通道内分别包括允许流体从控制腔流到第一口或第二口的止回阀(98，

104)。

9.根据权利要求5所述的方法，还包括保持流体通过第一和第二通道从第一口和第二口中的一个流到控制腔的流量基本恒定。

说明书

双向力反馈提升阀

技术领域

[0001] 本发明一般地涉及一种力反馈提升阀，更具体地，涉及一种双向力反馈提升阀。

背景技术

[0002] 建筑和农业设备具有可动部件，所述可动部件采用包括液压缸和活塞构件的液压结构。这些结构可由一个或多个提升阀控制，所述提升阀控制液压流体向这些结构的流动。某些提升阀包括通过入口节流孔口与入口连接并通过出口节流孔口与出口连接的控制腔。
通过控制流体流过出口节流孔口以减小控制腔中的控制压力，从而当控制压力下降到低于入口中的入口压力时入口压力推动提升阀的提动阀芯使之离开阀座，来控制提升阀的打开。出口节流孔口由一导阀/控制阀控制，该导阀可通过对连接到导阀的致动器施加电流来选择性地打开。

[0003] 这种提升阀设计的一个问题在于，仅当入口中的压力大于出口中的压力时才能打开提升阀。如果出口中的压力高于入口中的压力，则不能打开提升阀。希望提供一种在两种情况下都可打开的提升阀。

[0004] 授予Yang等人的美国专利No.6,328,275(‘275专利)公开了一种先导操作的提升阀以控制两个口之间的流体的双向流动。‘275专利公开的提升阀包括在控制腔与第一口之间延伸的第一通道。一止回阀仅允许流体在从第一口向控制腔的方向上流过第一通道。第二通道在控制腔与第二口之间延伸。另一止回阀仅允许流体在从第二口向控制腔的方向上流过第二通道。

[0005] ‘275专利的系统可提供一种双向先导操作的控制阀，但‘275专利的系统采用了直接反馈机构，其中提升阀的最大开度受到先导提动阀芯运动的限制。

[0006] (本文)公开的系统旨在克服上述的一个或多个问题。

发明内容

[0007] 一方面，本发明涉及一种力反馈提升阀。该力反馈提升阀可包括阀体，该阀体具有包括第一口和第二口的主腔，和设置在所述主腔内的主提动阀芯。该主提动阀芯可在打开位置与关闭位置之间滑动从而控制在第一口与第二口之间的流体流动，并且可具有一第一表面，该第一表面在所述主腔内形成控制腔。力反馈提升阀可还包括连通控制腔与第一口的第一通道以及连通控制腔与第二口的第二通道。该第一通道内可具有允许流体从第一口流到控制腔的止回阀，该第二通道内可具有允许流体从第二口流到控制腔的止回阀。力反馈提升阀可还包括导阀，该导阀具有一先导提动阀芯，该先导提动阀芯用于控制流体穿过第三通道在控制腔与第一口之间的流动，以及用于控制流体穿过第四通道在控制腔与第二口之间的流动。力反馈提升阀可还包括反馈弹簧，该反馈弹簧联接在主提动阀芯与先导提动阀芯之间以提供与主提动阀芯和先导提动阀芯之间距离相关的反馈力。

[0008] 另一方面，本发明涉及一种用于控制由主腔限定的第一口和第二口之间的流体连通的方法，该主腔具有一可滑动地置于该主腔内的主提动阀芯。主提动阀芯可适于在关闭位置阻断第一口和第二口之间的流体连通，在打开位置允许第一口和第二口之间的流体连通。该主提动阀芯可具有一第一表面，该第一表面在所述主腔内形成控制腔。所述方法可包括打开导阀以允许流体从控制腔流到第一口和第二口中压力较低的一个中。该方法可还包括引导流体从第一口和第二口中压力较高的一个流到控制腔中。当沿阀打开方向作用在主提动阀芯上的合力大于沿阀关闭方向作用在主提动阀芯上的合力时，可在阀打开方向上移动主提动阀芯以允许第一口与第二口之间的流体连通。该方法可还包括施加一与主提动阀芯和导阀之间的距离相关的力以关闭导阀。

附图说明

[0009] 图1是根据本发明的一个实施例的示例性力反馈提升阀的剖视图；

[0010] 图2是根据本发明的另一个实施例的示例性力反馈提升阀的剖视图；

[0011] 图3是根据本发明的又一个实施例的示例性力反馈提升阀的剖视图；

[0012] 图4是根据本发明的再一个实施例的示例性力反馈提升阀的剖视图；以及[0013] 图5是根据本发明的一个实施例的示例性针阀的示意图。

具体实施方式

[0014] 图1示出一示例性力反馈提升阀10。力反馈提升阀10可包括具有主腔14的阀体12。主腔14可包括在主腔14的侧壁上的第一口16以及在主腔14的底部的第二口18。力反馈提升阀10可包括一可滑动地设置在主腔14内的主提动阀芯20。该主提动阀芯20可包括第一端部20A、第二端部20B和连接第一端部20A与第二端部20B的中部20C。

[0015] 主提动阀芯20的第一端部20A可包括上表面28(第一表面)，该上表面与主腔14的内壁形成控制腔30。上表面28可具有暴露于控制腔30中的流体的有效表面积值Ac。主提动阀芯20的第一端部20A还可包括下表面32(第二表面)，该下表面适于与第一口16中接纳的流体相接触。主提动阀芯20可另外包括密封圈34，该密封圈安装在主提动阀芯20的侧壁上以防止流体在控制腔30与第一口16之间沿主提动阀芯20的侧壁泄漏。

[0016] 第二端部20B可包括一端面24(第三表面)和一坐靠/靠接表面26。坐靠表面26可以是如图1所示的圆锥形，或任何其它合适的形状。主提动阀芯20的暴露于控制腔
30中的流体的上表面28具有有效表面积Ac。端面24的暴露于第二口18中的流体的区域和坐靠表面26的暴露于第二口18中的流体的区域可具有有效表面积值A2。下表面32的有效表面积A1可通过A1＝Ac-A2限定。在一个实施例中，有效表面积A1基本上等于有效表面积A2；且主提动阀芯20的上表面28的有效表面积Ac等于有效表面积A1加有效表面积A2(Ac＝A1+A2＝2A1＝2A2)。坐靠表面26可适用于在主提动阀芯20处于关闭位置时密封地接合第二口18的阀座22，从而可阻塞第一口16与第二口18之间的流体连通。当移动坐靠表面26使之远离阀座22时，流体可通过一出口节流孔口113在第一口16与第二口
18之间流动。

[0017] 第一通道40可从第一口16延伸到控制腔30。第一通道40可包括一仅允许流体从第一口16流入控制腔30的止回阀42。第一通道40还可包括一用于限制第一通道40中的流体流动的入口节流孔口44。第二通道50可从第二口18延伸到控制腔30。第二通道50可包括一仅允许流体从第二口18流入控制腔30的止回阀52。第二通道50还可包括一用于限制第二通道50中的流体流动的入口节流孔口54。第一通道40和第二通道50可形成在主提动阀芯20中(如图1所示)或者可形成在阀体12中(未示出)。上述孔口44、
54可以是可变孔口或固定孔口。

[0018] 如图1所示，力反馈提升阀10可另外包括一导阀80。导阀80可包括一可滑动地设置在限定于导阀80内的孔84中的先导提动阀芯82。先导提动阀芯82可在先导提动阀芯82的下端部包括一阀坐靠部/阀靠接部86。在孔84的下端部形成一阀座88用于接纳先导提动阀芯82的阀坐靠部86。阀坐靠部86可适于密封地接合阀座88。在主提动阀芯20与先导提动阀芯82之间可联接一压缩反馈弹簧90。

[0019] 如图1所示，先导提动阀芯82可包括一限定于先导提动阀芯82的侧壁上的环形腔110。形成于阀体12中的第三通道96可从第一口16延伸到环形腔110。第三通道96可包括在第三通道96中的、仅允许流体从环形腔110流入第一口16的第三止回阀98。在阀体12中形成的第四通道102可从第二口18延伸到环形腔110。第四通道102可包括在第四通道102中的、仅允许流体从环形腔110流入第二口18的第四止回阀104。当先导提动阀芯82处于关闭位置(先导提动阀芯82的阀坐靠部86密封地容纳于阀座88中)时，控制腔30与环形腔110之间的流体连通被隔断。当先导提动阀芯82处于打开位置时，环形腔110通过一出口节流孔口111与控制腔30流体连通。

[0020] 如图1所示，力反馈提升阀10还可包括一用于控制导阀80的致动器120。在一实施例中，致动器120可以是包括电磁线圈122和衔铁124的电磁致动器。电磁线圈122可位于一筒或壳体126的周围并固定于其上。衔铁124可位于一限定在筒126中的管128内。衔铁124可适于施加一向下的力以移动先导提动阀芯82。当电流施加在电磁线圈122上时，形成一电磁场，作为响应，衔铁124在筒管128内朝向先导提动阀芯82滑动。衔铁124可强制先导提动阀芯82朝向主提动阀芯20移动。这导致将先导提动阀芯82移离阀座88，从而打开控制腔30与环形腔110之间的流体连通。当致动器120不起作用时，反馈弹簧90朝向阀座88偏压先导提动阀芯82，关闭孔84的下端部。在这种情况下，在环形腔
110与控制腔30之间不存在流体流动。力反馈提升阀10可还包括一稳定器弹簧160，该稳定器弹簧160联接到先导提动阀芯82的上端部以将由反馈弹簧90施加的力向先导提动阀芯82偏压。

[0021] 如图1所示，力反馈提升阀10可在先导提动阀芯82的上端部包括一衔铁腔138。先导提动阀芯82可包括一先导通道130，该先导通道130在连接到控制腔30的一个端部包括一第一开口132，在连接到衔铁腔138的另一端部包括一第二开口134。力反馈提升阀
10还可包括一针阀136。针阀136适于当针阀136被衔铁124推下时选择性地打开先导通道130的第二开口134。在一实施例中，第二开口134可以是一较小的孔口。

[0022] 在如图2所示的一个可选实施例中，延伸到控制腔30中的第一和第二通道40和50可通过一公共部分(表示成公共通道60)连接到控制腔30。第一通道40和第二通道50可具有一公共的入口节流孔口62。延伸到环形腔110的第三通道96和第四通道102可具有一公共通道112和一在第三通道96和第四通道102相交处的公共止回阀106。在如图3所示的另一可选实施例中，延伸到控制腔30中的第一通道40和第二通道50可具有一公共通道60’、一公共入口节流孔口62’、一在第一通道40、第二通道50与公共通道60’相交处的公共止回阀64。

[0023] 公共入口节流孔口62或62’可以是固定孔口或可变孔口。可变孔口可根据差压改变其开口面积，这允许在主提动阀芯20处于打开位置时对到控制腔30中的入口节流流量的控制。孔口的开口面积在压差低时可以较大，这允许主提动阀芯20可在低压差下沿关闭方向做出响应。在图4所示的实施例中，可变孔口62可以是流量调节器150。流量调节器150可保持入口节流流量基本恒定，从而保持主提动阀芯20的速度基本恒定。

[0024] 图5示出针阀136的放大视图。如图5所示，当致动器120不起作用并且衔铁124处于释放位置时，在先导提动阀芯82的上表面140与衔铁124的下表面142之间存在间隙G。先导提动阀芯82的上表面140包括流体连接通道130与衔铁腔138的孔口134。从控制腔30经过先导通道130到衔铁腔138，以及从衔铁腔138沿导阀80的先导提动阀芯82的侧壁到环形腔110存在一泄漏路径。针阀136可包括一适于选择性地打开和关闭先导通道130的孔口134的锥形顶端144。锥形顶端144可连接在一弹性部件146上。弹性部件146可以是一板簧或螺旋弹簧并适于将锥形顶端144偏压在孔口134上以密封孔口134。当处于关闭位置时，锥形顶端144可延伸穿过孔口134到达先导提动阀芯82的上表面140上方的一位置，并可密封孔口134，从而可防止沿泄漏路径的不希望的泄漏。

[0025] 当在电磁线圈122上施加一小电流时，衔铁124被推向下方以向下移动锥形顶端144从而打开孔口134，使流体能够从控制腔30穿过通道130流出孔口134进入衔铁腔138，这致使先导提动阀芯82的暴露于衔铁腔138的上端部上的压力基本上等于先导提动阀芯
82的暴露于控制腔30的下端部上的压力。通过使先导提动阀芯82的上端部和下端部上的压力相等，仅需要一很小的力打开导阀80。当电磁线圈122中的电流增加时，衔铁124向下移动以朝向主提动阀芯20推动先导提动阀芯82从而打开导阀80以允许流体从控制腔30流到环形腔110，再穿过环形腔110流到第三和第四通道96和102。孔口134和针阀
136的大小可设计成允许：随着线圈致动电流的增加，衔铁124可首先抵抗系统压力向下推动锥形顶端144，然后逐渐向下移动先导提动阀芯82。

[0026] 在另一实施例中，孔口134可以较大，仍可允许抵抗最大系统压力打开，但可能要求特殊的打开电流策略以能够逐渐地打开先导提动阀芯82。该电流可能需要在打开针阀136之后立即减小以利用先导提动阀芯82的完整的打开调制范围。

[0027] 工业实用性

[0028] 所公开的力反馈提升阀可应用于任何希望对与致动器相关的流体的压力和/或流动进行精确控制的流体致动器。所公开的阀可提供高灵敏度的压力调节，所述调节以低成本、简单构型产生一致的、可预测的致动器性能。下面说明力反馈提升阀10的操作。

[0029] 力反馈提升阀10通常用于控制第一口16与第二口18之间的流体流动。这种应用的一个例子，如图1所示，是将第一口16和第二口18中的一个连接到第一压力源202，而将其中的另一个口连接到第二压力源204，用于控制加压流体从第一压力源202和第二压力源204中的流体压力较高的一个向其中流体压力较低的另一个压力源的流动。在一个实施例中，第一口16和第二口18中的一个连接到一泵，而其中另一个口连接到一液力致动器。另一个例子可以是将第一口16和第二口18中的一个连接到一液力致动器，而其中另一个口连接到一低压源或箱。液力致动器可以是例如(液压)缸或流体马达。

[0030] 主提动阀芯20可被作用在暴露于第一口16中的流体的表面上的在第一口16中的具有流体压力P1的加压流体以及作用在暴露于第二口18中的流体的表面上的在第二口18中的具有流体压力P2的加压流体沿阀打开方向朝向导阀80连续地推动。在控制腔30中的流体可具有作用在上表面28上的压力Pc。如上所述，主提动阀芯的暴露于控制腔30中的流体的上表面28可具有有效表面积Ac。端面24的暴露于第二口18中的流体的区域和坐靠表面26的暴露于第二口18中的流体的区域可具有有效表面积值A2。在下表面32上的有效表面积A1可通过A1＝Ac-A2限定。

[0031] 在平衡的条件下，沿向上方向施加在主提动阀芯20上的阀打开力Fo等于沿向下方向施加在主提动阀芯20上的阀关闭力Fc。阀关闭力Fc等于由控制腔30中的流体压力Pc施加在上表面28上的力Fp与由反馈弹簧90施加的力Fs的合力。阀打开力Fo等于由第一口16中的流体压力P1施加在有效表面积A1上的力F1与由第二口18中的流体压力P2施加在有效表面积A2上的力F2之和。施加在主提动阀芯20上的力可由以下等式表示(忽略了主提动阀芯20上的摩擦力和阻尼力)：

[0032] Fp＝Pc＊Ac；

[0033] F1＝P1＊A1；

[0034] F2＝P2＊A2；

[0035] Fc＝Fp+Fs；

[0036] Fo＝F1+F2；以及

[0037] Fc＝Fo(在平衡条件下)

[0038] 可通过对致动器120的线圈122施加一电信号以将衔铁124向下移动来起动在第一口16与第二口18之间的流体连通，从而沿向下方向或阀打开方向在针阀136的锥形顶端144上施加一控制力。衔铁124的向下运动首先打开针阀136并允许流体通过通道130从控制腔30流到衔铁腔138中以使先导提动阀芯82上端部和下端部上的压力平衡。当致动器120的线圈122中的电流增加时，衔铁124施加一控制力Fcp以朝向主提动阀芯20移动先导提动阀芯82从而打开先导提动阀芯82，然后允许流体从控制腔30穿过出口节流孔口111流入环形腔110。然后，流体可从环形腔110流到第一口16和第二口18中压力较低的一个内。

[0039] 在第一口16中的压力P1大于第二口18中的压力P2的情况下，控制腔30中的压力Pc低于第一口16中的压力P1并且大于第二口18中的压力P2，流体可穿过第一通道40从第一口16流入控制腔30。在P2大于P1的情况下，控制腔30中的压力Pc大于P1但小于P2，流体可穿过第二通道50从第二口18流入控制腔30。在第一通道40中的入口节流孔口44的直径以及在第二通道50中的入口节流孔口54的直径可预先确定以提供主提动阀芯20的希望的反应时间。

[0040] 当第一口16中的压力和第二口18中的压力作用在主提动阀芯20上的向上的合力大于由控制腔30中的压力和反馈弹簧90作用在主提动阀芯20上的向下的合力时，可沿阀打开方向向上推动主提动阀芯20以首先将坐靠表面26移离阀座22，然后在第一口16与第二口18之间建立流体连通。主提动阀芯20在阀打开方向上的向上运动压缩反馈弹簧90，该反馈弹簧90在先导提动阀芯82上施加反馈力Fsp以对由线圈122中的电流引起的控制力Fcp产生反作用。反馈弹簧90还向主提动阀芯20的上表面28施加等于力Fsp的力Fs。在主提动阀芯20向上移动期间，反馈弹簧90的压缩增加，直到先导提动阀芯82得到平衡。

[0041] 在主提动阀芯20向上运动期间，由反馈弹簧90施加在先导提动阀芯82上的反馈力Fsp可持续增加。当先导提动阀芯82达到平衡条件时，在先导提动阀芯82上，反馈力Fsp等于控制力Fcp。在这种情况下，主提动阀芯20的位移与由衔铁124施加在导阀80上的控制力Fcp的水平成比例。主提动阀芯20的这种位移以及由主提动阀芯20控制的阀的开度可通过控制施加在致动器120上的电流来改变。通过增加或减小施加在电磁线圈122上的电流可得到主提动阀芯20的新位置。完全停止电流使得先导提动阀芯82移动到关闭位置。当第一口16或第二口18中的流体压力减小时——这种减小可导致第一口16中的压力和第二口18中的压力作用在主提动阀芯20上的向上的合力小于由控制腔30中的压力和反馈弹簧90作用在主提动阀芯20上的向下的合力，主提动阀芯20可移回关闭位置，阻断第一口16与第二口18之间的流体连通。

[0042] 在第二口18中的压力P2大于第一口16中的压力P1的情况下，会发生相似的过程，只是流体可沿相反的方向流动。在这种情况下，控制腔30中的流体可流到第一口16中，控制腔30中的流体压力Pc可被降低。如上所述，降低控制腔30中的流体压力Pc可减小施加在主提动阀芯20上的阀关闭力Fc，最后使阀打开力Fo变得大于阀关闭力Fc，因此使得主提动阀芯20向上移动而打开第一口16与第二口18之间的流体连通。

[0043] 所公开的阀系统相比于现有技术具有几点优点。公开的阀系统提供了力反馈阀并允许双向控制力反馈阀。另外，公开的阀系统提供了一种允许使用小电流控制力反馈阀的打开的机构。公开的阀系统还提供了一种用于监测和控制力反馈阀的开度的机构。

[0044] 对本领域的技术人员显而易见的是，对于本力反馈提升阀可做出各种不同的修改和变型。通过考虑说明书和对公开的力反馈提升阀进行实践，其它实施例对本领域的技术人员将是显而易见的。说明书和各示例都应当认为仅是示例性的，而(本发明的)实际范围由以下权利要求及其等同方案限定。