CN101806314B - 一种液压螺旋半桥先导级结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压螺旋半桥先导级结构，包括螺旋先导控制棒、液压放大活塞及液压放大活塞筒三部分，该结构通过旋转电机驱动螺旋先导控制棒在液压放大活塞的活塞杆的中心作旋转运动，通过改变液压阻尼半桥的平衡改变活塞两侧的压差从而推动液压放大活塞运动，达到液压放大的作用，可应用于先导型伺服阀的设计中。本发明的先导结构与传统的喷嘴挡板或射流先导结构相比，先导放大系数大，便于制作大流量的比例、伺服阀，螺旋先导控制棒转动惯量小，受负载力矩极小，便于控制和提高动态性能，并且结构简单，便于加工，降低了对油液清洁度的要求，提高了先导级的工作可靠性。

Description

一种液压螺旋半桥先导级结构

技术领域

本发明属于液压伺服控制技术领域，涉及一种新型的液压螺旋半桥先导级结构。

背景技术

在液压伺服控制技术领域，伺服阀是液压和气动流体伺服控制技术的关键部件，由于液动力的存在，使大流量的液压伺服阀阀芯推动需要很大的作动力，目前的电机械转换器在合理的体积、功率前提下很难直接推动，所以大流量的伺服阀普遍采用液压两级或三级控制。传统的喷嘴挡板或射流管阀采用喷嘴挡板和射流管二级液压放大，解决了大流量伺服阀设计的问题，但其缺点是加工困难，对油液要求高，可靠性低。

发明内容

本发明为了解决现有伺服阀工作当中存在的问题，提出了一种新型的液压螺旋半桥先导级结构，对于研制新型的液压螺旋半桥先导伺服阀有着很高的实用意义。

本发明的液压螺旋半桥先导级结构包括螺旋先导控制棒、液压放大活塞与液压放大活塞筒三个部分，其中的螺旋先导控制棒为圆柱形结构，外表面加工有螺旋槽和一道与螺旋槽相交的周向环槽；液压放大活塞为非对称双作用活塞，液压放大活塞的活塞杆中心沿轴向有一个中心孔，液压放大活塞上的活塞一侧作用面的面积是另一侧作用面的面积的二倍。在面积作用面较小一侧和作用面面积较大一侧的液压放大活塞上各有一个径向通油孔连通中心孔和活塞腔，在作用面面积较大一侧的液压放大活塞上还有一个径向通油孔连通中心孔和回油，但该径向通油孔不连通活塞腔。液压放大活塞筒在活塞作用面面积较小一侧有一径向通油孔连通供油。

所述的液压螺旋半桥先导级结构利用螺旋先导控制棒的螺旋槽与液压放大活塞上的径向通流孔形成弓形可变节流面积，即可变液压阻尼，形成液压半桥结构，通过先导控制棒的旋转或直线运动调节可变液压阻尼，使活塞左右两腔形成压差推动液压放大活塞直线运动，液压活塞直线运动对液压阻尼半桥起负反馈作用，液压阻尼半桥达到新的平衡停止运动，实现了螺旋先导控制棒的转角与液压放大活塞直线位移之间的一一对应关系，实现了液压放大功能。该结构可以利用现在已经十分成熟的旋转电机或直线电机控制技术实现先导级的控制。螺旋先导控制棒负载力矩或力极小，对电机的力矩或推力要求很低，可以选用转动惯量很小的旋转电机或惯性很小的直线电机，使先导级具有很高的动态特性。

本发明的优点及积极效果在于：

1.与螺旋全桥先导级结构相比结构更简单，加工难度较低，控制方式灵活。

2.螺旋先导控制棒可以采用旋转或直线驱动，利用成熟的旋转电机或直线电机技术，降低成本。螺旋先导控制棒负载力矩或负载力极小，驱动电机可以选用转动惯量很小的旋转电机或惯性很小的直线电机，使驱动级的动态特性达到很高。

3.可变节流孔的阻尼变化范围大，使液压阻尼半桥放大系数大，如果将圆形通流孔改成与螺旋槽平行的方孔，阻尼全桥变化梯度可以更大且更加线性。

4.螺旋槽和通流孔采用对称加工，具有天然的余度，同时在弓形可变节流孔堵塞的情况下具有自清洁功能，当油液中的微小杂质颗粒堵塞一端可变节流孔的时候，造成该节流孔的通油面积减小，液阻增大，使液压阻尼半桥失去平衡，液压放大活塞在左右两腔的压差推动下向增大阻尼孔面积方向运动，从而迫使油液中的杂质通过节流孔，从而避免被堵塞，从而降低了对油液清洁度的要求，大大提高了可靠性。

附图说明

图1是本发明液压螺旋半桥先导级结构剖视图；

图2是本发明螺旋先导控制棒结构示意图；

图3是本发明液压放大活塞剖面图；

图3a是本发明液压放大活塞结构示意图；

图3b是本发明液压放大活塞的活塞两侧面积的示意图；

图4是本发明液压放大活塞筒结构示意图；

图5是本发明液压螺旋半桥先导级的结构原理图；

图6是本发明液压螺旋半桥先导级的液压原理图；

图中：1-螺旋先导控制棒；2-液压放大活塞；3-液压放大活塞筒；101-螺旋槽；102-环槽；103-轴孔；201-中心孔；202-第二径向通油孔；203-第三径向通油孔；204-第一径向通油孔；205-活塞；206-活塞面积大侧作用面；207-活塞面积小测作用面；301-第四径向通油孔；302-活塞腔；4-第一容腔；5-第二容腔。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的螺旋先导级结构做进一步详细说明。

本发明提供了一种液压螺旋半桥先导级结构，如图1所示，该结构包括螺旋先导控制棒1、液压放大活塞2、液压放大活塞筒3，所述的液压放大活塞筒3套在液压放大活塞2的外部，螺旋先导控制棒1在液压放大活塞2的中心孔往复旋转运动，改变活塞两侧压差，推动活塞杆直线运动，实现液压放大。

如图2所示的是螺旋先导控制棒1的结构示意图，所述的螺旋先导控制棒1为圆柱形结构，螺旋先导控制棒1的第一端截面上开有轴孔103，用于与旋转电机或直线电机连接，起到带动螺旋先导控制棒1旋转运动的作用。螺旋先导控制棒1的第二端外表面加工有沿轴向的螺旋槽101和周向环槽102，螺旋槽101采用成对对称加工，用来平衡螺旋先导控制棒1的径向力，螺旋槽101和环槽102相交，如图1所示，环槽102的宽度大于第三径向通油孔203的直径，螺旋先导控制棒1和液压放大活塞2装配后，环槽102与第三径向通油孔203相通，且液压放大活塞2运动过程中，环槽102始终和第三径向通油孔203相通。

如图3所示是液压放大活塞2的结构示意图，所述的液压放大活塞2采用双出杆活塞结构，主体为一个圆柱形结构的活塞杆，该活塞杆中心加工中心孔201，中心孔201的内径与螺旋先导控制棒1的第二端直径相同，螺旋先导控制棒1的第二端在中心孔201内作旋转或直线运动。液压放大活塞2上带有活塞205，活塞205两侧作用面的面积不相等，如图3b所示，活塞面积大侧作用面206的面积是活塞面积小侧作用面207面积的2倍，液压放大活塞2上在活塞205的作用面面积较小一侧的活塞杆上加工有第一径向通油孔204，在活塞205的作用面面积大的一侧的活塞杆上加工有第二径向通油孔202和第三径向通油孔203，如图3a所示。第二径向通油孔202和第一径向通油孔204在活塞杆的周向任意角度设置，通常为了便于加工，这个角度可以取0度，即第二径向通油孔202和第一径向通油孔204在同一个轴线上，在活塞杆轴向上分别位于活塞205的两侧。在与螺旋先导控制棒1装配后，如图1，要保证第二径向通油孔202和第一径向通油孔204分别在螺旋先导控制棒1的一对螺旋槽101两侧，与一对螺旋槽101各有一定的相交，构成可变节流孔。第三径向通油孔203的位置应保证在与螺旋先导控制棒1装配后，与螺旋先导控制棒1的周向环槽102连通，第三径向通油孔203处于第二径向通油孔202和第一径向通油孔204之间。第二径向通油孔202不连通活塞腔302，需要通过油路连通回油。

如图4所示，在活塞205的面积较小一侧的液压放大活塞筒3上，加工有第四径向通油孔301，第四径向通油孔301连通活塞筒3外侧和活塞腔302，装配时，将液压放大活塞筒3套在液压放大活塞2外表面，第四径向通油孔301在活塞205面积小的一侧，与第一径向通油孔204连通。

下面介绍本发明的螺旋半桥先导级结构的工作原理。

图5是本发明螺旋半桥先导级结构的工作原理图，令第四径向通油孔301连通活塞筒3外侧供油压力为PS，活塞筒3与液压放大活塞2在活塞205的作用面面积较小一侧形成第二容腔5，第二容腔5与第四径向通油孔301连通，压力也是PS，第二容腔5通过第一径向通油孔204与中心孔201连通，在螺旋先导控制棒1装配到中心孔201之后，螺旋槽101与通油孔204相交一个可变节流孔，并形成弓形面积S₁，活塞筒3与液压放大活塞2在活塞205的作用面面积较大一侧形成第一容腔4，第一容腔4通过第三径向通油孔203与螺旋先导控制棒1上的环槽102连通，第一容腔4中的压力PA等于螺旋槽101中的压力，第二径向通油孔202连通回油压力PT，螺旋槽101和第二径向通油孔202相交一个可变节流孔，并形成弓形面积S₂。两个可变节流孔构成液压阻尼半桥结构，通过螺旋先导控制棒1的旋转或直线运动改变两个可变节流孔的弓形面积S₁与S₂，调节可变液压阻尼。

相交形成的弓形面积S₁与S₂相等时，液压阻尼半桥处于平衡位置，螺旋槽101中的压力PA＝(PS-PT)/2，由于液压放大活塞2和液压放大活塞筒3组成的第一容腔4的活塞作用面积等于2倍第二容腔5的活塞作用面积，根据液压推力公式(推力等于压力乘以面积)，作用在活塞205上的合力为零，液压放大活塞2处于平衡。以旋转电机驱动螺旋先导控制棒1转动输出为例，如图5，驱动螺旋先导控制棒1按照从螺旋先导控制棒1左端看去的顺时针方向转过一个角度，螺旋先导控制棒1上的螺旋槽101将和液压放大活塞2上的第二径向通油孔202相交面积S₂增大，与第一径向通油孔204的相交面积S₁减小，将造成螺旋槽101和环槽102中的压力下降，即作用在活塞205的面积大侧作用面206上的压力PA要小于(PS-PT)/2，则液压放大活塞2将受到向左方向的推力从而向左运动，液压放大活塞2向左运动将带着第一径向通油孔204和第二径向通油孔202向左运动，第一径向通油孔204和第二径向通油孔202向左运动将使螺旋槽101和第一径向通油孔204相交的面积S₁增大，螺旋槽101和第二径向通油孔202相交的面积S₂减小，当向左运动到某一位置S₁和S₂的面积相同时，环槽102中的压力将再次等于(PS-PT)/2，即作用在活塞205的面积大侧作用面206上的压力PA等于(PS-PT)/2，液压放大活塞2受力平衡，停在新的平衡位置。

如果要控制液压放大活塞2向右运动，则需要驱动螺旋先导控制棒1按照从螺旋先导控制棒1左端看去的逆时针方向转过一个角度，螺旋先导控制棒1上的螺旋槽101将和液压放大活塞2上的第二径向通油孔202相交面积S₂减小，与第一径向通油孔204的相交面积S₁增大，将造成螺旋槽101和环槽102中的压力上升，即作用在活塞205面积大侧作用面206上的压力PA要大于(PS-PT)/2，则液压放大活塞2将受到向右方向的推力从而向右运动，液压放大活塞2向右运动将带动第一径向通油孔204和第二径向通油孔202向右运动，第一径向通油孔204和第二径向通油孔202向右运动将使螺旋槽101和第一径向通油孔204相交的面积S₁减小，螺旋槽101和第二径向通油孔202相交的面积S₂增大，当向右运动到某一位置S₁和S₂面积相同时，环槽102中的压力将再次等于(PS-PT)/2，即作用在活塞205面积大侧作用面206上的压力PA等于(PS-PT)/2，液压放大活塞2受力平衡，停在新的平衡位置。此过程实现了螺旋先导控制棒1一定角度对应一定直线位移的目的，通过液压推动液压放大活塞2运动，实现了液压放大的目的。

上述螺旋先导控制棒1的转角和液压放大活塞2平动的对应关系由螺旋槽101的螺距决定，比如螺旋槽101的螺距是72mm一周，则螺旋先导控制棒1转5°对应液压放大活塞2运动1mm。旋转电机控制螺旋先导控制棒1来回旋转摆动，控制液压放大活塞2来回平动。

图5中所示是一种可行的螺旋槽101螺旋方向和第二径向通流孔202、第一径向通流孔204位置分布，螺旋槽101从螺旋先导控制棒1的左端看是顺时针旋向，第二径向通油孔202位于螺旋槽101的下方形成可变节流孔，第一径向通油孔204位于螺旋槽101上方形成可变节流孔。如果螺旋槽101选用另一种螺旋方向，即从螺旋先导控制棒1的左端看是逆时针旋向，则同时需要调换第二径向通流孔202、第一径向通流孔204与螺旋槽101的相对关系，即第二径向通油孔位于螺旋槽101的上方形成可变节流孔，第一径向通油孔位于螺旋槽101下方形成可变节流孔。

图5中所示的第二径向通油孔202、第一径向通流孔204截面形状为圆形。

图6所示是本发明螺旋半桥先导级结构的液压原理图，PS为系统供油压力，As为活塞面积大侧206的作用面积，则活塞面积小侧207的作用面积为As/2，PA为螺旋槽101中的压力，PT为回油压力。螺旋先导控制棒1的角度输入改变液压阻尼半桥的平衡，造成螺旋槽101中的压力PA高于或低于系统供油压力PS的一半，则根据液压推力公式，PA×As≠PS×As/2，在活塞205两侧产生推力差推动液压放大活塞2运动，液压放大活塞2的运动对液压阻尼半桥形成负反馈作用，促使液压阻尼半桥重新平衡，液压放大活塞2两侧的推力重新平衡，停在新的平衡位置。实现通过螺旋先导控制棒1的角度输入经过液压放大推动液压放大活塞2运动的液压放大功能。

Claims (5)

1.一种液压螺旋半桥先导级结构，其特征在于，包括螺旋先导控制棒、液压放大活塞与液压放大活塞筒三个部分，所述的液压放大活塞筒套在液压放大活塞外部，所述的螺旋先导控制棒在液压放大活塞的活塞杆的中心孔做往复旋转或直线运动，旋转或直线运动通过改变可变节流孔的面积，在液压放大活塞的活塞两侧形成压差推动液压放大活塞做直线运动，形成角度到位移转换，实现液压的放大作用；

所述的螺旋先导控制棒采用圆柱形结构，螺旋先导控制棒的第一端开有轴孔用于与电机连接，螺旋先导控制棒的第二端外表面加工有沿轴向的螺旋槽和一道沿周向的环槽，螺旋槽采用成对对称加工，用来平衡螺旋先导控制棒的径向力，螺旋槽和环槽相交；

所述的液压放大活塞采用双出杆活塞结构，主体为一个圆柱形结构的活塞杆，该活塞杆一端的中心加工有中心孔，中心孔的内径与螺旋先导控制棒的第二端直径相同，液压放大活塞上带有活塞，活塞两侧的作用面面积不相等，一侧作用面的面积是另一侧作用面面积的两倍，液压放大活塞在活塞作用面面积小侧的活塞杆上加工有连通中心孔的第一径向通油孔，在活塞作用面面积大侧的活塞杆上加工有连通中心孔的第二径向通油孔和第三径向通油孔；所述第一径向通油孔与第二径向通油孔，在液压放大活塞与螺旋先导控制棒装配后，分别在螺旋先导控制棒的螺旋槽两侧，与螺旋槽相交构成可变节流孔；所述第三径向通油孔，位于第一径向通油孔和第二径向通油孔之间，在液压放大活塞与螺旋先导控制棒装配后，与螺旋先导控制棒的周向的环槽始终连通。

2.根据权利要求1所述的液压螺旋半桥先导级结构，其特征在于，所述的电机是旋转电机或直线电机，用于驱动螺旋先导控制棒旋转或做直线运动。

3.根据权利要求1所述的液压螺旋半桥先导级结构，所述的液压放大活塞筒加工有第四径向通油孔连通供油，该第四径向通油孔将活塞筒外侧和活塞腔连通，在液压放大活塞筒与液压放大活塞装配后，第四径向通油孔与第一径向通油孔连通。

4.根据权利要求1所述的液压螺旋半桥先导级结构，其特征在于，所述第一径向通油孔和第三径向通油孔连通活塞腔。

5.根据权利要求1所述的液压螺旋半桥先导级结构，其特征在于，所述第二径向通油孔通过油路连通回油，在液压放大活塞与液压放大活塞筒装配后，不连通活塞腔。

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