БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КЛАПАН С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ Российский патент 2019 года по МПК F16K31/126 F16K31/163 F16K31/165 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к технической области гидравлики. В гидравлике гидравлические клапаны используются широко, например, для управления или регулировки гидравлических приводов, таких как двигающиеся линейно гидравлические цилиндры или вращающиеся гидравлические двигатели, или в так называемом вторичном охлаждении машины непрерывного литья для открытия, закрытия или установки потоков охлаждающего средства.

Конкретно изобретение относится к быстродействующему гидравлическому клапану с приводным устройством для управляющего поршня, причем гидравлический клапан включает в себя:

- корпус,

- управляющий поршень с площадью A_K поперечного сечения, причем управляющий поршень может перемещаться в корпусе в осевом направлении, и благодаря перемещению управляющего поршня может устанавливаться расход рабочей жидкости, и,

- по меньшей мере, одно приводное устройство для перемещения управляющего поршня.

Посредством приводного устройства управляющий поршень, который имеет площадь A_K поперечного сечения, перемещается в осевом направлении в корпусе. Вследствие этого расход рабочей жидкости (например, гидравлического масла, охлаждающего средства или воды) через гидравлический клапан открывается или закрывается, или расход или давление рабочей жидкости устанавливается на определенное значение. С одной стороны, благодаря приведению в действие приводного устройства гидравлический привод может включаться или выключаться, или устанавливаться на соответствующую расходу рабочей жидкости через гидравлический клапан скорость. С другой стороны, при помощи расхода рабочей жидкости через гидравлический клапан охлаждение, например, в прокатном стане или в контуре вторичного охлаждения машины непрерывного литья, может целенаправленно включаться или выключаться, или мощность охлаждения, объемный поток или давление рабочей жидкости может устанавливаться на определенное расчетное значение. Установка происходит при этом либо непостоянно соответственно, включаясь на определенный промежуток времени, например, посредством периодического включения или выключения объемного потока, либо постоянно, причем приводное устройство перемещает управляющий поршень гидравлического клапана в заданное положение.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В уровне техники уже известны самые разные гидравлические клапаны с приводными устройствами. Посредством приводных устройств управляющий поршень приводится в движение либо непосредственно, либо опосредованно (или непрямым действием).

Наиболее быстродействующие постоянные гидравлические клапаны выполняются согласно уровню техники в большинстве случаев в виде так называемых одно- или многоступенчатых сервоклапанов. В этом случае управляющий поршень приводится в движение, по меньшей мере, одним выполненным в виде предварительной сервоступени приводным устройством опосредованно (или непрямым действием). В быстродействующих непостоянных гидравлических клапанах (называемых кратко клапанами переключения) управляющий поршень приводится в движение приводным устройством, по меньшей мере, с одним пропорциональным или регулировочным магнитом непосредственно.

Сервоклапаны благодаря высокой технической сложности предварительной сервоступени очень сложны. Кроме того, они чувствительны к грязи, малонадежны и дороги. Наконец, управление или регулирование сервоклапана является из-за выраженных нелинейностей предварительной сервоступени (прежде всего из-за принципа "сопло-заслонка") трудным и технически сложным.

По сравнению со сервоклапанами непосредственное управление постоянными гидравлическими клапанами при помощи приводных устройств с пропорциональными или регулировочными магнитами (эти гидравлические клапаны называются кратко пропорциональными или регулировочными клапанами) или непостоянными клапанами переключения при помощи магнитов существенно проще, менее чувствительно к грязи, надежнее и дешевле. Однако недостатком при этом является то, что тем самым трудно реализуемы гидравлические клапаны с расходом в 50 л/мин при падении давления в 5 бар и временем переключения < 10 мс.

Кроме того, в уровне техники известны гидравлические клапаны, которые включают в себя приводное устройство с пьезоэлектрическим исполнительным элементом. Несмотря на то, что пьезоэлектрические исполнительные элементы (например, пьезо-керамики) могут быстро реагировать и прикладывать высокие усилия, недостатком является то, что они могут реализовывать лишь самые малые ходы или отклонения. Также использование так называемых пьезопакетов, например, за счет расположения нескольких пьезоэлектрических исполнительных элементов друг над другом для реализации больших ходов или отклонений, приводит при практическом применении к проблемам, тем более что даже эти ходы управляющего поршня, как правило, не достаточны.

Из публикации:

Alan Hitchcox „Piezo actuators: The future of servovalves?ʺ, hydraulics & pneumatics, 2005 (см. http://hydraulicspneumatics.com/200/TechZone/HydraulicValves/Article/False/12852/TechZone-HydraulicValves)

известен гидравлический клапан с пьезоэлектрическим исполнительным элементом для управления управляющим поршнем. Как можно повысить крайне незначительный ход пьезоэлектрического исполнительного элемента, из публикации не следует.

Также из публикации:

Jörg Edler et al. „Investigation of a Servo Valve with a Piezoelectric Pilot Stageʺ, Fluid Power 2015

известен сервоклапан с пьезоэлектрическим исполнительным элементом. Благодаря предварительной сервоступени сервоклапан очень сложен, чувствителен к грязи и дорог.

Из WO 99/58840 A1 известен гидравлический клапан с приводным устройством 5, причем гидравлический клапан включает в себя корпус 1, перемещаемый в осевом направлении управляющий поршень 14 и приводное устройство 5. Приводное устройство 5 имеет пьезоэлектрический исполнительный элемент 12, нажимной поршень 11 с возвратным элементом 13 и уплотнением 18, а также заполненную текучей средой 6 гидравлическую камеру 2. Благодаря пьезоэлектрическому исполнительному элементу 12 нажимной поршень 11 перемещается в осевом направлении, причем он уплотняется отдельным уплотнением 18 относительно корпуса 1. Благодаря возвратному элементу 13 нажимной поршень возвращается снова в свое исходное положение. Площадь поперечного сечения нажимного поршня 11 больше, чем площадь поперечного сечения управляющего поршня 14, так что управляющий поршень 14 перемещается дальше, чем расширяется пьезоэлектрический исполнительный элемент 12. Недостатком этого решения является то, что нажимной поршень 11 тяжел, и он должен уплотняться отдельным уплотнением 18. Так как уплотнение является благодаря трению между перемещающимся нажимным поршнем и корпусом диссипативным элементом, это отрицательно сказывается на динамике гидравлического клапана. Кроме того, массы нажимного поршня 11 и управляющего поршня 14 высоки, что также ограничивает быстродействие гидравлического клапана. Уплотнение 18 подвержено помимо этого износу, что сокращает срок службы гидравлического клапана. Как можно повысить максимальную динамику гидравлического клапана и улучшить его надежность, из текста не следует.

Из публикации

HERAKOVIC N: "PIEZOAKTORBETATIGUNG FUR EIN EINSTUFIGES HOCHDYNAMISCHES SERVOVENTIL", O&P - OELHYDRAULIK UND PNEUMATIK, Bd. 39, Nr. 8, 1. August 1995, Seiten 601-605

известен гидравлический передатчик пути для гидравлического клапана с пьезоэлектрическим приводом. Так как передатчик пути использует мембрану, максимальное рабочее давление гидравлического клапана должно ограничиваться примерно 50 бар. Таким образом, это решение не подходит, однако, для гидравлических клапанов в области среднего или высокого давления.

Также из US 6,062,532 известен гидравлический клапан, который использует гидравлический передатчик пути с мембраной. Также это решение не подходит из-за мембраны для гидравлических клапанов в области среднего или высокого давления.

Из DE 8801009 U1 известен гидравлический клапан с мембраной для применения в санитарной области. Так как максимальное рабочее давление в санитарной области составляет лишь несколько бар (см. http://www.ikz.de/ikz-praxis-archiv/p0405/040512.php), гидравлический клапан не подходит для области среднего или высокого давления. Кроме того, гидравлический клапан не может реализовывать быстрые времена переключения ≤10 мс.

Таким образом, с гидравлическими клапанами согласно уровню техники достигают предела. Так как для определенных применений (например, для управления гидравлическим клапаном для гашения или компенсации вибрационных колебаний в прокатном стане) могут, однако, использоваться только быстродействующие гидравлические клапаны среднего или высокого давления с расходом≥50 л/мин при падении давления в 5 бар и временем переключения≤2 мс, должны в настоящее время все еще использоваться сервоклапаны с приводным устройством "сопло-заслонка", и с многими недостатками в отношении цены, чувствительности к грязи и нелинейности управления приходится мириться.

Обобщая, существует таким образом потребность в простом гидравлическом клапане, который подходит для использования в области среднего или высокого давления, может быстро (время переключения ≤2 мс) реагировать, однако не имеет вышеуказанных недостатков в отношении цены, надежности, чувствительности к грязи и нелинейности управления.

ОБЗОР ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения преодолеть недостатки уровня техники и создать быстродействующий гидравлический клапан для области среднего (давления между 100 и 200 бар) или высокого (давления выше 200 примерно до 500 бар) давления с расходом ≥50 л/мин при падении давления ≤5 бар. Гидравлический клапан должен иметь время переключения ≤2 мс, так что управляющий поршень гидравлического клапана может перемещаться в пределах времени переключения из первого конечного положения (например, закрытого положения) во второе конечное положение (например, полностью открытое положение). Управление гидравлическим клапаном должно быть по сравнению с сервоклапанами существенно более линейным. Кроме того, гидравлический клапан должен быть по сравнению с уровнем техники более простым, более дешевым, более надежным и более нечувствительным к грязи.

Эта задача решается с помощью гидравлического клапана указанного вначале типа вследствие того, что приводное устройство гидравлического клапана имеет:

- жесткую на изгиб металлическую пластину, причем внешняя область металлической пластины неподвижно закреплена в корпусе;

- пьезоэлектрический исполнительный элемент, причем пьезоэлектрический исполнительный элемент может прогибать центральную область металлической пластины; и

- наполненную во время эксплуатации рабочей жидкостью напорную камеру, причем напорная камера ограничивается корпусом, металлической пластиной и управляющим поршнем, причем металлическая пластина уплотняет напорную камеру, и напорная камера нагружает управляющий поршень, и причем площадь A_P металлической пластины в пределах напорной камеры больше, чем площадь A_K поперечного сечения управляющего поршня.

В изобретение должны входить только гидравлические клапаны с расходом, большим или равным 50 л/мин, при падении давления, меньшем или равном 5 бар, и времени переключения, меньшем или равном 2 мс. Таки образом, гидравлические клапаны с расходом < 50 л/мин (например, клапаны впрыска для впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания) не входят в объем защиты изобретения, даже если они имеют время переключения ≤2 мс.

Соответствующий изобретению гидравлический клапан с приводным устройством решает задачу вследствие того, что пьезоэлектрический исполнительный элемент (кратко пьезоэлемент или пьезоорган) может прогибать центральную область жесткой на изгиб металлической пластины. Для этого на пьезоэлектрический исполнительный элемент, который расположен предпочтительно в линию с осью симметрии (при круглой металлической пластине таким образом коллинеарно с центром) металлической пластины, подается напряжение, так что исполнительный элемент расширяется в осевом направлении. Металлическая пластина отделяет пространство, в котором расположен пьезоэлемент, от заполненной рабочей жидкостью (например, гидравлической текучей средой, охлаждающим средством или водой) напорной камеры и герметично уплотняет напорную камеру. Пространство, в котором расположен сам пьезоэлемент, может быть либо заполнено рабочей жидкостью (называться "мокрым"), либо быть "сухим". Благодаря прогибу жесткой на изгиб металлической пластины вызываются изгибные напряжения в упругой области металлической пластины, а с другой стороны в напорной камере создается давление p. Так как напорная камера нагружает управляющий поршень, управляющий поршень перемещается благодаря усилию F=p*A_K, где A_K - это площадь поперечного сечения управляющего поршня. Для того чтобы управляющий поршень перемещать дальше, чем осевое расширение пьезоэлемента, площадь A_P металлической пластины в пределах напорной камеры больше, чем площадь A_K поперечного сечения управляющего поршня. Таким образом, управляющий поршень перемещается благодаря имеющему место для напорной камеры постоянству объема, так сказать, с "гидравлическим усилением пути". Коэффициент для этого гидравлического усиления пути упрощенно соответствует отношению между площадью A_P металлической пластины в пределах напорной камеры и площадью A_K поперечного сечения управляющего поршня. При отношении площадей, например, в 64 управляющий поршень клапана перемещается примерно в 64 раза дальше, чем пьезоэлемент расширяется в осевом направлении, то есть используется "гидравлическое усиление пути", равное 64.

Для крепления металлической пластины внешняя область металлической пластины неподвижно закреплена в корпусе. Таким образом, во внешней области металлической пластины, по меньшей мере, три степени свободы перемещения (в цилиндрической системе координат радиальное, тангенциальное и осевое перемещение) заблокированы. При зажатии металлической пластины дополнительно заблокированы степени свободы кручения. Предпочтительно, если весь периметр внешней области металлической пластины неподвижно закреплен, и область внутри внешней области металлической пластины может свободно прогибаться.

Говоря о жесткой на изгиб металлической пластине, речь идет в смысле технической механики о жесткой на изгиб металлической пластине, то есть о "плоском" пластинообразном механическом элементе, который обладает существенно высокой (то есть не пренебрежимо малой) изгибной жесткостью. Если пластина гнется, то устанавливается состояние изгибного напряжения. Изгибные напряжения в пластине известным образом не постоянны по толщине пластины, так как имеются в частности растянутое, сжатое и нейтральное волокно. В противоположность этому изгибная жесткость мембраны пренебрежимо мала. Мембрана не может воспринимать изгибное напряжение, и напряжения считаются постоянными по толщине мембраны. Техническая механика говорит в этом случае о напряженном состоянии мембраны. Говоря же о металлической пластине согласно изобретению, речь не идет непосредственно о мембране, так как она не выдержала бы в течение длительного времени возникающие во время эксплуатации в напорной камере высокие гидравлические давления.

Соответствующий изобретению гидравлический клапан имеет лишь небольшое количество подвижных частей и потому прост и экономичен. Так как гидравлический клапан сознательно избегает узких зазоров, он также нечувствителен к грязи и надежен. Благодаря использованию металлической пластины вместо мембраны гидравлический клапан может без ограничений использоваться в области среднего или высокого давления. Кроме того, управляющий поршень может выполняться простым и легким, что обеспечивает низкие времена переключения≤2 мс и высокую динамику. Отдельный нажимной поршень, как в WO 99/58840, не требуется. Кроме того, герметичное закрепление (например, зажатие) металлической пластины или дополнительное уплотнение между внешней областью металлической пластины и корпусом для уплотнения напорной камеры не сокращает динамику гидравлического клапана. Так как и пьезоэлектрический исполнительный элемент, и металлическая пластина ведут себя сильно линейно, гидравлический клапан ведет себя существенно более линейно, чем сопоставимо быстродействующие сервоклапаны.

Предпочтительно металлическая пластина выполнена за одно целое, так как таким образом уплотнение внутри металлической пластины не требуется.

Для достижения больших перемещений управляющего поршня предпочтительно, если площадь A_P металлической пластины в пределах напорной камеры, по меньшей мере, в 4 раза, по меньшей мере, в 16 раз, по меньшей мере, в 36 раз или, по меньшей мере, в 64 раза больше, чем площадь A_K поперечного сечения управляющего поршня. Также еще большие отношения площадей могут без проблем реализовываться и ограничиваются лишь максимальным усилием пьезоэлемента.

Пьезоэлектрический исполнительный элемент может быть выполнен, например, в виде пьезоэлектрического пакета, вследствие чего перемещение управляющего поршня увеличивается дополнительно.

В частности, по причинам, относящимся к управлению или регулировке, предпочтительно, если пьезоэлектрический исполнительный элемент имеет систему измерения расстояния для измерения расширения пьезоэлектрического исполнительного элемента в осевом направлении x. При этом измерение расстояния может быть либо уже интегрировано в пьезоэлемент, либо осуществляться посредством внешней системы измерения расстояния.

Оптимально, если металлическая пластина в центральной области толще, чем во внешней области. Вследствие этого металлическая пластина ведет себя во внешней области менее жестко на изгиб, чем в центральной области, так что усилие для прогиба металлической пластины уменьшается. С другой стороны, более толстая центральная область обеспечивает то, что прогиб металлической пластины пьезоэлементом удерживается относительно постоянным в дальней области.

Длительный срок службы металлической пластины или приводного устройства достигается, если металлическая пластина состоит из стали, предпочтительно из пружинной стали.

При заданном усилии высокий прогиб достигается, если металлическая пластина выполнена округлой, предпочтительно круглой.

Положение управляющего поршня в так называемом конечном положении может просто фиксироваться, если центральная область металлической пластины имеет удерживающий магнит. Благодаря удерживающему магниту, предпочтительно постоянному магниту, однако также было бы возможно электромагниту, положение ферромагнитного управляющего поршня в конечном положении фиксируется в значительной степени вне зависимости от гидродинамических усилий. Этот вариант осуществления с одной стороны способствует экономии энергии, так как напряжение на пьезоэлемент должно подаваться только при смене состояния (например, при переходе из одного конечного положения в другое конечное положение). Управляющий поршень ведет себя в конечных положениях таким образом бистабильно. С другой стороны, также пьезоэлемент может выполняться вследствие этого меньшим и более компактным, так как на него не должно постоянно подаваться напряжение.

Напорная камера может уплотняться практически герметично или полностью герметично, если имеется герметичное уплотнение между внешней областью металлической пластины и корпусом. В противоположность уплотнению нажимного поршня 11 при помощи уплотнения 18 в WO 99/58840 A1, уплотнение на внешней области металлической пластины не вызывает сокращения динамики, так как внешняя область металлической пластины неподвижно закреплена в области уплотнения.

Для выравнивания негерметичностей в напорной камере и для выравнивания давления между напорной камерой и системой подачи давления наиболее предпочтительно, если линия, которая предпочтительно имеет дроссельный элемент, соединяет напорную камеру с системой подачи давления (например, для управляющего давления p_S или системного давления p). Предпочтительным в отдельной системе подачи давления с управляющим давлением p_S является то, что управляющее давление более стабильно, чем системное давление, и управляющее давление p_S меньше, чем максимум системного давления p.

Как уже было указано выше, соответствующий изобретению гидравлический клапан не ограничен гидравлическими приводными системами. Наоборот гидравлические клапаны могут также использоваться в металлургических установках, например, в прокатных станах, установках непрерывного литья и т.д., причем металл (например, стальная линия в формате сляба или черновая или чистовая полоса) охлаждается охлаждающими соплами. Регулировка расхода или давления рабочей жидкости через одно или несколько охлаждающих сопел может осуществляться посредством гидравлического клапана.

Для фиксации управляющего поршня в конечном положении целесообразно, если управляющий поршень состоит из стали, предпочтительно из ферромагнитной стали. Этот вариант осуществления предпочтителен в частности в том случае, если центральная область металлической пластины имеет удерживающий магнит.

"Прилипание" торцевой поверхности управляющего поршня к металлической пластине может предотвращаться, если торцевая поверхность управляющего поршня имеет выпуклость. Вследствие этого также повышается динамика гидравлического клапана.

Простая конструкция гидравлического клапана достигается в том случае, если корпус имеет клапанный блок и крышку, причем крышка разъемно соединена с клапанным блоком, и пьезоэлектрический исполнительный элемент опирается на крышку. Металлическая пластина может зажиматься между корпусом и крышкой. Вследствие этого улучшается также удобство технического обслуживания гидравлического клапана.

Для регулировки положения управляющего поршня оптимально, если клапанный блок имеет систему измерения пути для измерения положения управляющего поршня. Таким образом, можно отказаться от внешней системы измерения пути за пределами клапанного блока. Для высокой динамики предпочтительно, если система измерения пути работает бесконтактным образом.

Простое и эффективное управление гидравлическим клапаном достигается в том случае, если усилитель усиливает сигнал управления и нагружает, по меньшей мере, один исполнительный элемент усиленным сигналом управления.

Простое и эффективное управление гидравлическим клапаном при помощи регулятора и усилителя достигается в том случае, если регулятор вычисляет сигнал u регулирующей переменной в зависимости от разности между расчетным положением и фактическим положением управляющего поршня, и усилитель нагружает, по меньшей мере, один исполнительный элемент усиленным сигналом регулирующей переменной.

В обоих случаях сигнал управления или регулирующей переменной усиливается усилителем, и таким образом чувствительное управление/регулирование отделяется от силовой части исполнительного элемента.

В частности, при регулировке может посредством подачи напряжения на пьезоэлемент целенаправленно устанавливаться помимо этого расширение исполнительного элемента во времени. В этом случае возможна не только подача скачкообразного сигнала, что в соответствии с динамикой пьезоэлемента приводит к быстрому осевому расширению пьезоэлемента, но и возможны любые ходы кривой, такие как скачкообразные, трапециевидные, синусоидальные ходы кривой и т.д.

Для многих гидравлических клапанов, например, для 3/2-ходового клапана переключения или постоянного клапана или для 4/3-ходового клапана переключения или постоянного клапана, целесообразно, если гидравлический клапан имеет два приводных устройства, так что оба конца управляющего поршня приводятся в движение в каждом случае одним приводным устройством. Этот вариант осуществления предпочтителен также ввиду того, что для возврата управляющего поршня механическая пружина не требуется. И хотя механические пружины кажутся на первый взгляд простыми; тем не менее, они подвержены износу и обладают при больших ходах пружин выраженными нелинейностями (например, тарельчатые пружины). Благодаря этому исполнению управляющий поршень может снова выполняться меньшим и более легким, что улучшает динамику гидравлического клапана.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

Дальнейшие преимущества и признаки данного изобретения проистекают из последующего описания неограничительных примеров осуществления, причем на чертеже показаны:

фиг. 1 - продольный разрез гидравлического клапана с приводным устройством и пружиной;

фиг. 2 - разрез четвертой части первой альтернативы гидравлического клапана с приводным устройством и удерживающим магнитом;

фиг. 2a и 2b - в каждом случае изображение принципа действия приводного устройства гидравлического клапана;

фиг. 3 - продольный разрез гидравлического клапана с двумя приводными устройствами;

фиг. 4 - схематичное изображение катушек устройства измерения пути для управляющего поршня гидравлического клапана;

фиг. 5 - изображение управления пьезоэлектрическим исполнительным элементом;

фиг. 6 - изображение регулировки осевого расширения пьезоэлектрического исполнительного элемента;

фиг. 7 - изображение регулировки положения управляющего поршня гидравлического клапана с двумя приводными устройствами;

фиг. 8 - половинный разрез гидравлического клапана с двумя вариантами приводного устройства.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 1 показывает 3/2-ходовой (цифра перед косой чертой означает количество подключений, а цифра после косой черты количество положений гидравлического клапана) гидравлический клапан 3 с приводным устройством 1, которое расположено на левой стороне фигуры. Гидравлический клапан 3 работает в качестве клапана переключения и имеет управляющий поршень 2, который направляется с возможностью перемещения в отверстии в клапанном блоке 4a корпуса 4. В зависимости от положения управляющего поршня 2 подвод p давления клапана 3 соединяется с выводом либо A, либо B к потребителю. Управляющий поршень 2 нагружается с одной стороны приводным устройством 1, а с другой стороны пружиной 14. Приводное устройство 1 имеет круглую жесткую на изгиб металлическую пластину 5 из пружинной стали, которая зажата между клапанным блоком 4a и крышкой 4b корпуса 4. Обе части корпуса 4 разъемно соединены друг с другом винтовыми соединениями 15, так что пьезоэлектрический исполнительный элемент 6 (кратко пьезоэлемент), металлическая пластина 5 или же все приводное устройство 1 могут просто заменяться. На левой стороне металлической пластины 5 расположен выполненный в виде пьезопакета 6a пьезоэлемент 6, так что центральная область металлической пластины 5 может прогибаться пьезоэлементом. Так как металлическая пластина 5 тоньше во внешней области, чем в центральной области, усилие, необходимое для прогибания металлической пластины, удерживается на низком уровне. На правой стороне металлической пластины 5 находится напорная камера 7. Благодаря подаче напряжения на пьезоэлектрический исполнительный элемент 6 он расширяется в осевом направлении x и прогибает центральную область металлической пластины 5. Так как напорная камера 7 заполнена рабочей жидкостью (здесь гидравлическим маслом), возрастает благодаря прогибу металлической пластины 5, которая описывает линию прогиба, давление p в напорной камере 7. Левая сторона напорной камеры 7 герметично уплотняется металлической пластиной 5 и уплотнением 9, которое находится между металлической пластиной 5 и клапанным блоком 4a. Другие стороны напорной камеры 7 герметично уплотняются клапанным блоком 4a корпуса 4. Так как напорная камера 7 нагружает торцевую поверхность управляющего поршня 2, управляющий поршень 2 оттесняется усилием F=p*A_K, где A_K - это площадь поперечного сечения управляющего поршня, в направлении пружины 14. Благодаря смещению управляющего поршня 2 подвод p давления гидравлического клапана 3 соединяется с выводом B. После того, как подача напряжения на пьезоэлектрический исполнительный элемент 6 завершается, управляющий поршень 2 смещается нажимной пружиной 14 снова влево, так что подвод p снова соединен с выводом A гидравлического клапана.

Согласно изображению на фиг. 1 отношение между площадью A_P металлической пластины 5 в пределах напорной камеры 7 и площадью A_K поперечного сечения управляющего поршня 2 составляет примерно 225. Таким образом, благодаря соответствующему изобретению приводному устройству 1 изменение длины пьезоэлектрического исполнительного элемента 6, например, на 60 мкм может смещать простым образом управляющий поршень 2 примерно на 10 мм. Большим преимуществом является то, что "усиление пути" функционирует чисто гидравлически, и приводное устройство 1 вплоть до металлической пластины 5 и исполнительного элемента 6 не имеет подвижных частей. Следовательно, гидравлический клапан 3 с приводным устройством 1 очень прост, надежен и помимо этого малочувствителен к грязи. Движение управляющего поршня 2 относительно пружины 14 известно специалисту из множества типов клапанов, так что от подробного разъяснения правой стороны гидравлического клапана 3 с фиг. 1 можно отказаться. По сравнению с уровнем техники подвижные массы крайне низки, так что время переключения < 2 мс может без проблем достигаться.

На фиг. 2 изображен разрез четвертой части гидравлического клапана 3 с дальнейшим приводным устройством 1. Вариант осуществления с фиг. 2 имеет дополнительно к приводному устройству 1 с фиг. 1 управляющий поршень 2 с выпуклостью 10 торцевой поверхности. Тем самым предотвращается так называемое "прилипание" управляющего поршня 2 к металлической пластине 5. Кроме того, центральная область металлической пластины 5 имеет постоянный удерживающий магнит 8, который может удерживать ферромагнитный управляющий поршень 2 из стали в конечном положении. Далее изображен радиус r_K цилиндрического управляющего поршня 2 и радиус r_P круглой металлической пластины 5 в пределах напорной камеры 7, причем справедливо следующее: и . Металлическая пластина 5 имеет скругление r между более толстой и более тонкой частью, вследствие чего повышается эксплуатационная прочность металлической пластины 5.

На фиг. 2a и 2b упрощенно изображен принцип действия соответствующего изобретению гидравлического клапана с приводным устройством 1. На фиг. 2a пьезоэлемент 6 находится в состоянии покоя, металлическая пластина 5 не прогнута, а также управляющий поршень 2 находится в исходном положении. Напротив, на фиг. 2b пьезоэлемент 6 расширен в осевом направлении x и вызывает прогиб металлической пластины 5. Прогиб металлической пластины вызывает повышение давления p в напорной камере 7`, так что управляющий поршень 2 смещается благодаря оттеснению вправо. Вскоре напорные камеры 7 и 7` одинаковы по размеру, так что управляющий поршень 2 находится на фиг. 2b дальше справа, чем на фиг. 2a.

Фиг. 3 показывает схематичный продольный разрез непостоянного 3/2-ходового гидравлического клапана 3 с двумя приводными устройствами 1a, 1b. Конструкция приводных устройств 1a, 1b очень сходна с конструкцией с фиг. 2, однако управляющий поршень нагружается обоими приводными устройствами и удерживается обоими удерживающими магнитами 8 в соответствующих конечных положениях. Таким образом, создается чрезвычайно быстродействующий клапан переключения. Для того чтобы в частности во время режима быстрого переключения гидравлического клапана 3 всегда обеспечивать полное заполнение напорных камер 7, напорные камеры 7 соединены линией с подводом p_S управляющего давления, который при помощи узкого дроссельного элемента или дросселя 18 снова выравнивает возможные утечки из напорной камеры 7. Альтернативно этому могут также - как изображено пунктиром - проточные линии вести от подвода p давления к напорным камерам 7.

Фиг. 4 схематично показывает катушки системы 11 измерения пути для определения фактического положения S_Ist управляющего поршня 2. Управляющий поршень 2 магнитен (например, состоит из стали с ферритной структурой), однако имеет также, по меньшей мере, одну немагнитную часть 20. Благодаря двум - образующим дифференциальный дроссель - катушкам 19a, 19b положение S_Ist управляющего поршня 2 может определяться не изображенной здесь дополнительно оценочной электроникой (см., например, фиг. 7) для индуктивных датчиков пути. Оценочная электроника для индуктивных датчиков пути известна специалисту, смотри, например, http://www.lvdt.de.

Фиг. 5 схематично показывает управление 12 для выполненного в виде пьезопакета 6a пьезоэлектрического исполнительного элемента 6 приводного устройства 1. Сигнал S управления - в данном случае просто импульсы - усиливается усилителем 16 в соответствии с формой сигнала, и усиленный сигнал S* управления подается в качестве сигнала напряжения на пьезопакет 6a. Пьезопакет 6a расширяется в зависимости от сигнала S управления в осевом направлении x и прогибает не изображенную здесь металлическую пластину 5 приводного устройства 1, что приводит к смещению управляющего поршня 2.

Фиг. 6 схематично показывает регулировку для выполненного в виде пьезопакета 6a пьезоэлектрического исполнительного элемента 6 приводного устройства 1. Расчетный сигнал S_Soll для расширения пьезоэлектрического исполнительного элемента 6 - здесь снова импульсы - подается на регулятор 13, который в зависимости от разности между фактическим расширением S_Ist пьезоэлектрического исполнительного элемента 6 и расчетным сигналом S_Soll вычисляет регулирующую переменную u. Регулирующая переменная u усиливается усилителем 16, и усиленный сигнал u* подается в качестве сигнала напряжения на пьезопакет 6a. Фиг. 6 показывает таким образом простую регулировку положения для расширения пьезоэлектрического исполнительного элемента 6.

Фиг. 7 схематично показывает позиционную регулировку для положения управляющего поршня 2 в гидравлическом клапане 3 с двумя приводными устройствами 1a, 1b. При помощи обеих катушек устройства 11 измерения пути (его конструкцию см. на фиг. 4) определяется положение S_Ist управляющего поршня 2. Фактическое положение S_Ist управляющего поршня и его расчетное положение S_Soll подаются на регулятор 13, который в зависимости от разности между S_Soll и S_Ist вычисляет две регулирующие переменные u₁, u₂. Регулирующие переменные усиливаются усилителем 16, и усиленные сигналы u₁*, u₂* подаются в качестве сигналов напряжения на пьезопакеты 6a обоих приводных устройств 1a, 1b. Таким образом, фиг. 7 показывает простую регулировку для положения управляющего поршня 2 гидравлического клапана 3 при помощи двух приводных устройств 1a, 1b.

Фиг. 8 показывает половинный разрез двух вариантов приводного устройства 1, которые изображены в каждом случае выше и ниже горизонтальной оси симметрии. Для того чтобы сокращать усилие, необходимое для пьезоэлектрического исполнительного элемента 6 для прогиба металлической пластины 5, металлическая пластина 5 установлена в обоих вариантах подвижно, и исполнительный элемент выполнен "мокрым". Нижний вариант приводного устройства 1 выполнен не в соответствии с изобретением, так как металлическая пластина 5 не закреплена неподвижно в корпусе 4a, 4b. В верхнем варианте металлическая пластина 5 прилегает в каждом случае к выступу на клапанном блоке 4a и на крышке 4b и уплотнена двумя упругими уплотнениями 9. Кроме того, напорная камера 7 и пространство, в котором находится пьезоэлектрический исполнительный элемент 6 или пьезопакет 6a, соединены несколькими линиями с дроссельными элементами или дросселями 18 с подводом p_S управляющего давления. Таким образом, статическое давление слева и справа от металлической пластины 5 выравнивается, так что металлическая пластина 5 разгружается. Прогиб металлической пластины 5 пьезоэлектрическим исполнительным элементом 6 или пьезопакетом 6a приводит в свою очередь к повышению давления в напорной камере 7, которое сдвигает управляющий поршень 2. В нижнем варианте металлическая пластина прилегает к жесткому уплотнению 9, что также соответствует подвижной установке металлической пластины 5.

Несмотря на то, что изобретение было в деталях и подробно проиллюстрировано и описано предпочтительными примерами осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами, и другие варианты могут выводиться отсюда специалистом, не покидая объем защиты изобретения.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1, 1a, 1b приводное устройство

2 управляющий поршень

3 гидравлический клапан

4 корпус

4a клапанный блок

4b крышка

5 металлическая пластина

6 пьезоэлектрический исполнительный элемент

6a пьезопакет

7, 7` напорная камера

8 удерживающий магнит

9 уплотнение

10 выпуклость

11 система измерения пути

12 управление

13 регулятор

14 пружина

15 винтовое соединение

16 усилитель

18 дроссельный элемент

19a, 19b катушка

20 немагнитная часть управляющего поршня

A вывод A к потребителю гидравлического клапана

B вывод B к потребителю гидравлического клапана

p подвод p давления гидравлического клапана

p_S подводом управляющего давления гидравлического клапана

r радиус

r_K радиус управляющего поршня

r_P радиус металлической пластины в пределах напорной камеры

S сигнал управления

S* усиленный сигнал управления

S_Ist фактическое положение

S_Soll расчетное положение

u, u₁, u₂ регулирующая переменная

u*, u₁*, u₂* усиленный сигнал регулирующей переменной

x осевое направление.

Изобретение относится к технической области гидравлики. Гидравлический клапан с приводным устройством для управляющего поршня. Причем гидравлический клапан включает в себя корпус, управляющий поршень с площадью A_K поперечного сечения, причем управляющий поршень может перемещаться в корпусе в осевом направлении, и благодаря перемещению управляющего поршня может устанавливаться расход рабочей жидкости. Клапан включает одно приводное устройство для перемещения управляющего поршня. Приводное устройство имеет жесткую на изгиб металлическую пластину. Внешняя область металлической пластины неподвижно закреплена в корпусе. Пьезоэлектрический исполнительный элемент, который может прогибать центральную область металлической пластины и наполненную во время эксплуатации рабочей жидкостью напорную камеру. Напорная камера ограничивается корпусом, металлической пластиной и управляющим поршнем. Металлическая пластина уплотняет напорную камеру, и напорная камера нагружает управляющий поршень. Площадь A_P металлической пластины в пределах напорной камеры больше, чем площадь A_K поперечного сечения управляющего поршня. Техническим результатом является создание гидравлического клапана, который подходит для использования в области среднего или высокого давления, а также может быстро реагировать. 15 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Гидравлический клапан (3) с приводным устройством (1, 1a, 1b) для управляющего поршня (2), причем гидравлический клапан (3) включает в себя:

- корпус (4);

- управляющий поршень (2) с площадью A_K поперечного сечения, причем управляющий поршень (2) может перемещаться в корпусе (4) в осевом направлении, и благодаря перемещению управляющего поршня (2) может устанавливаться расход рабочей жидкости; и,

- по меньшей мере одно приводное устройство (1, 1a, 1b) для перемещения управляющего поршня, причем приводное устройство имеет:

- жесткую на изгиб металлическую пластину (5), причем внешняя область металлической пластины (5) неподвижно закреплена в корпусе (4);

- пьезоэлектрический исполнительный элемент (6), причем пьезоэлектрический исполнительный элемент (6) может прогибать центральную область металлической пластины (5); и

- наполненную во время эксплуатации рабочей жидкостью напорную камеру (7),

-- причем напорная камера (7) ограничивается корпусом (4), металлической пластиной (5) и управляющим поршнем (2),

-- причем металлическая пластина (5) уплотняет напорную камеру (7), и напорная камера (7) нагружает управляющий поршень (2), и

-- причем площадь A_P металлической пластины (5) в пределах напорной камеры (7) больше, чем площадь A_K поперечного сечения управляющего поршня (2).

2. Гидравлический клапан (3) по п.1, отличающийся тем, что площадь A_P металлической пластины (5) в пределах напорной камеры (7) по меньшей мере в 4 раза, по меньшей мере в 16 раз, по меньшей мере в 36 раз или по меньшей мере в 64 раза больше, чем площадь A_K поперечного сечения управляющего поршня (2).

3. Гидравлический клапан (3) по п.1 или 2, отличающийся тем, что пьезоэлектрический исполнительный элемент (6) имеет систему измерения расстояния для измерения расширения пьезоэлектрического исполнительного элемента (6) в осевом направлении x.

4. Гидравлический клапан (3) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что центральная область металлической пластины (5) толще, чем внешняя область.

5. Гидравлический клапан (3) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что металлическая пластина (5) состоит из стали, предпочтительно из пружинной стали.

6. Гидравлический клапан (3) по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что металлическая пластина (5) является округлой, предпочтительно круглой.

7. Гидравлический клапан (3) по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что центральная область металлической пластины (5) имеет удерживающий магнит.

8. Гидравлический клапан (3) по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что имеется герметичное уплотнение (9) между внешней областью металлической пластины (5) и корпусом (4, 4a).

9. Гидравлический клапан (3) по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что напорная камера (7) снабжается из линии, которая предпочтительно имеет дроссельный элемент, рабочей жидкостью под давлением (p, pS).

10. Гидравлический клапан (3) по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что управляющий поршень (2) состоит из стали, предпочтительно из ферромагнитной стали.

11. Гидравлический клапан (3) по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что торцевая поверхность управляющего поршня (2) имеет выпуклость.

12. Гидравлический клапан (3) по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что корпус (4) имеет клапанный блок (4a) и крышку (4b), причем крышка (4b) разъемно соединена с клапанным блоком (4a), и пьезоэлектрический исполнительный элемент (6) опирается на крышку (4b).

13. Гидравлический клапан по п.12, отличающийся тем, что клапанный блок (4a) имеет предпочтительно бесконтактную систему измерения пути для измерения положения управляющего поршня (2).

14. Гидравлический клапан по п.12 или 13, отличающийся тем, что усилитель (16) усиливает сигнал (S) управления и нагружает пьезоэлектрический исполнительный элемент (6) усиленным сигналом (S*) управления.

15. Гидравлический клапан по п.14 с регулятором (13) и усилителем (16), отличающийся тем, что регулятор (13) вычисляет сигнал u регулирующей переменной в зависимости от разности между расчетным положением и фактическим положением управляющего поршня, и усилитель (16) нагружает по меньшей мере один пьезоэлектрический исполнительный элемент (6) усиленным сигналом регулирующей переменной.

16. Гидравлический клапан по любому из пп. 1-15, отличающийся двумя приводными устройствами (1a, 1b), так что оба конца управляющего поршня (2) приводятся в движение в каждом случае одним приводным устройством (1a, 1b).