CN101871477A - 中压控制二位变量轴向柱塞液压马达 - Google Patents

Abstract

中压控制二位变量轴向柱塞液压马达，属于液压技术领域。包括：梭阀、减压阀、二位四通阀、变量液压缸、阻尼器、变量轴向柱塞液压马达、冲洗梭阀，冲洗溢流阀。系统高压油经过梭阀，减压阀后降至中等压力以驱动变量液压缸的伺服活塞运动。采用中等压力控制可以同时集合运用系统高压及系统低压来控制马达变量液压缸的优点，使得快速和慢速调节在同一个变量马达的概念设计中轻松实现，并可选取较大的阻尼器孔径，实现适宜的变量速度，具有更广泛的调速范围和良好的操控性能，并降低变量液压缸对污染的敏感度。同时马达排量的初始位置可根据客户的需求任意设置在最大排量或者最小排量位置。采用中等活塞尺寸的液压缸，可优化设计整个变量马达的外形尺寸。

Description

中压控制二位变量轴向柱塞液压马达

技术领域

本发明涉及一种二位变量轴向柱塞液压马达，特别是一种采用中压控制变量液压缸的二位变量轴向柱塞液压马达，属于液压传动技术领域。

背景技术

液压泵和液压马达组成了液压系统中的能量转换装置，前者将原动机的机械能转换成液体的液压能；后者将液压能转换成机械能输出，执行所要求的动作。液压马达是实现连续旋转运动的液压执行元件。

从功能上分，液压泵有可变排量与不可变排量之分。可变排量的液压泵可以根据需求在同样转速情况下输出不同的流量，此种泵称为变量泵。与变量泵同理，通过变量机构改变排量的液压马达，称为变量马达。变量马达的优势在于可以实现系统的二次调节；或在某些特定应用场合，发挥泵的高压性能；或当一个液压泵源带动几个执行元件时，变量马达可以自由地对输出转速和输出扭矩进行控制，从而实现不同的执行要求。

对于不可变排量的马达，即定量马达。调节马达的进口流量即能调节定量马达的转速。如采用节流阀来控制定量马达的进口流量，会伴随较大的压力和流量的损失，因此该种方式很少采用。而采用调节变量泵的排量或转速来调节定量马达的转速，定量马达的调速只能根据变量泵的排量和转速的变化范围调节，调速范围有限。如采用变量马达，在马达进口流量不变的情况下，调节马达的排量可迅速实现变量马达转速的调节，或既改变变量马达的进口流量又改变变量马达的排量，都可实现对变量马达转速的调节，变量马达的采用可以增大马达的调速范围。这种调节称为二次调节，即可实现在线的调速功能。变量马达使这种二次调节方便，快速，有效。

当需要马达在低速时输出大转矩，或者在高速时输出小转矩时，非常适合变量马达的应用。因为如果采用变量泵和定量马达组成液压调速系统，在高速小转矩时，泵将运行在低压大排量工况；在低速大转矩时，泵将运行在高压小排量工况。因此，泵以及整个液压系统需要根据高压，大排量来设计。如果采用变量马达，可以让马达在小排量工况下运行从而满足高速小转矩的要求，同理，变量马达在大排量工况运行时，可以实现低速大扭矩的工况。这样，泵基本都处于高压运行，充分发挥泵的高压性能。

液压马达可分为高速液压马达，低速液压马达和摆动液压马达。高速液压马达可分为高速定量液压马达和高速变量液压马达。其中，高速变量液压马达根据结构形式不同可分为，变量叶片马达、变量径向柱塞马达和变量轴向柱塞马达，与前两种类型的马达相比，变量轴向柱塞马达的压力范围更高，排量范围大，转速更高，最大功率质量比高，容积效率高，更容易实现变量设计。所以，变量轴向柱塞马达在现代的变量马达中有很大的比例。根据排量的变化方式，变量柱塞液压马达的变量方式可分为无级变量和二位变量二种。无级变量柱塞液压马达，常采用电液控制的方法，由速度传感器或压力传感器将变化的转速或压力以电量反馈给电液比例阀或伺服阀控制马达变量伺服活塞的移动，这种控制容易进行调解过程的动态校正，但由于需要采用速度、压力传感器及电液比例阀等元件，致使无级变量柱塞液压马达价格昂贵。

二位变量轴向柱塞液压马达因其可变特性以及高性价比在农业机械，草坪机械上有广泛的应用。目前市场上的二位变量轴向柱塞液压马达的变量液压缸可由系统高压来驱动。采用这种方式，可以获得小的变量液压缸的伺服活塞尺寸以及较小的整体变量马达的尺寸。但是，采用系统高压来控制变量液压缸，致使变量液压缸的反应速度过快，从而使得二位变量轴向柱塞液压马达的操控性能不平稳，有时变量控制系统中采用阻尼器来获得一定的控制速度，但是该阻尼器的孔径尺寸很小，通常为0.2mm～0.5mm，这对系统的清洁度要求比较高，使控制系统过于敏感。另外一种现行方式是采用系统低压来驱动二位变量轴向柱塞液压马达的变量液压缸，采用这种方式可以获得稳定的操控性能，但其变量液压缸的活塞尺寸较大，影响马达整体尺寸限制其使用场合，并且因为其控制压力低，难以实现快速响应。

发明内容

为了克服已有技术的不足，优化二位变量轴向柱塞液压马达的操控性能，扩大其调速范围及降低其对系统清洁度的依赖性。本发明提供了一种采用中等压力来控制二位变量轴向柱塞液压马达的变量液压缸的设计。此中等压力可由减压阀来实现。采用中等压力来控制变量液压缸，即可采用中等伺服活塞尺寸的变量液压缸，并可选取较大的阻尼器孔径尺寸，从而实现广泛的调速范围和良好的操控性能。本发明是通过下述技术方案来实现的：本发明包括：梭阀、减压阀、二位四通阀、变量液压缸、阻尼器、变量轴向柱塞液压马达、冲洗梭阀，冲洗溢流阀。变量轴向柱塞液压马达的进口与变量液压泵出口连接，变量轴向柱塞液压马达的出口与变量液压泵进口连接，梭阀的两个进口分别与变量轴向柱塞液压马达的进出口相连，梭阀的出口和减压阀的进口相连，减压阀的出口通过二位四通阀与变量液压缸左腔或者右腔相连，变量液压缸右腔或左腔通过二位四通阀与马达壳体相连，马达壳体与油箱相通，变量液压缸的伺服活塞与变量轴向柱塞液压马达的变量机构相连以实现变量调节。冲洗梭阀的两个进口分别与变量轴向柱塞液压马达的进出口相连，冲洗梭阀的出口与冲洗溢流阀的进口相连，冲洗溢流阀的出口连至马达壳体。阻尼器是中心开有小孔的金属圆柱体，通过螺纹固接在变量液压缸与二位四通阀的连接管路中。减压阀采用定值溢流型减压阀，其工作原理为通过压力或压差与输入量，通常是弹簧力的反馈比较作用，自动调节阀口节流面积大小，使输出的压力基本保持恒定，从而获取稳定的中等压力，其溢流功能在于当减压阀出口端压力高于弹簧设定值的时候，能够通过溢流的方式将出口端压力调节到弹簧设定值，确保出口端压力的恒定。减压阀是常开的，当出口端压力未达到阀的调节压力时，阀芯常开，仅当负载腔压力达到调定压力时，阀芯运动使阀口关小，实现减压控制。

本发明中控制变量液压缸的中压油由减压阀提供，系统高压油依次经过梭阀和减压阀后可降至几十至上百帕中等压力，当二位四通阀的控制端未得到输入控制信号时，二位四通阀工作在初始位置，此中等压力油液和马达壳体内的油分别作用在变量液压缸的左右腔，变量液压缸左右腔的压力不同使变量液压缸伺服活塞发生水平移动，通过变量机构带动变量马达的排量变化，使二位变量轴向柱塞液压马达处于最大或最小排量位置。当对二位四通阀输入控制信号时，与变量液压缸的左右腔相连的油液发生换向，从而使二位变量轴向柱塞液压马达的排量变化至最小或最大位置。该马达还配有冲洗梭阀和冲洗溢流阀以实现清洁系统油路和降低油温的作用。

本发明的有益效果：为实现稳定的操控性能，采用本发明的中等压力控制方式，阻尼器的孔径尺寸可比采用高压控制方式的大，大大降低变量液压缸对污染的敏感度，而且变量液压缸的尺寸较小，可优化设计整个变量马达的外形尺寸。中等压力控制方式使得快速和慢速调节在同一个变量马达的概念设计中轻松实现，变量调速的范围更广更灵活。

附图说明

图1是初始位置在最大排量时的本发明液压马达原理示意图。

图2是初始位置在最小排量时的本发明液压马达原理示意图。

图中：1.梭阀，2.减压阀，3.二位四通阀，3a.二位四通阀左位，3b.二位四通阀右位，3c.二位四通阀控制端，4.变量液压缸，4a.变量液压缸左腔，4b.变量液压缸右腔，5.阻尼器，6.变量轴向柱塞液压马达，7.冲洗梭阀，7a.冲洗梭阀上位，7b.冲洗梭阀中位，7c.冲洗梭阀下位，8.冲洗溢流阀，9.马达壳体，10.变量液压泵，11.伺服活塞，12.变量机构，A为系统主油路高压端，B为系统主油路低压端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1，图2所示，本发明包括：梭阀1，减压阀2，二位四通阀3，变量液压缸4，阻尼器5，变量轴向柱塞液压马达6，冲洗梭阀7，冲洗溢流阀8。

当中压控制二位变量轴向柱塞液压马达排量的初始位置设在最大排量时，(如图1所示)。变量轴向柱塞液压马达6的进口与变量液压泵10的出口相连，变量轴向柱塞液压马达6的出口与变量液压泵10的进口相连。梭阀1的两个进口分别与变量轴向柱塞液压马达6的进出口相连。梭阀1的出口和减压阀2的进口相连，减压阀2的出口通过二位四通阀3的P口和A口与变量液压缸右腔4b相连，变量液压缸左腔4a通过二位四通阀3的B口和T口与马达壳体9相连。马达壳体9与油箱相通。变量液压缸4的伺服活塞11与变量轴向柱塞液压马达的变量机构12相连，伺服活塞11的往复运动驱动变量机构12的运动，实现变量轴向柱塞液压马达6的排量变化。冲洗梭阀7的两个进口分别与变量轴向柱塞液压马达6的进出口相连。冲洗梭阀7的出口与冲洗溢流阀8的进口相连。冲洗溢流阀8的出口连至马达壳体9。阻尼器5是中心开有小孔的金属圆柱体，通过螺纹固接在变量液压缸右腔4b与二位四通阀3的A口连接管路中。减压阀2采用定值溢流型，当其处于稳态时，弹簧力和出口负载压力相平衡，其输出压力稳定在设定值。如果，减压阀2的出口负载压力超过其输出压力设定值时，减压阀2的阀芯移动使阀芯开口变小，调节输出压力值达到其设定压力，即稳定的中等压力。

系统的高压A油路与低压B油路的油液通入梭阀1的两个进口，在高压油的作用下，低压油路被堵住，高压油路的油通过减压阀2的作用，降至几十至上百帕中等压力，当二位四通阀控制端3c未得到输入控制信号时，二位四通阀右位3b为初始工作位置，此中等压力油液通过二位四通阀右位3b的P口和A口进入变量液压缸右腔4b，变量液压缸左腔4a通过二位四通阀3的B口和T口与马达壳体9相连回油，因为变量液压缸4两腔的压力不同，在中压油液的作用下，伺服活塞11向左移动，通过变量机构12的运动使二位变量轴向柱塞液压马达处于最大排量位置。当二位变量轴向柱塞液压马达需要加速时，从二位四通阀控制端3C输入控制信号，阀芯运动，使二位四通阀左位3a成为工作位置。则中等压力油由二位四通阀3的P口和B口进入变量液压缸左腔4a，变量液压缸右腔4b内的油通过二位四通阀3的A口与T口流入马达壳体9内。伺服活塞11在左右压力的作用下发生右移，通过变量机构12的运动使得二位变量轴向柱塞液压马达排量变至最小位置，达到马达加速的目的。在某些情形下，如果二位四通阀控制端3c意外失去控制信号，二位四通阀阀芯回至初始位置，二位变量轴向柱塞液压马达排量将自动回到最大排量位置。

当中压控制二位变量轴向柱塞液压马达排量的初始位置设在最小排量时，(如图2所示)。变量轴向柱塞液压马达6的进口与变量液压泵10的出口相连，变量轴向柱塞液压马达6的出口与变量液压泵10的进口相连。梭阀1的两个进口分别与变量轴向柱塞液压马达6的进出口相连。梭阀1的出口和减压阀2的进口相连，减压阀2的出口通过二位四通阀3的P口和A口与变量液压缸左腔4a相连，变量液压缸右腔4b通过二位四通阀3的B口和T口与马达壳体9相连。马达壳体9与油箱相通。变量液压缸4的伺服活塞11与变量轴向柱塞液压马达的变量机构12相连，伺服活塞11的往复运动驱动变量机构12的运动，实现变量轴向柱塞液压马达6的排量变化。冲洗梭阀7的两个进口分别与变量轴向柱塞液压马达6的进出口相连。冲洗梭阀7的出口与冲洗溢流阀8的进口相连。冲洗溢流阀8的出口连至马达壳体9。阻尼器5是中心开有小孔的金属圆柱体，通过螺纹固接在变量液压缸左腔4a与二位四通阀3的A口连接管路中，减压阀2采用定值溢流型，当其处于稳态时，弹簧力和出口负载压力相平衡，其输出压力稳定在设定值。如果，减压阀2的出口负载压力超过其输出压力设定值时，减压阀2的阀芯移动使阀芯开口变小，调节输出压力值达到其设定压力。

系统的高压A油路与低压B油路的油液通入梭阀1的两个进口，在高压油的作用下，低压油路被堵住，高压油路的油通过减压阀2的作用，降至几十至上百帕中等压力，当二位四通阀控制端3C未得到输入控制信号时，二位四通阀右位3b为初始工作位置，此中等压力油液通过二位四通阀右位3b的P口和A口进入变量液压缸左腔4a，变量液压缸右腔4b通过二位四通阀3的B口和T口与马达壳体9相连回油，因为变量液压缸4两腔的压力不同，在中压油液的作用下，伺服活塞11向右移动，通过变量机构12的运动使二位变量轴向柱塞液压马达处于最小排量位置。当二位变量轴向柱塞液压马达需要减速时，从二位四通阀控制端3C输入控制信号，阀芯运动，使二位四通阀左位3a成为工作位置。则中等压力油由二位四通阀3的P口和B口进入变量液压缸右腔4b，变量液压缸左腔4a内的油通过二位四通阀3的A口与T口流入马达壳体9内。伺服活塞11在左右压力的作用下发生左移，通过变量机构12的运动使得二位变量轴向柱塞液压马达排量变至最大位置，达到马达减速的目的。在某些情形下，如果二位四通阀控制端3c意外失去控制信号，二位四通阀阀芯回至初始位置，二位变量轴向柱塞液压马达排量将自动回到最小排量位置。

减压阀采用定值溢流型减压阀，其工作原理为通过压力或压差与输入量，通常是弹簧力的反馈比较作用，自动调节阀口节流面积大小，使输出的压力基本保持恒定，从而获取稳定的中等压力，其溢流功能在于当减压阀出口端压力高于弹簧设定值的时候，能够通过溢流的方式将出口端压力调节到弹簧设定值，确保出口端压力的恒定。减压阀是常开的，当出口端压力未达到阀的调节压力时，阀芯常开，仅当负载腔压力达到调定压力时，阀芯运动使阀口关小，实现减压控制。对于变量轴向柱塞液压马达6的最大排量为55cc时，在最大系统负载压力达450bar的情况下，根据计算，减压阀出口压力设定值为60bar左右。减压阀出口压力设定值与变量轴向柱塞液压马达6的最大排量和转速，伺服活塞11的工作面积，变量机构12的设计，最大系统负载压力以及系统工况有关。

阻尼器5用于调节进入变量液压缸4的流量，以实现变量机构的反应速度调节。阻尼器5孔径尺寸的确定与阻尼孔的流量系数，阻尼孔前后的压差，油液的密度和流经阻尼孔的流量有关，如式(1)所示。

$q=C_{d}A\left(x\right)\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\Δp}}---\left(1\right)$

其中：

q--流经阻尼孔的流量

C_d--阻尼孔的流量系数

A(x)--阀口开度，即阻尼器5孔径的面积

ρ--油液的密度

--阻尼孔前后的压差

而流经阻尼孔的流量与变量液压缸4的结构形式，伺服活塞11的尺寸和行程，变量机构12的设计以及变量调节速度有关。当变量轴向柱塞液压马达6的最大排量为55cc时，在最大系统负载压力达450bar的情况下，根据计算，采用直径为2.5mm的阻尼孔可以在0.2秒内实现二位变量轴向柱塞液压马达在最大排量和最小排量之间的切换，直径为1mm的阻尼孔可在1秒钟内实现在最大排量和最小排量之间的切换，直径0.8mm的阻尼孔可在2秒钟内实现在最大排量和最小排量之间的切换。在同等排量和系统负载压力情况下，如采用高压控制方法，若要达到2秒的变量调节速度，必须采用直径为0.2mm的阻尼孔，这对于整体液压系统的清洁度提出了很高的要求，液压系统中的一些不可避免的污染物极有可能堵塞阻尼孔。

本发明中阻尼器5孔径尺寸的确定公式(1)适合于不同系统负载压力，不同排量的中压控制二位变量轴向柱塞液压马达达到不同变量调节速度的要求。

二位四通阀3采用二位四通电磁阀或二位四通液控阀。二位四通电磁阀的控制端3c输入的是电压或电流信号使得阀芯运动从而改变油液方向，二位四通液控阀采用内部或外部油源使阀芯运动从而改变油液方向。

系统的高压A油路与低压B油路的油液通入冲洗梭阀7的两端，冲洗梭阀阀芯在高低压作用下被推动，冲洗梭阀上位7a为工作位置，此时，系统的高压A油路被堵住，系统低压油路将连通至冲洗溢流阀8的入口，根据冲洗溢流阀8的设定值溢流。则液压系统中的温度较高的油液和一些杂质将被溢流出液压系统，实现清洁系统油路和降低油温的作用。

Claims (4)

1.一种中压控制二位变量轴向柱塞液压马达，包括：梭阀(1)、二位四通阀(3)、变量液压缸(4)、阻尼器(5)、变量轴向柱塞液压马达(6)、冲洗梭阀(7)、冲洗溢流阀(8)，其特征在于还包括减压阀(2)，变量轴向柱塞液压马达(6)的进口与变量液压泵(10)出口连接，变量轴向柱塞液压马达(6)的出口与变量液压泵(10)进口连接，梭阀(1)的两个进口分别与变量轴向柱塞液压马达(6)的进出口相连，梭阀(1)的出口和减压阀(2)的进口相连，减压阀(2)的出口通过二位四通阀(3)与变量液压缸左腔(4a)或者右腔(4b)相连，变量液压缸右腔(4b)或左腔(4a)通过二位四通阀(3)与马达壳体(9)相连，马达壳体(9)与油箱相通，变量液压缸(4)的伺服活塞(11)与变量轴向柱塞液压马达(6)的变量机构(12)相连，冲洗梭阀(7)的两个进口分别与变量轴向柱塞液压马达(6)的进出口相连，冲洗梭阀(7)的出口与冲洗溢流阀(8)的进口相连，冲洗溢流阀(8)的出口连至马达壳体(9)，阻尼器(5)是中心开有小孔的金属圆柱体，通过螺纹固接在变量液压缸(4)与二位四通阀(3)的连接管路中。

2.根据权利要求1所述的中压控制二位变量轴向柱塞液压马达，其特征是所述的减压阀(2)是采用定值溢流型减压阀。

3.根据权利要求1所述的中压控制二位变量轴向柱塞液压马达，其特征是所述的二位四通阀(3)是采用二位四通电控阀或二位四通液控阀。

4.根据权利要求1所述的中压控制二位变量轴向柱塞液压马达，其特征是所述的阻尼器(5)孔径尺寸是由(1)式确定。

其中：

q--流经阻尼孔的流量

G_d--阻尼孔的流量系数

A(x)--阀口开度，即阻尼器5孔径的面积

ρ--油液的密度

  --阻尼孔前后的压差。

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