CN101634316B - 一种带安全装置的液压变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带安全装置的液压变压器，以斜轴式柱塞泵为设计基础，通过配流盘来改变柱塞腔在吸排油过程中相对三个油腔的对应位置，从而改变槽口流量以补偿高低压油端的流量差，最终实现其自身旋转运动及能量输出。本发明对新型液压变压器及其安全阀总成进行了设计，新型液压变压器采用缸体配流盘球面设计，缸体中心轴支撑和静压轴承配流盘设计，大大减小液压变压器的体积和重量，解决了配流盘与后端盖之间的油液节流损失，扩大了液压变压器的调压比范围，可以使液压变压器在正反两个方向，大角度范围内旋转，从而使液压变压器的调压功能、回收负载功能、节能功能得到最大的体现，同时也使液压变压器的噪音得到了降低。
Description
技术领域
本发明属液压变压器技术领域，特别是涉及一种带安全装置的液压变压器。
背景技术
传统型液压变压器是由定变压比的液压缸式和变压比可调的液压马达/泵式两种液压变压器组成。前者是由两个单杆液压缸将其活塞杆刚性地联接在一起的结构，由于两侧活塞的有效作用面积不同，从而使两侧油腔内的压力不同，这样便实现了变压。其特点是变压比为固定值，一般作为增压装置。而后者才是通常所指的传统型液压变压器，对于它的研究较为深入，在国外主要体现在欧洲对该项技术的研究与应用，如德国、瑞典、荷兰等都有显著的研究成果，另外，日本研究速度也很迅速。
1997年，荷兰Innas公司制造出了第一台新型液压变压器的样机，并与NOAX公司在1997年的国际流体动力会议(SICFP’97)上正式地提出了基于恒压网络的新型液压变压器的工作原理，这种液压变压器被称为Innas液压变压器，简称为IHT[1](Innas HydraulicTransformer)。在斜轴式定量轴向柱塞泵/马达的基础上，去掉输出轴，将配流盘由原来两个肾形配流口的结构改造成三个，通过手动控制配流盘来改变负载和恒压网络之间的流量比和压力比。新型液压变压器的结构简单，动态性能好，可用来驱动直线和旋转负载，因此展示了广泛的应用前景。
2000年，Achten和Zhao Fu对液压变压器的配流盘开口结构进行了优化[2]，目的在于使配流盘受力均衡，改善其控制特性。
2002年，Rexroth公司的Dantlgraber
申请了有关减小配流盘和壳体之间及配流盘和缸体之间摩擦力及摩擦损失方案的专利[3]。它的创新之处是在配流盘和壳体之间放置球形或者圆锥形滚动体，通过减小接触面积来减小摩擦力以及摩擦损失，从而降低液压变压器的起动力矩。
2003年，浙江大学的杨华勇等对国内外液压变压器的研究状况进行了剖析，指出了液压变压器研发中亟待解决的关键问题。2004年，欧阳小平等分析了导致液压变压器调压范围过窄的原因是配流盘的肾形口与相应后端盖油槽形状和位置不匹配造成的。为拓宽其调压范围，对其结构进行了优化研究[4]。
综合的研究内容及专利情况，液压变压器已经成为二次调节静液传动技术研发的主要热点之一。但是配流盘和缸体以及端盖之间端口的匹配不够完善，造成压力波动及噪声，在结构设计中要力争克服这个缺陷；调节液压变压器的变压比是以手动控制为主，也没有联接安全阀来控制调节压力。除此之外，对于液压变压器应用在恒压网络中同时驱动多个负载时，负载之间的压力耦联现象的分析在相关资料中还未见有报导。若能将这几个问题得以解决，必将使得对液压变压器的研究更加完善，并将极大的推广其应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种解决液压恒压网络系统中驱动直线负载及节流损失的难题，同时配置安全阀保证了液压运用的安全性的带安全装置的液压变压器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种带安全装置的液压变压器，包括斜轴式柱塞泵，配流盘，所述斜轴式柱塞泵的后端壳体的一端与后端盖相连接，后端壳体的另一端与前端壳体通过内六角螺钉相连，而前端壳体也通过内六角螺钉与前端盖相连接，构成斜轴式的液压变压器封闭容腔，装在斜轴式前端壳体和后端壳体内的旋转主轴一端与安装在前端盖上的输出端相连接，由第一圆锥滚子轴承和第二圆锥滚子轴承支撑，中心轴的轴线与旋转轴的轴线相交，空间成25°，并用心轴保持架固定，配流盘装在缸体和后端盖之间；在缸体上的中心轴一端铰接在旋转轴的一端上，中心轴的另一端安装在配流盘前端面中心细长孔处，缸体上装有柱塞，柱塞与连杆通过球铰联结，连杆一端与旋转轴通过球铰联结，配流盘通过其上的齿轮与位控齿轮即小齿轮相啮合，小齿轮通过联接键与后端盖上的位控轴连接，后端盖的高压油口通过第一三通与安全阀总成的高压口相连，后端盖的油箱口通过第二三通接到安全阀的油箱口。
所述的配流盘前端面W1的同一个圆上分别开有形状相同的高压腰形槽口、负载腰形槽口、油箱腰形槽口，能够分别与缸体的至少1个柱塞窗口相连通，配流盘周向方向上开有齿轮，与装在位控轴上的小齿轮相啮合，控制配流盘的旋转角度。
所述的配流盘上的高压腰形槽口，通过高压腔接到配流盘后端面W2中心的高压圆形槽口，配流盘分别在圆周面和另一圆周面上开有与高压腔连通的细长孔；配流盘上的负载腰形槽口通过负载腔接到配流盘后端面W2的负载槽口，配流盘分别在圆周面和另一圆周面，开有与负载腔连通的细长孔；配流盘上的油箱腰形槽口通过油箱腔引到配流盘后端面W2的油箱槽口，配流盘分别在圆周面和另一圆周面，开有与油箱腔连通的细长孔；配流盘后端面W2上有一环形槽，环形槽内有四个通孔；配流盘后端面W2面的卸油槽为一环形槽，与油箱糟口相连通。
所述的后端盖的不同半径上开有三个形状各不相同的第一压力槽口、第二压力槽口和第三压力槽口，第一压力槽口为圆形，与配流盘的槽口相通；后端第二压力槽口为圆周环形槽，与配流盘的槽口相通，在第二压力槽口内，有一腰形槽；第三压力槽口为一定角度和深度的环形槽，第三压力槽口中开有能将低压油引入或引出到第三压力槽口中的腰形槽；第一压力槽口通过后端盖的腔与高压油路接口相通，第二压力槽口通过其中的腰形槽引与负载油路接口相通，第三压力槽口通过其中的槽腔与油箱油路接口相通。
所述的高压油通过后端盖中的油口引入，经过后端盖的腔，第一压力槽口与配流盘的油口相连通，通过配流盘的油腔将高压油引入到配流盘的前端面W1的高压口，与缸体的柱塞腔窗口相通，柱塞腔中的油经柱塞腔窗口与配流盘的端面W1负载腰形槽口相通，经过负载腔，配流盘后端面W2的负载槽口与后端盖的第二压力槽口相通，经腰形槽与负载油路接口相通，将油液排出到负载口或将负载口的油液吸入到柱塞腔；当缸体旋转到柱塞腔中的油经柱塞腔窗口与配流盘的端面W1的油箱腰形槽口相通时，经过油箱腔、配流盘后端面W2的油箱槽口与后端盖的第三压力槽口相通，再经腰形槽与低压油路接口相通，将油液排出到低压油口或将低压油口的油液吸入到柱塞腔，后端盖W2面的环形台肩与配流盘相配合，使配流盘另一圆周面的第一槽，第二槽和第三槽形成静压支承密封压力区；壳体的支承端面与配流盘周向端面相配合，使配流盘圆周面的第四槽，第五槽和第六槽三个槽形成静压支承密封压力区。
所述的配流盘前端面W1高压口被接到配流盘后端面W2的中心位置，配流盘前端面W1的负载口直通后端面W2，配流盘前端面W1的低压口通过油箱腔斜向接到后端面W2油箱槽口，油箱槽口的半径位置大于负载槽口的半径位置。
所说的配流盘7后端面W2的环形槽35，是控制配流盘左、右旋转角度不超过120°的环形槽。
本发明的新型液压变压器以斜轴式柱塞泵为设计基础，通过配流盘来改变柱塞腔在吸排油过程中相对三个油腔的对应位置，从而改变槽口流量以补偿高低压油端的流量差，最终实现其自身旋转运动及能量输出。本发明对新型液压变压器及其安全阀总成进行了设计，新型液压变压器采用缸体——配流盘球面设计，缸体中心轴支撑和静压轴承配流盘设计，大大减小液压变压器的体积和重量，解决了配流盘与后端盖之间的油液节流损失，扩大了液压变压器的调压比范围，可以使液压变压器在正反两个方向，大角度范围内旋转，从而使液压变压器的调压功能、回收负载功能、节能功能得到最大的体现，同时也使液压变压器的噪音得到了降低。全量式安全阀的调节可以适应不同调压范围。
有益效果
液压变压器是一种能够实现将直线和旋转负载无节流损失地直接连接到液压恒压网络中新型节能液压元件。本发明解决了液压恒压网络系统中驱动直线负载时，引入节流装置带来节流损失的难题，同时配置的安全阀保证了液压运用的安全性。本新型液压变压器可以在多个行业中得以应用：车辆的液压驱动系统；工程机械的液压传动系统(起重机、行走机械)；冶金机械(精轧机组液压传动系统)；石油机械(液压抽油机液压传动系统)等。因此，对液压变压器进行更为深入的理论和试验研究是使该元件国产化、系列化的基础，也是推广恒压网络系统发展的关键。
附图说明
图1为液压变压器系统三维结构图；
图2为液压变压器一侧的局部结构旋转剖三维视图；
图3为配流盘前端面W1视图；
图4为配流盘的负载端与高压端三维视图；
图5为配流盘的油箱端与高压端三维视图；
图6为配流盘后端面W2视图；
图7为后端盖前端面W1视图；
图8为后端盖旋转三维剖视图；
图9为安全阀三维剖面视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，前端壳体4与后端壳体5通过内六角螺钉58相连接，后壳体5与后端盖11通过内六角螺钉57相联接，前壳体4通过内六角螺钉与前端盖50相联结，前端盖上装有骨架油封51，从而构成斜轴式的液压变压器封闭容腔。旋转轴6安装在圆锥滚子轴承9、10上。缸体1放在中心轴15上，中心轴15的轴线与旋转轴6的轴线相交，形成斜轴式。中心轴15的一端铰接在旋转轴6上，另一端安装在配流盘前端面中心细长孔16处。柱塞2与连杆3通过球铰联结在一起，连杆3一端与旋转轴6通过球铰联结，柱塞2一端放在缸体1的柱塞腔17内。配流盘7放在缸体1和后端盖11之间，与缸体1配合形成密封端面W1，与后端盖11配合形成密封端面W2。配流盘7通过其上的齿轮28与小齿轮8相啮合，小齿轮8通过联接键与位控轴13联接。控制杆13放在轴套12内，而轴套12通过螺纹与后端盖11联接。安全阀总成60通过两个三通分别与后端盖11的高压口43和油箱口46相连。输出端54是为测量和控制液压变压器的转速。在图5-1中，高压油通过后端盖11中的油口43引入，经过后端盖的腔40、槽口37与配流盘7的油口25相连，通过配流盘7的油腔22将高压油引入到配流盘7的前端面W1的高压口19，与缸体1的柱塞腔窗口18相通。
如图2所示是液压变压器一侧的局部结构旋转剖三维视图。图中，一个柱塞腔17中的油经柱塞腔窗口18与配流盘7的端面W1槽口20相通，经过负载腔23，配流盘后端面W2的负载槽口26与后端盖11的槽口38相通，经腰形槽41与负载油路接口45相通，将油液排出到负载口或将负载口的油液吸入到柱塞腔17。
当缸体1旋转到一个柱塞腔17中的油经柱塞腔窗口18与配流盘7的端面W1的槽口21相通时，经过油箱腔24、配流盘后端面W2的槽口27与后端盖的槽口39相通，再经腰形槽42与低压油路接口46相通，将油液排出到低压油口或将低压油口的油液吸入到柱塞腔17。壳体5的支承端面52与配流盘7的轴肩53形成油液密封带，后端盖的台肩44与配流盘7的轴肩53’形成油液密封带。
如图3所示为配流盘7的前端面W1，开有三个形状相同的腰形槽口19，20，21，分别与缸体的一个或几个柱塞窗口18相配合.三个腰形槽口19，加、21的中心分布在同一个圆上。槽口19与高压油源相通，槽口20与负载油路相通，槽口21与油箱相通.配流盘周向方向上开有齿轮28，以便与小齿轮8相啮合，进行配流盘的旋转角度控制。
如图4所示为配流盘7的负载端与高压端三维视图。图中，配流盘槽口19通过高压腔22引到配流盘后端面W2中心的圆形槽口25。配流盘槽口20通过负载腔23引到配流盘后端面W2的槽口26，从高压腔22通过细长细长孔29和29。将高压油引出到配流盘圆周面53和53’的槽30和30’，形成高压油源侧的静压油膜支承。从腔23通过细长细长孔31和31’将负载油引出到配流盘周向端面的糟32和32’，形成负载侧静压油膜支承。35为一定深度的限位槽，中间开有通细长孔36。
如图5所示为配流盘油箱端与高压端三维视图。配流盘槽口21通过油箱腔24引到配流盘后端面W2的槽口27，从腔24通过细长细长孔33和33.将高压油引出到配流盘周向端面53和53’的槽34和34’，形成低压侧的静压油膜润滑。
如图6所示配流盘端面W2视图。配流盘前端面W1的槽口19引入到后端面W2的槽口25，配流盘前端面W1的槽口20引入到后端面W2的槽口26，配流盘前端面W1的槽口21引入到后端面W2的槽口27上，槽口25，26，27的中心分别在不同半径的分布圆上，而且每个槽口的形状都不相同，槽口25为一圆形，26，27分别为大小不同的两个环形槽口。卸油槽55为一环形槽，与低压槽口27相连通，有利于将高压油槽25和负载油槽26形成所需的压力场区，保证后端盖11与配流盘7之间形成较好的油膜静压支承，同时也保证高压油槽和负载油槽泄漏出的油液很好地回收到低压口27。在配流盘端面W2开有200°的环形槽35，目的是限制配流盘左右旋转角度超过120°，在槽35内开有直径略小的4个小细长孔，目的是将泄漏的油液引出到壳体中。
圆周面的静压支承槽30’、30，32’、32，34’、34为一定角度并互不相通的配流盘周向槽，由于圆周面的静压支承槽30’，30的压力来自高压槽22，圆周面的静压支承槽32’，32的压力来自负载槽23，圆周面的静压支承相34’，34的压力来自低压槽口24，这不同于只来自一个油源压力的传统静压支承.配流盘7采用这种形式的静压支承，不仅省去了额外的压力源，同时可以使回周面的静压支承槽30’、30，32’32，34’、34产生的支承力抵消缸体4对在配流盘7的各个槽口压力区对配流盘产生的倾覆力矩，防止配流盘的倾斜。由于配流盘采用静压支承式结构，省去了一个径向尺寸很大的滚动轴承，因而使得液压变压器的结构尺寸得到减小。
如图7所示为后端盖W2面视图。后端盖的三个压力槽口37，38，39形状各不相同，同时它们的中心分布在不同的半径上。槽口37为一圆形，与配流盘的槽口22相通。后端盖槽口38为一定深度的圆周环形槽，与配流盘的槽口26相通，在环形槽38内，有一腰形槽41，目的是为槽口38引入或引出负载油，这样配流盘7的槽口26可以在360°范围内无节流损失地排出或吸入负载油。后端盖槽口39为一定角度和深度的环形槽，槽口39中开有一腰形槽42，目的是将低压油引入或引出到槽39中。后端盖中的槽48用来装O形密封圈，保证后端盖I 1与壳体4之间的密封。后端盖销细长孔47用来安装配流盘限位销14，与配流盘7的限位槽35联合使用，防止配流盘的旋转角度超过120°。
如图8所示为后端盖旋转三维剖视图。中心槽口37通过腔40与高压油路接口43相通，以便为配流盘7吸入或排出高压油。后端盖的圆形细长孔49用来安装轴套12，圆形细长孔49与轴套12之间通过螺纹连接，并且用O型密封圈保证两者之间的密封。后端盖槽口38通过其中的腰形槽41与负载油路接口45相通，以便为配流盘7排出或引入负载油。后端盖槽口39通过其中的梢腔42与油箱油路接口46相通，以便为配流盘7引出或引入低压油。后端盖W2面的环形台肩44，通过与配流盘7相配合，保证在配流盘7圆周面53’的三个槽30’，32’，34，形成静压支承密封压力区。
如图9为安全阀三维剖视图，安全阀总成61用来避免液压变压器高压油与低压油(油箱油)的压差过大，而导致的严重泄漏、失效。它被分别旁接在液压变压器的高压端43和油箱端46。当高压油源压力过大时，一部分高压油会从阀体62的高压口71流入，作用于阀瓣63，挤压预先调定的弹簧64，流过阀瓣63，直接从油箱口72流回油箱。弹簧64的一端安装在弹簧压板65上，另一端顶着阀瓣63。弹簧压板65靠紧支座66，支座66通过八个内六角螺钉69被固定在阀体62上，中间有密封圈70密闭。螺杆67通过螺纹联接这两部分，一部分固定弹簧压板65为一体；另一段联接支座66，旋动螺杆67改变其在支座中的位置，来调节弹簧压板65与阀瓣63的间距，从而改变弹簧预紧力。
图标注号与名称对应表
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 1 | 缸体 | 15 | 中心轴 |
| 2 | 活塞 | 16 | 中心细长空 |
| 3 | 连杆 | 17 | 活塞腔 |
| 4 | 前端壳体 | 18 | 柱塞窗口 |
| 5 | 后端壳体 | 19 | 高压腰型槽口(配流盘W1) |
| 6 | 旋转主轴 | 20 | 负载腰型槽口(配流盘W1) |
| 7 | 配流盘 | 21 | 油箱腰型槽口(配流盘W1) |
| 8 | 位控齿轮(小齿轮) | 22 | 高压腔(配流盘) |
| 9 | 圆锥滚子轴承(大) | 23 | 负载腔(配流盘) |
| 10 | 圆锥滚子轴承(小) | 24 | 油箱腔(配流盘) |
| 11 | 后端盖 | 25 | 高压口(配流盘W2) |
| 12 | (位控轴)轴套 | 26 | 负载槽口(配流盘W2) |
| 13 | 位控轴 | 27 | 油箱槽口(配流盘W2) |
| 14 | 定位销 | 28 | 配流盘外齿 |
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 29 | 高压腔细长孔(配流盘) | 51 | 骨架油封 |
| 30 | 高压侧静压油膜支撑(配流盘) | 52 | 壳体支撑面 |
| 31 | 负载腔细长孔(配流盘) | 53 | 配流盘圆周面 |
| 32 | 负载侧静压油膜支撑(配流盘) | 54 | 输出端 |
| 33 | 油箱腔细长孔(配流盘) | 55 | 卸油槽 |
| 34 | 油箱侧静压油膜支撑(配流盘) | 56 | 压盘 |
| 35 | 环形槽(配流盘) | 57 | 内六角螺钉M20 |
| 36 | 环形槽通孔(配流盘) | 58 | 内六角螺钉M30 |
| 37 | 中心槽口(后端盖W1) | 59 | 键(旋转主轴) |
| 38 | 负载环形槽口(后端盖W1) | 60 | 心轴保持架 |
| 39 | 油箱环形槽口(后端盖W1) | 61 | 安全阀总成 |
| 40 | 高压油腔(后端盖) | 62 | 阀体(安全阀) |
| 41 | 负载腰型槽(后端盖) | 63 | 阀瓣(安全阀) |
| 42 | 油箱腰型槽(后端盖) | 64 | 弹簧(安全阀) |
| 43 | 高压油路接口(后端盖) | 65 | 弹簧压板(安全阀) |
| 44 | 台肩(后端盖) | 66 | 支座(安全阀) |
| 45 | 负载油路接口(后端盖) | 67 | 螺杆(安全阀) |
| 46 | 油箱油路接口(后端盖) | 68 | 罩(安全阀) |
| 47 | 销孔(后端盖) | 69 | 内六角螺钉M4(安全阀) |
| 48 | 密封圈槽(后端盖) | 70 | 密封圈(安全阀) |
| 49 | 轴套孔(后端盖) | 71 | 高压油口(安全阀) |
| 50 | 前端盖 | 72 | 油箱油口(安全阀) |
Claims (4)
1.一种带安全装置的液压变压器，包括斜轴式柱塞泵，配流盘，其特征在于：所述斜轴式柱塞泵的后端壳体(5)的一端与后端盖(11)相连接，后端壳体(5)的另一端与前端壳体(4)通过内六角螺钉(58)相连，前端壳体(4)通过内六角螺钉与前端盖(50)相联结，前端盖(50)上装有骨架油封(51)，从而构成斜轴式的液压变压器封闭容腔，旋转主轴(6)安装在前端壳体(4)内，在后端壳体(5)内安装中心轴(15)，旋转主轴(6)一端与安装在前端盖(50)上的输出端(54)相连接，由第一圆锥滚子轴承(9)和第二圆锥滚子轴承(10)支撑，中心轴(15)的轴线与旋转主轴(6)的轴线相交，空间成25°，并用心轴保持架(60)固定，配流盘(7)装在斜轴式柱塞泵的缸体(1)和后端盖(11)之间；中心轴(15)一端铰接在旋转主轴(6)的另一端上，中心轴(15)的另一端安装在配流盘(7)前端面中心细长孔(16)处，缸体(1)上装有柱塞(2)，柱塞(2)与连杆(3)一端通过球铰联结，连杆(3)另一端与旋转主轴(6)通过球铰联结，配流盘(7)通过其上的齿轮与位控齿轮即小齿轮(8)相啮合，小齿轮(8)通过联接键与后端盖(11)上的位控轴(13)连接，后端盖(11)的高压油口(43)通过第一三通与安全阀总成(61)的高压口(71)相连，后端盖(11)的低压油路接口(46)通过第二三通接到安全阀总成(61)的油箱口(72)。
2.根据权利要求1所述的一种带安全装置的液压变压器，其特征在于：所述的配流盘(7)前端面的同一个圆面上沿圆周顺时针方向依次开有形状相同的高压腰形槽口(19)、负载腰形槽口(20)、油箱腰形槽口(21)，能够分别与缸体的至少1个柱塞窗口(18)相连通，配流盘(7)周向方向上开有齿轮(28)，与装在位控轴(13)上的小齿轮(8)相啮合，控制配流盘的旋转角度。
3.根据权利要求1所述的一种带安全装置的液压变压器，其特征在于：所述的配流盘(7)上的高压腰形槽口(19)，通过高压腔(22)接到配流盘后端面中心的高压圆形槽口(25)，配流盘(7)分别在前端面和后端面上开有与高压腔(22)连通的第一细长孔(29)和第二细长孔(29’)；配流盘(7)上的负载腰形槽口(20)通过负载腔(23)接到配流盘后端面的负载槽口(26)，配流盘(7)分别在前端面和后端面上开有与负载腔(23)连通的第三细长孔(31)和第四细长孔(31’)；配流盘(7)上的油箱腰形槽口(21)通过油箱腔(24)引到配流盘后端面的油箱槽口(27)，配流盘(7)分别在前端面和后端面上开有与油箱腔(24)连通的第五细长孔(33)和第六细长孔(33’)；配流盘(7)后端面上有一环形槽(35)，环形槽(35)内有四个通孔(36)；配流盘(7)后端面的卸油槽(55)为一环形槽，与油箱槽口(27)相连通。
4.根据权利要求1所述的一种带安全装置的液压变压器，其特征在于：所述的配流盘前端面高压腰形槽口(19)被接到配流盘后端面的中心位置，配流盘前端面的负载腰形槽口(20)直通后端面，配流盘前端面的油箱腰形槽口(21)通过油箱腔(24)斜向接到后端面油箱槽口(27)，油箱槽口(27)的半径位置大于负载槽口(26)的半径位置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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