本发明属于电磁阀技术领域，具体涉及一种全稳态三位四通旋转换向阀及其工作位切换方法。
背景技术：
现有的四通电磁换向阀中，阀芯的工作位通过滑动进行调节，阀芯的复杂加工成本高。此外，现有的电磁换向阀仅有一个不需要消耗电能的稳定工作位，而电磁换向阀处于非稳定工作位时，电磁铁需要持续通电消耗电能，这大大提高了电磁换向阀的使用成本。虽然现有的双稳态电磁通电阀能够具有两个稳定工作位；但是，对于换向阀而言，往往需要有三个或三个以上的工作位，以满足使用要求。因此，设计一种所有工作位均为稳定工作位的换向阀十分重要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种全稳态三位四通旋转换向阀及其工作位切换方法。
本发明一种全稳态三位四通旋转换向阀，包括阀座、阀芯和工作位指示组件。所述的阀座包括第一油口盘、第二油口盘、外筒身和绝缘垫筒。第一油口盘与第二油口盘分别固定在外筒身内腔的两端。绝缘垫筒固定设置在外筒身内，且位于第一油口盘与第二油口盘。第一油口盘上开设有进油口p和第一工作油口a；第二油口盘开设有回油口t和第二工作油口b。阀芯设置在绝缘垫筒内。阀芯呈圆柱状，两端端面均开设有径向通流槽。两条径向通流槽相互对齐。阀芯上开设有对中设置的自身中心轴线两侧的轴向通流孔。所述第一油口盘上的进油口p与第二工作油口b对中设置在阀芯中心轴线的两侧。第二油口盘上的回油口t与第一工作油口a对中设置在阀芯中心轴线的两侧。
所述的阀芯和阀座具有三个不同的工作位，分别如下：
(1)进油口p→靠近第一油口盘的径向通流槽→第一工作油口a；第二工作油口b→靠近第二油口盘的径向通流槽→回油口t。
(2)进油口p→第一个轴向通流孔→第二工作油口b；第一工作油口a→第二个轴向通流孔→回油口t。
(3)各径向通流槽及轴向通流孔均与阀座上的各个油口错开，使得进油口p、回油口t、第一工作油口a及第二工作油口b均截止。
所述绝缘垫筒的内侧面上开设有沿自身轴线的周向均布的六个锁位凹槽。锁位凹槽呈锥形。阀芯的侧面上开设有沿径向设置的两个弹针安置槽。两个弹针安置槽对中设置在阀芯中心轴线的两侧。所述的工作位指示组件包括电池、三个指示灯、两个弹簧针和六枚锥形触片。六枚锥形触片分别设置在绝缘垫筒的六个锁位凹槽内。两个弹簧针分别安装在阀芯的两个弹针安置槽内。两个弹簧针之间电连接。六枚锥形触片中相互正对的两个锥形触片为一组，形成三个触片组。三个触片组与三个指示灯分别对应。三个触片组各自的其中一枚锥形触片均与电池的正极电连接，三个触片组各自的另一枚锥形触片与三个指示灯的阳极分别电连接。三个指示灯的阴极均与电池的负极电连接。
作为优选，三个指示灯的阳极处分别引出一根信号线；引出的三根信号线接入控制器。
作为优选，所述的阀芯由工作位切换机构驱动。所述的工作位切换机构安装在第一油口盘上，包括电磁推杆、齿条、齿轮和单向轴承。传动轴的外端伸出第一油口盘外。齿轮通过单向轴承支承在传动轴的外端。电磁推杆固定在第一油口盘上，推出杆与齿条固定。齿条与齿轮啮合。电磁推杆的推出杆从内极限位置移动到外极限位置的过程中，齿轮转动60°。
作为优选，所述的阀芯通过电机或舵机驱动；具体驱动结构如下：阀芯上靠近第一油口盘的径向通流槽的中心位置上开设有键槽。传动轴的一端与键槽通过键连接，另一端与电机或舵机的输出轴通过联轴器连接。电机安装在第一油口盘上。传动轴与油口盘的连接处设置有密封圈。
作为优选，第一油口盘的内侧面上的进油口p、第一工作油口a、第二油口盘的内侧面上的回油口t和第二工作油口b处均开设有环形槽。四个环形槽内均嵌有o型密封圈。四个o型密封圈分别环住进油口p、第二工作油口b、回油口t和第一工作油口a，且与阀芯的端面接触。
作为优选，过两个轴向通流孔轴线的平面与径向通流槽的长度方向呈60°夹角。
作为优选，进油口p、第一工作油口a、第二工作油口b及回油口t中心轴线到阀芯的中心轴线的距离均等于轴向通流孔轴线到阀芯中心轴线的距离。
该全稳态三位四通旋转换向阀的工作位切换方法，具体如下：
初始状态下，阀芯处于其中一个工作位上，两个弹簧针分别抵住属于同一个触片内的两枚锥形触片，其中一个指示灯点亮。当需要切换至不同的工作位时，驱动阀芯转动，使得阀芯切换至所需的位置。控制器根据三个信号线中是否有任意一根输出高电平来判断阀芯是否到达任意一个工作位。控制器根据哪一根信号线中输出高电平来判断阀芯处于哪一个工作位。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明的阀芯通过转动进行切换，仅需要在一个圆盘上的开设两个方槽和两个通孔即满足了三位四通换向阀的基础要求，结构简单且紧凑，大大降低了三位四通阀的成本。
2.本发明中作为动力源的电机、舵机或电磁推杆仅在切换工作位时需要通电耗能，其余时间均不消耗电能，这使得本发明的所有工作位均为稳态工作位，大大降低了本发明的使用成本并延长了本发明的使用寿命。
3、本发明利用阀芯的转动实现工作位指示组件的自动切换，实现不同指示灯的点亮，为使用者提供了直观地反馈；此外，本发明工作位指示组件自动在阀芯到位时向控制器发送信号，降低了本发明对动力元件精度的要求。
4、本发明的实施例2通过电磁推杆、单向轴承、齿轮齿条相配合，仅通过电磁推杆的通断电就能实现阀芯工作位的持续切换，大大降低了本发明的控制难度和成本。
附图说明
图1为实施例1的整体结构示意图；
图2为实施例1中阀芯的立体图；
图3为实施例1在第一个工作位下的径向剖面示意图；
图4为实施例1在第二个工作位下的径向剖面示意图；
图5为实施例1在第三个工作位下的径向剖面示意图；
图6为实施例1的轴向剖面示意图；
图7为实施例1中工作位指示组件的电路原理图；
图8为实施例2中工作位切换机构的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1和3所示，一种全稳态三位四通旋转换向阀，包括阀座、阀芯5和工作位指示组件。阀座包括第一油口盘1、第二油口盘2、外筒身3和绝缘垫筒4。第一油口盘1与第二油口盘2分别固定在外筒身3内腔的两端。绝缘垫筒4固定设置在外筒身3内，且位于第一油口盘1与第二油口盘2。绝缘垫筒4能够用来限定第一油口盘1与第二油口盘2之间的间距。第一油口盘1上开设有进油口p和第一工作油口a；第二油口盘2开设有回油口t和第二工作油口b。
如图2所示，阀芯5设置在绝缘垫筒4内。阀芯5的外侧壁与绝缘垫筒4的内侧壁构成转动副。阀芯5呈圆柱状，两端端面均开设有径向通流槽5-1。两条径向通流槽5-1相互对齐，分别用于将输入进油口p的油液导向第一工作油口a、将输入第二工作油口b的油液导向回油口t。阀芯5上开设有对中设置的自身中心轴线两侧的轴向通流孔5-2。两个轴向通流孔5-2分别用于将输入进油口p的油液导向第二工作油口b、将输入第一工作油口a的油液导向回油口t。同时经过两个轴向通流孔5-2轴线的平面与径向通流槽5-1的长度方向呈60°夹角。
第一油口盘1上的进油口p与第二工作油口b对中设置在阀芯5中心轴线的两侧。第二油口盘2上的回油口t与第一工作油口a对中设置在阀芯5中心轴线的两侧。进油口p、第一工作油口a、第二工作油口b及回油口t中心轴线到阀芯5的中心轴线的距离均等于轴向通流孔5-2轴线到阀芯5中心轴线的距离。第一油口盘1的内侧面上的进油口p、第一工作油口a、第二油口盘2的内侧面上的回油口t和第二工作油口b处均开设有环形槽。四个环形槽内均嵌有o型密封圈12。四个o型密封圈12分别环住进油口p、第二工作油口b、回油口t和第一工作油口a，且与阀芯5的端面接触，用于避免进油口p、第二工作油口b、回油口t和第一工作油口a与阀芯5之间发生漏液。
阀芯5和阀座具有三个不同的工作位，通过转动阀芯5实现三个工作位的切换；阀芯5的一个换位周期为180°，即阀芯5朝一个方向转动180°时达到的工作位与转动前相同。
三个工作位对应的油口连接关系如下：
(1)如图3所示，径向通流槽5-1的两端与对应的油口对齐连接；实现如下的油液流通次序：进油口p→靠近第一油口盘的径向通流槽5-1→第一工作油口a；第二工作油口b→靠近第二油口盘的径向通流槽5-1→回油口t。此时，第一工作油口a输出液压介质驱动油缸，第二工作油口b回流液压介质驱动油缸。
(2)如图4所示，轴向通流孔5-2与对应的油口对齐；实现如下的油液流通次序：进油口p→第一个轴向通流孔5-2→第二工作油口b；第一工作油口a→第二个轴向通流孔5-2→回油口t。此时，第二工作油口b输出液压介质，第一工作油口a回流液压介质。
(3)如图5所示，各径向通流槽5-1及轴向通流孔5-2均与阀座上的各个油口错开；使得进油口p、回油口t、第一工作油口a及第二工作油口b均截止，呈现o型三位四通换向阀的中位状态，油缸活塞杆锁止，泵不卸荷，系统保压。
如图6所示，绝缘垫筒4内侧面的中部开设有沿自身轴线的周向均布的六个锁位凹槽4-1。锁位凹槽呈锥形，实现对弹簧针8的定位。阀芯5的侧面上开设有沿径向设置的两个弹针安置槽5-3。两个弹针安置槽5-3对中设置在阀芯5中心轴线的两侧。弹针安置槽5-3与绝缘垫筒4上的各锁位凹槽4-1在轴向上对齐。
如图6和7所示，工作位指示组件包括电池6、三个指示灯7、两个弹簧针8和六枚锥形触片9。六枚锥形触片分别设置在绝缘垫筒4的六个锁位凹槽4-1内。六枚锥形触片分别通过导线10接出。两个弹簧针8分别安装在阀芯5的两个弹针安置槽5-3内。两个弹簧针8相互之间电连接，连接方式为通过导线连接用通过导电的阀芯5连接。当阀芯5处于不同的工作位时，两个弹簧针8抵住不同的两个锁位凹槽4-12-4(六个锁位凹槽4-12-4两两为一组，对应三个工作位)。
电池6及三个指示灯7均安装在阀座的外侧面上。六枚锥形触片9中相互正对的两个锥形触片为一组，形成三个触片组。三个触片组与三个指示灯7分别对应。三个触片组各自的其中一枚锥形触片9均与电池6的正极电连接，三个触片组各自的另一枚锥形触片与三个指示灯7的阳极分别电连接。三个指示灯7的阴极均与电池6的负极电连接。被两个弹簧针8分别抵住相互正对的两个锥形触片，该两个锥形触片之间导通，使得对应的指示灯7被点亮。因此，当阀芯5转动至不同的工作位时，由于两个弹簧针8连通了不同的触片组，故不同的指示灯7被点亮，使得操作者能够知晓阀芯5当前处于哪个工作位。
三个指示灯7的阳极处分别引出一根信号线(p0、p1、p2)；引出的三根信号线接入控制器。控制器采用的单片机。控制器根据三个信号线中是否有任意一根输出高电平来判断阀芯5是否到达任意一个工作位。控制器根据哪一根信号线中输出高电平来判断阀芯5处于哪一个工作位。因此，即使电机10或舵机的精度交底，控制器也能根据三个信号线反馈的信号保证工作位的精确切换，而呈锥形的锁位凹槽4-1能够实现阀芯5的精准定位。
阀芯5通过电机10或舵机驱动；具体驱动结构如下：阀芯5上靠近第一油口盘的径向通流槽5-1的中心位置上开设有键槽5-4。键槽5-4为盲槽(即非通槽)，避免两个径向通流槽5-1之间发生渗漏。传动轴11的一端与键槽5-4通过键连接，另一端与电机10或舵机的输出轴通过联轴器连接。电机10安装在第一油口盘上。传动轴11与油口盘的连接处设置有密封圈，从而避免油液的渗漏。
该全稳态三位四通旋转换向阀的工作位切换方法，具体如下：
初始状态下，阀芯5处于其中一个工作位上，两个弹簧针8分别抵住属于同一个触片内的两枚锥形触片，其中一个指示灯7点亮。当需要切换至不同的工作位时，电机10或舵机驱动阀芯5转动，使得阀芯5切换至所需的位置。控制器根据三个信号线中是否有任意一根输出高电平来判断阀芯5是否到达任意一个工作位。控制器根据哪一根信号线中输出高电平来判断阀芯5处于哪一个工作位。
实施例2
如图8所示，本实施例与实施例1的区别在于：阀芯5不是由电机10或舵机驱动，而是由工作位切换机构驱动。
工作位切换机构安装在第一油口盘上，包括电磁推杆13、齿条14、齿轮15和单向轴承3-3。能够带动阀芯5的传动轴11的外端伸出第一油口盘外。齿轮15通过单向轴承3-3支承在传动轴11的外端。电磁推杆13固定在第一油口盘上，推出杆与齿条14固定。齿条14与齿轮15啮合。电磁推杆13的推出杆从内极限位置移动到外极限位置的过程中，齿轮15转动60°。当电磁推杆13推出或缩回时，将驱动齿轮15正向或反向转动；由于单向轴承3-3的外圈和内圈之间只能沿着一个方向相对转动；故齿轮15进行一次往复转动，将会带动传动轴11阀芯5沿一个方向转动60°，使得阀芯5从一个工作位切换到另一个工作位；因此，通过电磁推杆13的推出和缩回，即可实现阀芯5工作位的切换。
该全稳态三位四通旋转换向阀的工作位切换方法如下：
步骤一、电磁推杆推出，齿条14向外移动，带动齿轮15正向转动60°，该转动方向上，单向轴承3-3的外圈和内圈不能相对转动，使得阀芯5随齿轮15转动60°，阀芯5从一个工作位切换到相邻的另一个工作位。
步骤二、电磁推杆缩回，齿条14向内移动，带动齿轮15反向转动60°，该转动方向上，单向轴承3-3的外圈和内圈能够相对转动。阀芯5受到弹簧针8的转动阻力，故单向轴承3-3的外圈转动的过程中，内圈不转动，阀芯5保持静止。
通过重复执行步骤一和二就能够重复实现阀芯5工作位的持续切换，从而通过控制电磁推杆的推拉次数即可将阀芯5切换到任意一个工作位。
实施例3
本实施例与实施例1或2的区别在于：传动轴11贯穿阀芯且连接到第二油口盘处，并构成转动副。传动轴11与阀芯的连接处设置有密封圈。
1.全稳态三位四通旋转换向阀，包括阀座、阀芯和工作位指示组件；其特征在于：所述的阀座包括第一油口盘、第二油口盘、外筒身和绝缘垫筒；第一油口盘与第二油口盘分别固定在外筒身内腔的两端；绝缘垫筒固定设置在外筒身内，且位于第一油口盘与第二油口盘；第一油口盘上开设有进油口p和第一工作油口a；第二油口盘开设有回油口t和第二工作油口b；阀芯设置在绝缘垫筒内；阀芯呈圆柱状，两端端面均开设有径向通流槽；两条径向通流槽相互对齐；阀芯上开设有对中设置的自身中心轴线两侧的轴向通流孔；所述第一油口盘上的进油口p与第二工作油口b对中设置在阀芯中心轴线的两侧；第二油口盘上的回油口t与第一工作油口a对中设置在阀芯中心轴线的两侧；
所述的阀芯和阀座具有三个不同的工作位，分别如下：
(1)进油口p→靠近第一油口盘的径向通流槽→第一工作油口a；第二工作油口b→靠近第二油口盘的径向通流槽→回油口t；
(2)进油口p→第一个轴向通流孔→第二工作油口b；第一工作油口a→第二个轴向通流孔→回油口t；
(3)各径向通流槽及轴向通流孔均与阀座上的各个油口错开，使得进油口p、回油口t、第一工作油口a及第二工作油口b均截止；
所述绝缘垫筒的内侧面上开设有沿自身轴线的周向均布的六个锁位凹槽；锁位凹槽呈锥形；阀芯的侧面上开设有沿径向设置的两个弹针安置槽；两个弹针安置槽对中设置在阀芯中心轴线的两侧；所述的工作位指示组件包括电池、三个指示灯、两个弹簧针和六枚锥形触片；六枚锥形触片分别设置在绝缘垫筒的六个锁位凹槽内；两个弹簧针分别安装在阀芯的两个弹针安置槽内；两个弹簧针之间电连接；六枚锥形触片中相互正对的两个锥形触片为一组，形成三个触片组；三个触片组与三个指示灯分别对应；三个触片组各自的其中一枚锥形触片均与电池的正极电连接，三个触片组各自的另一枚锥形触片与三个指示灯的阳极分别电连接；三个指示灯的阴极均与电池的负极电连接。
2.根据权利要求1所述的全稳态三位四通旋转换向阀，其特征在于：三个指示灯的阳极处分别引出一根信号线；引出的三根信号线接入控制器。
3.根据权利要求1所述的全稳态三位四通旋转换向阀，其特征在于：所述的阀芯由工作位切换机构驱动；所述的工作位切换机构安装在第一油口盘上，包括电磁推杆、齿条、齿轮和单向轴承；传动轴的外端伸出第一油口盘外；齿轮通过单向轴承支承在传动轴的外端；电磁推杆固定在第一油口盘上，推出杆与齿条固定；齿条与齿轮啮合；电磁推杆的推出杆从内极限位置移动到外极限位置的过程中，齿轮转动60°。
4.根据权利要求1所述的全稳态三位四通旋转换向阀，其特征在于：所述的阀芯通过电机或舵机驱动；具体驱动结构如下：阀芯上靠近第一油口盘的径向通流槽的中心位置上开设有键槽；传动轴的一端与键槽通过键连接，另一端与电机或舵机的输出轴通过联轴器连接；电机安装在第一油口盘上；传动轴与油口盘的连接处设置有密封圈。
5.根据权利要求1所述的全稳态三位四通旋转换向阀，其特征在于：第一油口盘的内侧面上的进油口p、第一工作油口a、第二油口盘的内侧面上的回油口t和第二工作油口b处均开设有环形槽；四个环形槽内均嵌有o型密封圈；四个o型密封圈分别环住进油口p、第二工作油口b、回油口t和第一工作油口a，且与阀芯的端面接触。
6.根据权利要求1所述的全稳态三位四通旋转换向阀，其特征在于：过两个轴向通流孔轴线的平面与径向通流槽的长度方向呈60°夹角。
7.根据权利要求1所述的全稳态三位四通旋转换向阀，其特征在于：进油口p、第一工作油口a、第二工作油口b及回油口t中心轴线到阀芯的中心轴线的距离均等于轴向通流孔轴线到阀芯中心轴线的距离。
8.如权利要求2所述的全稳态三位四通旋转换向阀的工作位切换方法，其特征在于：初始状态下，阀芯处于其中一个工作位上，两个弹簧针分别抵住属于同一个触片内的两枚锥形触片，其中一个指示灯点亮；当需要切换至不同的工作位时，驱动阀芯转动，使得阀芯切换至所需的位置；控制器根据三个信号线中是否有任意一根输出高电平来判断阀芯是否到达任意一个工作位；控制器根据哪一根信号线中输出高电平来判断阀芯处于哪一个工作位。
技术总结