CN101429955B - 伺服管定位流体驱动器 - Google Patents

Abstract

一种用流体做工质、能够输出精确位移的伺服管定位流体驱动器，用作流体机械的动力源，属流体压力执行机构、一般液压技术和气动技术领域。它包括工作缸和伺服机构两部分，工作缸包括驱动缸、活塞和活塞杆；伺服机构具有齿轮齿条或螺纹传动副。工质经驱动缸与驱动缸盖上贯通的流体通道进入驱动缸、驱动缸盖、伺服管和活塞之间所形成的空间，并借助伺服机构中的齿轮齿条或螺纹传动副调节伺服管端面与活塞上泄流孔入口端面之间的间隙，进而改变工质作用于活塞两侧的压差，使驱动器活塞和外负荷体精确地停留在所要求的位置上。本发明自身功耗小(瓦级)、调节精度高、灵敏度高、且其调节比大、稳定性好、易于与智能化程度高的流体控制系统组合。

Description

伺服管定位流体驱动器

技术领域

一种伺服管定位流体驱动器用有压流体做工质，可作为要求对内含运动体精确定位的流体机械的动力源，特别适用于驱动阀门、工程机械或含有精确移动零部件的机械(如：机床、核反应堆控制棒的水力驱动装置等)。属于流体压力执行机构、一般液压技术和气动技术领域。

背景技术

由驱动缸和活塞组成的流体驱动器广泛用于工程技术领域，其常规设计是借助分配阀使有压流体交替进入驱动缸中活塞的两侧，从而推动与活塞杆固连的外负荷体作双向运动，而外负荷体可以多种多样，诸如：流体管道阀门的阀芯，机床上往复运动的床身、刀架等，液压式工程机械的移动臂，特殊的，如核反应堆的控制棒等。伴随社会的进步、科学技术的发展、生产工艺的改进和自动化程度的提高，对这类流体驱动器也提出了更高的要求，如结构简单、易于程控、能耗低、调节精度高等。

德国费斯托合资公司申请的中国发明专利“带有位置调整器的驱动装置”(申请号200680013655.6)公开了一种流体驱动器的设计方案，它“具有限定驱动空间(8)的驱动壳体(4)，在驱动空间(8)内设置至少一个通过液体作用能够线性地移动的并且与驱动元件(17)运动上结合的驱动活塞(14)，而且具有担负至少一个驱动活塞(14)的位置设定的位置调整器(3)，该调整器具有电子调整电路(26)和阀门设备(27)并且是调整器组件(28)的部件，调整器组件作为整体的组件从轴向相对于驱动空间(8)的一侧通过安装开口插入容纳空间(25)，容纳空间由驱动壳体(4)的与之整体地制成的整体延伸部限定并且与驱动空间(8)轴向邻接。”其不足在于：结构有些复杂。

德国托克斯印刷技术有限及两合公司申请的中国发明专利“液压气动压力传递装置”(申请号200810095193.8)给出了流体驱动器的另一种设计方案，它“具有工作活塞(4)和用于向工作活塞(4)的压力传送的传送器活塞(2)，……。液压流体必须从第一区域(21)经由第一连接部分(32，34)进入第二区域中，……”。其不足之处在于：两种流体并用，结构有些复杂。

现行启闭阀门的方法有手动、电机或电磁驱动、流体驱动之分。意大利欧美尔有限公司申请的中国发明专利“具有气动致动器的伺服操作活塞阀”(申请号200610094254.X)给出了用于启闭阀门的流体驱动器的另一种设计方案，它“包括具有通过形成阀座的中间管道彼此连通的用于待输送的流体的进口管道和出口管道的阀体，以及在所属阀座的关闭位置和打开位置之间移动的截止部件……”。其不足之处在于：结构有些复杂，除关闭和打开位置外无精确的中间位置，且需外加驱动能源。

清华大学申请的中国发明专利“用于反应堆控制棒传动的对孔式水力步进缸”(申请号91103612.1)给出了一种特殊用途的流体驱动器设计方案，它具有“固定的驱动缸和运动的活塞，采用流体动压原理，通过流量控制进行传动的一种水力步进装置。……”。其不足在于：控制棒(外负荷体)的移动是步进的而不是连续的。

发明内容

本发明的目的是公开一种自身能耗低、能对外负荷体精确定位的伺服管定位流体驱动器(简称驱动器)，它是通过改变伺服管端面与位于活塞上的轴向泄流孔进口端面的间隙，用以调整驱动活塞运动的有压流体的泄流量和活塞两侧的压差，使驱动器活塞和所述外负荷体移动并精确地停留在所要求的位置上。当使用本发明的系统中存在有压流体时，使活塞和外负荷体移动的动力源就是该流体，又由于伺服管处于轴向受力平衡状态(或轴向力很小)，故移动伺服管的能耗很小(瓦级)，且其调节比大、灵敏度高、调节精度高、稳定性好、易于与智能化程度高的流体控制系统组合。

本发明所涉及的伺服管定位流体驱动器包括工作缸和伺服机构两大部分，其中，工作缸包括驱动缸、活塞和活塞杆；伺服机构采用两种传动方式，其一是齿轮齿条传动副，其伺服机构包括驱动缸盖、伺服管、齿条、齿轮轴、密封组件和“T”形端盖，其二是螺纹传动副，其伺服机构包括改形驱动缸盖、改形伺服管、调节杆、密封组件、导向套、对接法兰盘和导向套盖。

所述的工作缸中的驱动缸是个一侧敞口的厚壁筒体，且敞口外侧带有用于与驱动缸盖对接的法兰盘，驱动缸底部的中心处加工出供活塞杆插入的透孔，偏离中心处加工出排流孔，沿筒壁的母线方向加工出带有螺纹接口的轴向流体通道；活塞中心处加工有轴向贯通的泄流孔；活塞杆的一端加工出横向贯通的凹槽，此端端面抵在活塞端面的中心处，且所述凹槽与活塞上所述泄流孔对中。

采用齿轮齿条传动副的伺服机构中的驱动缸盖是一个一端带有法兰盘且中部加工有横向齿轮轴座的筒形构件，并借助该法兰盘与驱动缸螺栓连接，法兰盘内加工出一条径向流体通道，其一端与驱动缸盖的内腔相通，另一端与驱动缸上所述的轴向流体通道对中。伺服管是一根一端带有内倒角的管件，管外沿轴向镶装一段齿条；伺服管和密封组件沿轴向插装于驱动缸盖的内腔，且伺服管的带内倒角端朝向驱动缸内的活塞，另一端插入“T”形端盖上的轴向半孔中，且能沿半孔轴向滑动；“T”形端盖与驱动缸盖螺栓连接；齿轮轴插装在所述的齿轮轴座内；于是，镶装部分齿条的伺服管与齿轮轴组成一对齿轮齿条传动副。

采用螺纹传动副的伺服机构中的改形驱动缸盖是一个带有双侧法兰盘的“工”字形构件且在中心处加工出一个轴向透孔，在与驱动缸对接侧的法兰盘内加工出一条径向流体通道，其一端与所述轴向透孔相通，另一端与驱动缸上所述的轴向流体通道对中；导向套是一个一端外侧带有凸缘，内有四段不等径直孔的筒体，且在其中一段直孔内壁上沿轴向加工出一对导向槽；改形伺服管的一端具有较大的内倒角和精加工端面，另一端内腔加工出一段细螺纹且外缘带有双凸肩，插装在所述导向套的导向槽内并可沿轴向滑动；调节杆是一根加工有部分螺纹的杆件，可与外旋的改形伺服管组成一对螺纹传动副，调节杆中部加工有凸缘，用于限制调节杆在导向套内轴向窜动；改形驱动缸盖上所述的中心透孔与导向套端部、改形伺服管之间加装密封组件，并借助导向套外侧的凸缘、对接法兰盘和螺栓压紧；调节杆的无螺纹段和中部所述凸缘与导向套之间加装止窜垫圈、密封圈，并借助导向套盖和螺栓压紧。

为了以下的叙述简捷，在不会产生歧义的地方将“改形伺服管”简称为“伺服管”，“改形驱动缸盖”简称为“驱动缸盖”。

上述结构的基本特征是：活塞杆上带有横向贯通凹槽侧的端面抵在活塞端面的中心处，所述凹槽与活塞上所述泄流孔对中；位于导向套内的伺服管在活塞的另一侧与活塞上所述泄流孔对中，伺服管与活塞可以接近或接触，但之间无固连关系。

本发明所形成的用于驱动活塞和外负荷体的贯通流体通道是：驱动缸上的轴向流体通道→驱动缸盖上的径向流体通道→驱动缸、驱动缸盖、伺服管、密封组件以及活塞端面之间所形成的空间→伺服管端面与活塞端面之间的缝隙→活塞上所述泄流孔→活塞杆端部的所述凹槽→活塞的另一侧→驱动缸底部的排流孔。

本发明的工作原理是：外负荷体精确定位的位置是由伺服管端面与活塞端面之间的间隙决定的。下述的活塞推力是指作用在活塞正面(与受控流体进口腔相通侧，即面对伺服管侧)的流体压力；下述的活塞阻力是指作用在活塞背面(与受控流体出口腔相通侧，即面对外负荷体侧)的流体压力、阀杆反作用力及活塞所受摩擦力之合力。工作时，流体工质经所述的贯通流体通道进入活塞端面与驱动缸盖、伺服管和密封组件之间所形成的空间，当所产生的活塞推力大于活塞阻力时，活塞向加大其端面与伺服管端面之间的间隙方向移动，进而加大了活塞上泄流孔的泄流量，降低了活塞两侧的压差，并使活塞(连同外负荷体)移动至某一受力平衡位置静止(不妨称此时伺服管端面与活塞端面之间的间隙为平衡间隙)；欲使活塞推动外负荷体继续运动，则需使伺服管端面向活塞端面靠拢，以减小两者端面之间的间隙，进而加大了活塞两侧的压差，当活塞推力大于活塞阻力时，运动又开始；反之，欲使活塞(连同外负荷体)向反方向运动，则需使伺服管端面远离活塞端面，从而加大了活塞上泄流孔的泄流量，减小了活塞两侧的压差，当活塞阻力大于活塞推力时，反向运动开始。在上述过程中，如果伺服管停留在要求的位置上，只要伺服管端面与活塞端面之间的间隙等于平衡间隙，活塞(连同外负荷体)也会停止运动并停留在要求的位置上。

需要指出的是，在采用齿轮齿条传动副的伺服机构中，流体工质进入伺服管端面和活塞端面之间的缝隙后，还可经伺服管内腔充满“T”形端盖上的轴向半孔，于是，作用在伺服管上的流体压力处于轴向平衡状态，致使移动伺服管的功耗很小，只需瓦级。而在采用螺纹传动副的伺服机构中，流体工质亦可包绕伺服管，但由于调节杆的存在，伺服管上作用有较小的轴向流体压力，其值与调节杆横断面面积成正比；尽管如此，移动伺服管的功耗也很小，仍为瓦级。

在本发明中，使外负荷体运动的力是有压流体作用于活塞上的压力，而非移动伺服管的力(伺服管端面与活塞端面之间能自动保持小于0.3毫米的固定间隙)，尽管调整伺服管端面与活塞端面之间的距离即可使外负荷体运动。

使用本发明时，活塞杆与外负荷体固连，驱动缸盖上所述的轴向流体通道借助管道与有压流体相连，排流孔与排流管相连，齿轮轴或调节杆与驱动器的动力源(如伺服电机)输出轴固连。

附图说明

图1采用齿轮齿条传动副的伺服管定位流体驱动器结构示意图

图2具有螺纹传动副的伺服机构结构示意图

具体实施方式

下面给出本发明的优选实施方式，并结合附图加以说明。

如图1所示，伺服管定位流体驱动器包括工作缸和伺服机构两大部分，其中，工作缸包括驱动缸1、活塞3和活塞杆4；采用齿轮齿条传动副的伺服机构包括驱动缸盖2、伺服管8、齿条9、密封组件6、齿轮轴7和“T”形端盖10。

工作缸中的驱动缸1是个一侧敞口的厚壁筒体，且敞口侧外缘带有用于与驱动缸盖2对接的法兰盘，底部的中心处加工出供活塞杆4插入的透孔，偏离中心处加工出排流孔15，沿筒壁的母线方向加工出轴向流体通道11；活塞3中心处加工有轴向贯通的泄流孔14；活塞杆4的一端加工出横向贯通的凹槽13，此端端面抵在活塞3端面的中心处，所述凹槽13与活塞上所述泄流孔14对中。

采用齿轮齿条传动副的伺服机构中的驱动缸盖2是一个一端带有法兰盘且中部加工有横向齿轮轴座的筒形构件，并借助该法兰盘与驱动缸1螺栓连接，法兰盘内加工出一条径向流体通道12，其一端与驱动缸盖2的内腔相通，另一端与驱动缸1上所述的轴向流体通道11对中；伺服管8是一根一端带有内倒角的管件，管外沿轴向镶装一段齿条9；伺服管8和密封组件6沿轴向插装于驱动缸盖2的内腔，且伺服管8的带内倒角端朝向驱动缸1内的活塞3，另一端插入“T”形端盖10上的轴向半孔中，且能沿半孔轴向滑动；“T”端盖10与驱动缸盖2螺栓连接；齿轮轴7插装在所述的齿轮轴座内；于是，镶装部分齿条9的伺服管8与齿轮轴7组成一对齿轮齿条传动副。

伺服管8与活塞杆4分居活塞3两侧且分别与活塞3上所述泄流孔14对中；伺服管8与活塞3可以接近或接触，但之间无固连关系。

用于驱动活塞3和活塞杆4的贯通流体通道是：驱动缸1上的轴向流体通道11→驱动缸盖2上的径向流体通道12→驱动缸1、驱动缸盖2、伺服管8、密封组件6以及活塞3端面之间所形成的空间→伺服管8端面和活塞3端面之间的缝隙→活塞3上所述泄流孔14→活塞杆4端部的所述凹槽13→活塞3的另一侧→驱动缸1底部的排流孔15；与此同时，进入所述伺服管8端面和活塞3端面之间的缝隙的流体，还可经伺服管8内腔充满“T”形端盖10上的轴向半孔。

如图2所述，采用螺纹传动副的伺服机构包括改形驱动缸盖2′、改形伺服管8′、调节杆9′、密封组件6、导向套7′、对接法兰盘5和导向套盖10′。其中的改形驱动缸盖2′是一个带有双侧法兰盘的“工”字形构件且在中心处加工出一个轴向透孔，在与驱动缸1对接侧的法兰盘内加工出一条径向流体通道12，其一端与所述轴向透孔相通，另一端与驱动缸1上所述的轴向流体通道11对中；导向套7′是一个一端外侧带有凸缘，内有四段不等径直孔的筒体，且在其中一段直孔内壁上沿轴向加工出一对导向槽；改形伺服管8′的一端具有较大的内倒角和精加工端面，另一端内腔加工有一段细螺纹且外缘带有双凸肩，插装在导向套7′上的所述导向槽内并可沿轴向滑动；调节杆9′是一根加工有部分螺纹的杆件，可与外旋的改形伺服管8′组成一个螺纹传动副，调节杆9′中部加工有凸缘，用于限制调节杆9′在导向套7′内轴向窜动；改形驱动缸盖2′上的所述中心透孔与导向套7′端部、改形伺服管8′之间加装密封组件6，并借助导向套7′外侧的凸缘、对接法兰盘5和螺栓压紧；调节杆9′的无螺纹段和中部所述凸缘与导向套7′之间加装止窜垫圈、密封圈，并借助导向套盖10′和螺栓压紧。

用于驱动活塞3和活塞杆4的贯通流体通道与本页第5～8行的表述基本相同，只需将其中的伺服管8替换成改形伺服管8′，驱动缸盖2替换成改形驱动缸盖2′；与此同时，进入所述改形伺服管8′端面和活塞3端面之间的缝隙的流体，还经改形伺服管8′内腔、管壁上的透孔和相关缝隙包绕改形伺服管8′。

本发明自身功耗低(瓦级)，当用于具有有压流体的系统时，可直接引入该流体作为工质，从而大大减低能耗，且其调节比大、灵敏度高、调节精度高、稳定性好、易于与智能化程度高的流体控制系统组合。

Claims (3)

1.一种伺服管定位流体驱动器，包括工作缸和伺服机构两大部分，其中工作缸包括驱动缸、活塞和活塞杆；伺服机构中采用齿轮齿条传动副或螺纹传动副；其特征在于：工作缸中的驱动缸(1)是个一侧敞口的厚壁筒体，且敞口侧外缘带有法兰盘，而底部的中心处加工有供活塞杆(4)插入的透孔，偏离中心处加工出排流孔(15)，沿筒壁的母线方向加工出带有螺纹接口的轴向流体通道(11)；活塞(3)中心处加工有轴向贯通的泄流孔(14)；活塞杆(4)的一端加工出横向贯通的凹槽(13)，此端端面抵在活塞(3)端面的中心处，且与活塞(3)上所述的泄流孔(14)对中；伺服管(8)或改形伺服管(8’)是一端端口皆带有较大内倒角而另侧或在管外沿轴向镶装一段齿条(9)或在内腔加工出一段螺纹的管件，且带有较大内倒角的端面在活塞杆(4)的对侧朝向活塞(3)，与其上所述泄流孔(14)对中；伺服管(8)或改形伺服管(8’)与活塞(3)可以接近或接触，但之间无固连关系。

2.如权利要求1所述的伺服管定位流体驱动器，伺服机构中采用齿轮齿条传动副；其特征在于：其伺服机构包括驱动缸盖(2)、伺服管(8)、齿条(9)、密封组件(6)、齿轮轴(7)和“T”形端盖(10)；其中，驱动缸盖(2)是一个一端带有法兰盘且中部加工有横向齿轮轴座的筒形构件，并借助该法兰盘与驱动缸(1)螺栓连接，法兰盘内加工出一条径向流体通道(12)，其一端与驱动缸盖(2)内腔相通，另一端与驱动缸(1)上所述的轴向流体通道(11)对中；伺服管(8)借助密封组件(6)沿轴向插装于驱动缸盖(2)的内腔直至“T”形端盖(10)上的轴向半孔中，且能沿半孔轴向滑动；“T”形端盖(10)与驱动缸盖(2)螺栓连接；齿轮轴(7)插装在驱动缸盖(2)上所述的横向齿轮轴座内，与伺服管(8)上的齿条(9)组成一对齿轮齿条传动副。

3.如权利要求1所述的伺服管定位流体驱动器，伺服机构中采用螺纹传动副；其特征在于：其伺服机构包括改形驱动缸盖(2’)、改形伺服管(8’)、调节杆(9’)、密封组件(6)、导向套(7’)、对接法兰盘(5)和导向套盖(10’)；其中的改形驱动缸盖(2’)是一个带有双侧法兰盘的“工”字形构件且在中心处加工出一个轴向透孔，在与驱动缸(1)对接侧的法兰盘内加工出一条径向流体通道(12)，其一端与所述轴向透孔相通，另一端与驱动缸(1)上所述的轴向流体通道(11)对中；导向套(7’)是一个一端外侧带有凸缘，内有四段不等径直孔的筒体，且在其中一段直孔内壁上沿轴向加工出一对导向槽；改形伺服管(8’)的外缘带有双凸肩，插装在所述导向套(7’)的导向槽内并可沿轴向滑动；调节杆(9’)是一根加工有部分螺纹的杆件，中部加工有凸缘，与改形伺服管(8’)内腔的螺纹组成一对螺纹传动副；改形驱动缸盖(2’)上的所述中心透孔与导向套(7’)端部、改形伺服管(8’)之间加装密封组件(6)，并借助导向套(7’)外侧的凸缘、对接法兰盘(5)和螺栓压紧；调节杆(9’)的无螺纹段和中部所述凸缘与导向套(7’)之间加装止窜垫圈、密封圈，并借助导向套盖(10’)和螺栓压紧。

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