CN103334974B - 一种自适应多级卸压控制的压机充液装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压机的供液装置。供液装置是在充液箱和主油缸之间设置的装置，由内阀芯、中阀芯、外阀芯等组成，中阀芯上开有阻尼孔，外阀芯上开有排孔。主油缸回程时，打开内阀芯，主油缸油液经阻尼孔和排孔进入充液箱实现初级卸压；当主油缸压力分别下降至预定压力时，中阀芯和外阀芯自动开启实现次级和三级卸压，同时快速回油。整个过程高速稳定、自适应强。此外，根据压机工作特性，对阀芯和壁面的轮廓面进行多结构立体式导流设计，油液流速快、压力分布好。本发明通过自适应多级卸荷结构和全流道导流设计，高压卸荷过程稳定高效、油液流速快且液动力小，尤其适用于高压大流量的工况。

Description

一种自适应多级卸压控制的压机充液装置

技术领域

本发明是涉及压机液压系统的充液装置，特别是涉及一种自适应多级卸压控制的压机充液装置。

背景技术

主油缸的快速运动是保障大型液压机高效工作的关键，这主要依赖于充液装置，尤其是充液阀。当活动横梁快速下行时，低压充液箱中的油经该装置快速流入主油缸；反之在活动横梁快速回程时，主油缸内的高压油卸压后经该装置快速排入低压充液箱。主油缸的快进、保压、卸压和回程等动作都必须有充液装置参与完成，因此充液装置的结构和流道形状对提高压机空程快速控制和回程高速稳定性有着重要意义，并直接影响到液压机的压制次数和生产效率。

充液装置是安装在压机体和油缸内部的零部件，维修成本高，当前充液装置的设计主要围绕着简化拆卸维修和增强使用寿命等方面展开。例如通过分体式设计提高互换性（如参考专利200710009554.8和专利201220120942.X），在简化充液装置本体同时增强其可靠性；又如优选充液装置的安装位置（如参考专利201220448669.3），从而减小缠绕式液压机高应力区域的孔径，以提升其抗疲劳的能力。现有专利设计有助于减少大流量下的充液阀体破坏并降低成本，但存在以下一些不足，主要表现为：

1）主油缸回程中，高压油卸荷的快速稳定性不足。主油缸在完成压制工作后，需要迅速释放高压并进行回程。当前常利用外接一系列卸荷元件将主缸压力降低至安全值再开启充液阀芯。这种方式增加成本且系统复杂，若电控失误致充液装置在高压下开启将带来严重的破坏。通过先导阀芯进行卸压（如参考专利200520069161.2）可提升效率，但只能实现单级卸压且卸压过程稳定性不足，尤其在高压工况下易形成强冲击，影响系统工作的可靠性。

2）阀体流道优化少，充液速度有待提高。供液速度的快慢是衡量充液装置品质的关键指标，并决定了压机的工作效率，这对于有高速压制需求的压机（如陶瓷压机，其行程小、速度快）尤为重要。充液流道结构优化是提升充液速度的关键，但相关设计（如参考专利WO02062545A1）少，且主要通过将充液装置上端和上横梁相匹配，形成导流通道以提升充液速度，未涉及全流道的导流设计（如充液装置下方的导流结构），由此限制了液体流速的进一步提升。

3）大流量工况下，充液阀芯的可靠性不足。充液装置大直径（350mm）和大流量（如30000L/min）的特性将形成较大的液动力。若流道设计不合理，在阀芯启闭过程中压力分布易发生失衡，从而引发阀芯窜动和冲击，严重影响充液过程可靠性并可能导致设备破坏。现有（专利中）充液装置结构设计未涉及流动压力分布的影响，在超大流量下易导致阀芯工作的不可靠。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中的不足之处，而提供一种系统简单、成本较低、卸压安全性较高的自适应多级卸压控制的压机充液装置，本发明的进一步目的在于是本发明所述的装置具备自适应的多级卸压功能，同时通过全流道的设计获得大流量下的快速充液能力和稳定的阀芯状态，尤其适用于高压大流量的压制工况。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自适应多级卸压控制的压机充液装置，在充液箱和主油缸之间设置的充液装置，其组成要点在于：充液装置包括阀芯、支撑件、控制油缸以及预紧支撑在阀芯与支撑件之间的弹簧，阀芯由内阀芯、中阀芯和外阀芯组成，阀芯安装在阀腔中，外阀芯外形呈一种类似气门的构造，中段的杆部与阀腔外壁之间的间隔为内流道，下段的头部外张封闭住该内流道，内流道上方与充液箱连通，阀芯下端面与主油缸的油路连通，中空状的中阀芯嵌套在中空状的外阀芯内，内阀芯嵌套在中阀芯内；中阀芯上开有通孔状的中芯排孔，外阀芯上开有通孔状的外芯排孔，外芯排孔的截面积大于中芯排孔，嵌套状态下，中芯排孔下表面与内阀芯的外表面接触且封闭住该排孔、中芯排孔与外芯排孔以及内流道相连通，控制油缸的活塞杆与内阀芯连接，中阀芯和外阀芯各自通过对应的中阀芯弹簧和外阀芯弹簧与支撑件支撑连接，中阀芯弹簧的预紧力大于外阀芯弹簧的预紧力。

主油缸回程时，若充液阀芯从关闭突然完全打开，主油缸内的高压瞬间释放易产生巨大冲击和破坏，因此卸压十分必要。本发明通过多级卸压获得稳定的主油缸回程。

首先驱动控制油缸向下运动，由此带动内阀芯向下运动，中阀芯弹簧和外阀芯弹簧虽被预紧但其力不足以克服主油缸内的高压而使中阀芯和外阀芯保持位置不变，因此在内阀芯和中阀芯之间形成了内泄油通道，主油缸中的液体，依次经过内泄油通道、中芯排孔、外芯排孔和内流道，最终进入压力为p ₀的充液箱。由此实现高压主油缸通过微小缝隙向上带卸压的回油，即实现了初级卸压。

伴随着初级卸压，主油缸内部压力p ₂不断下降，当压力下降到不足于克服中阀芯弹簧的预紧力时，中阀芯弹簧推动中阀芯向下运动并贴紧在内阀芯的外端面上，由此在中阀芯和外阀芯之间形成了中泄油通道，主油缸内的油液直接通过外芯排孔进入内流道和充液箱。由于油液不再经过孔径较小的中芯阻尼孔，因此，油液流速增快，主油缸回程进一步加速，其内部的压力也随之降低。

经过次级卸压后，主油缸内部压力p ₃进一步下降，当其压力值不足以克服外阀芯弹簧的作用力时，该弹簧推动外阀芯向下运动并紧贴在中阀芯的外端面上，至此整个充液装置完全开启，油液直接由主油缸经过内流道迅速流回充液箱。

由此可见，通过内阀芯、中阀芯和外阀芯的匹配运动，实现了主油缸内部压力的逐级卸压，同时主油缸回程速度也在逐级增加。这种结构改变了传统的单级卸压模式，实现了主油缸稳定快速的卸压和回程，可靠性强。而且逐级卸压过程由弹簧预紧力自适应控制，简单、可靠、成本低。

本发明的目的还可以通过以下途径来实现。

    中芯排孔内部设置有阻尼孔。

内阀芯和中阀芯的外形也呈一种类似气门的构造。

支撑件包括上支撑件和下支撑件，上、下支撑件分别位于阀芯的上下方，中阀芯弹簧由中芯硬弹簧和中芯软弹簧组成，分别支撑在上支撑件与中阀芯之间以及中阀芯与下支撑件之间，其中中芯硬弹簧是压缩弹簧，中心软弹簧是拉伸弹簧，一种内芯软弹簧支撑在内阀芯与下支撑件之间，内芯软弹簧是一种拉伸弹簧，外阀芯的底部与内部带通孔的下支撑件相连，下支撑件此通孔为与主油缸油路连通的下进油孔。

外阀芯上部外侧与固定螺母相连，通过固定螺母将外阀芯限位于上支撑件的部分表面之上。

    外阀芯外轮廓由上至下分为：上导流阀面、中导流阀面、下导流阀面，在通过外阀芯中心轴线的纵截面上，上导流阀面的形状为从上到下向内逐渐缩小的弧状抛物线，中导流阀面的形状为直线，下导流阀面的形状为从上到下向外逐渐增大的弧状抛物线，相应的，阀腔外壁面由上至下分为，上壁面、中壁面和下壁面，在通过外阀芯中心轴线的纵截面上，上壁面的形状为从上到下向内逐渐缩小的弧状抛物线，中壁面的形状为直线，下壁面的形状为从上到下向外逐渐增大的弧状抛物线。

中导流阀面的长度为0~500mm，中壁面的长度为100~600mm。

本发明具备的有益效果是：

1）具备多级自适应卸荷结构，高压油卸荷过程稳定且快速。充液装置阀芯具有多级卸压结构，达到预定压力时阀芯逐级快速卸荷，整个机械式卸压过程稳定性好、可控性强，并可有效避免在高压卸荷带来的液压冲击。

2）采用全流道导流设计，油液流经充液装置速度快。通过充液装置表面流道和阀体外围结构的导流匹配，充分结合充液箱和主油缸的壁面设计，形成小液阻高流速的流道，从而在充液和回油过程中，均具备了大流量快速供液的优点。

3）流道压力分布均匀、液动力小，大流量下充液阀芯可靠性强。结合计算流体动力学理论设计流道，使得阀芯启闭过程中液流的压力分布相对均衡，由此有效控制液动力，避免阀芯的窜动及冲击。

附图说明

图1是本发明所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置在压机中的装配位置示意图。

图2是本发明所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置的内部结构示意图。

图3是表征本发明所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置初级卸压的示意图。

图4是表征本发明所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置次级卸压的示意图。

图5是表征本发明所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置三级卸压的示意图。

图6是表征充液箱向下充液时本发明所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置的结构形态。

图7是表征本发明所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置流道的结构示意图。

图8是表征同等工况下本发明与传统结构的油液流动状态。

图9是表征同等工况下本发明与传统结构的输出流量对比。

图10是表征同等工况下本发明与传统结构的油液压力状态。

标号说明：

1、液压机，2、充液箱，3、供液装置，4、主油缸，5、主缸活塞，6、控制油缸，7、活塞杆，8、内流道，9、螺纹孔，10、内阀芯，10A、内芯软弹簧，11、中阀芯，11A、中芯硬弹簧，11B、中芯软弹簧，11C、中芯排孔，11D、中芯阻尼孔，12、外阀芯，12A、外芯硬弹簧，12B、上支撑件，12C、下支撑件，12D、外芯排孔，12E、固定螺母，13、下进油孔，14、内泄油通道，15、中泄油通道，16A、上导流阀面，16B、中导流阀面，16C、下导流阀面，17A、上壁面，17B、中壁面，17C、下壁面，18A、压力入口，18B、压力出口，19A、低流速矢量，19B、高流速矢量，20A、高压力，20B、低压力。

下面结合附图和实施例，说明本发明的具体实施方式。

具体实施方式

最佳实施例：

参照图1，示意性地表示了本发明所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置在液压机中的装配。在充液箱2和主油缸4之间设置的充液装置3，可在液压机1等设备中使用，并在主油缸4充液和回程两个主要工况发挥重要作用。充液过程中，通过控制油缸6的上端进油，伴随主油缸4下落，充液箱2中的液体快速经由开启的供液装置3进入主油缸4，推动主缸活塞5下行。完成压制工序后需进行主油缸4回程，该过程需先将主油缸4内的高压卸去，随后开启供液装置3并通过主油缸4上行迅速将其油液回流到充液箱2内。

参照图2，充液装置包括阀芯、支撑件、控制油缸6以及预紧支撑在阀芯与支撑件之间的弹簧，阀芯由内阀芯10、中阀芯11和外阀芯12组成，阀芯安装在阀腔中，外阀芯12外形呈一种类似气门的构造，中段的杆部与阀腔外壁之间的间隔为内流道8，下段的头部外张封闭住该内流道8，内流道8上方与充液箱2连通，阀芯下端面与主油缸4的油路连通，中空状的中阀芯11嵌套在中空状的外阀芯12内，内阀芯10嵌套在中阀芯11内；中阀芯11上开有通孔状的中芯排孔11C，外阀芯12上开有通孔状的外芯排孔12D，外芯排孔12D的截面积大于中芯排孔11C，嵌套状态下，中芯排孔11C下表面与内阀芯10的外表面接触且封闭住该排孔11C、中芯排孔11C与外芯排孔12D以及内流道8相连通，控制油缸6的活塞杆与内阀芯10连接，中阀芯11和外阀芯12各自通过对应的中阀芯弹簧和外阀芯弹簧与支撑件支撑连接，中阀芯弹簧的预紧力大于外阀芯弹簧的预紧力。中芯排孔11C内部设置有阻尼孔11D。支撑件包括上支撑件12B和下支撑件12C，上、下支撑件12B\12C分别位于阀芯的上下方，中阀芯弹簧由中芯硬弹簧11A和中芯软弹簧11B组成，分别支撑在上支撑件12B与中阀芯11之间以及中阀芯11与下支撑件12C之间，其中中芯硬弹簧11A是压缩弹簧，中心软弹簧11B是拉伸弹簧，一种内芯软弹簧10A支撑在内阀芯10与下支撑件12C之间，内芯软弹簧10A是一种拉伸弹簧，外阀芯12的底部与内部带通孔的下支撑件12C相连，下支撑件12C此通孔为与主油缸4油路连通的下进油孔13。

外阀芯12上部外侧与固定螺母12E相连，通过固定螺母12E将外阀芯12限位于上支撑件12B的部分表面之上。

外阀芯12外轮廓由上至下分为：上导流阀面16A、中导流阀面16B、下导流阀面16C；在通过外阀芯12中心轴线的纵截面上，上导流阀面16A的形状为从上到下向内逐渐缩小的弧状抛物线，中导流阀面16B的形状为直线，下导流阀面16C的形状为从上到下向外逐渐增大的弧状抛物线。

阀腔的内壁面由上至下分为：上壁面17A、中壁面17B和下壁面17C，在通过外阀芯12中心轴线的纵截面上，上壁面17A的形状为从上到下向内逐渐缩小的弧状抛物线，中壁面17B的形状为直线，下壁面17C的形状为从上到下向外逐渐增大的弧状抛物线。

中导流阀面16B的长度为0~500mm，中壁面17B的长度为100~600mm。

控制油缸6的活塞杆7通过螺纹孔9等方式与内阀芯10连接。

参照图3，首先驱动当控制油缸6向下运动，由此带动内阀芯10向下运动，中芯硬弹簧11A和外芯硬弹簧12A受压变形，但其力不足以克服主油缸内的高压而使中阀芯11和外阀芯12保持位置不变，因此在内阀芯10和中阀芯11之间形成了内泄油通道14。主油缸4中的液体，依次经过下进油口13、内泄油通道14、中芯排孔11C、中芯阻尼孔11D和外芯排孔12D，内流道8，最终进入压力为p ₀的充液箱2。由此实现高压主油缸4通过微小缝隙向上带卸压的回油，即实现了初级卸压。

参照图4，伴随着初级卸压，主油缸4内部压力p ₂不断下降，当压力下降到不足于克服中芯硬弹簧11A的作用力时，中芯硬弹簧11A推动中阀芯11向下运动并贴紧在内阀芯10的外端面上，由此在中阀芯11和外阀芯12之间形成了中泄油通道15，主油缸4内的油液直接通过外芯排孔12D进入内流道8和充液箱2。由于油液不再经过中芯阻尼孔11D。因此，油液流速增快，主油缸回程进一步加速，其内部的压力也随之降低。

参照图5，经过次级卸压后，主油缸4内部压力p ₃进一步下降，当其压力值不足以克服外芯硬弹簧12A的作用力时，该弹簧推动外阀芯12向下运动并紧贴在中阀芯11的外端面上。至此整个供液装置3完全开启，油液直接由主油缸4经过内流道8迅速流回充液箱2。

由此可见，通过内阀芯10、中阀芯11和外阀芯12的匹配运动，实现了主油缸4内部压力的逐级卸压，同时主油缸4回程速度也在逐级增加。这种结构改变了传统的单级卸压模式，实现了主油缸稳定快速的卸压和回程，可靠性强。具体实施中，为保障内部阀芯的开启顺序，需合理设置外芯硬弹簧12A和内芯硬弹簧11A的刚度。

参照图6，为实现充液箱2向主油缸4的快速充液，通过控制油缸6推动内阀芯10和上支撑件12B向下运动。由于主油缸内压力p ₄很小，在中芯硬弹簧11A和外芯硬弹簧12A的作用力、充液箱液体的油压及重力的作用下，外阀芯12和内阀芯11同时向下运动，实现供液装置3的完全开启。此时，充液箱2内的液体直接经过内流道8进入主油缸4，伴随主油缸（4）的下行，快速进行充液。

参照图7，为了进一步提升供液装置3开启下油液的流动速率，促进更快的充液和回油，设计上中下三部分导流结构。上端导流结构由上导流阀面16A和上壁面17A组成，二者形成从上到下向内逐渐缩小的弧状抛物线型流道；中端导流结构由中导流阀面16B和中壁面17B组成，形成垂直向下的直线流道；下端导流结构由下导流阀面16C和下壁面17C组成，形成从上到下向外逐渐增大的弧状抛物线型流道。为促使油液更加高效的进入主油缸4，下端导流结构向外部倾斜的程度大于上端导流结构，同时中端导流结构的长度d优选值取0~0.5m。

采用计算流体动力学方法，在相同进出口压力条件下，分析本发明流道与传统结构在流动及压力分布等关键参数上的区别。为简化分析，取位于充液箱2内部的压力入口18A为0.2MPa，位于主油缸4内的压力出口18B为0MPa，结果如图8~10所示。

参照图8~图9，表征同等工况下本发明与传统结构的油液流速矢量及流量大小。从图8中可知，采用本发明的结构，在充液装置中心流道可获得高流速矢量19B，相比于传统结构的低流速矢量19A，油液流速V从3m/s提高至4.1m/s，整体流图提高30%左右。图9进一步对比充液装置的液体输出流量，结果显示在相同开口量下，新流道结构比普通流道结构具有更高的液体输送效率。因此采用该结构，充液速度可获得较大提升。

参照图10，是表征同等工况下本发明与传统结构的油液压力状态。结果显示，采用带有导流结构的流道，区别于传统结构的高压力20A，新结构流场内部为低压力20B，即油液输送中对充液装置的作用力下降明显。尤其作用在充液装置下端面的压力从传统结构的14200Pa下降到9500Pa，使得作用在充液阀芯上的液动力得到了有效控制，这在大流量充液过程中有助于获得更加稳定可靠的阀芯状态，尤其适用于高压大流量的压制工况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (7)

1.一种自适应多级卸压控制的压机充液装置，在充液箱和主油缸之间设置的充液装置，其特征在于，充液装置包括阀芯、支撑件、控制油缸以及预紧支撑在阀芯与支撑件之间的弹簧，阀芯由内阀芯、中阀芯和外阀芯组成，阀芯安装在阀腔中，外阀芯外形呈一种气门的构造，中段的杆部与阀腔外壁之间的间隔为内流道，下段的头部外张封闭住该内流道，内流道上方与充液箱连通，阀芯下端面与主油缸的油路连通，中空状的中阀芯嵌套在中空状的外阀芯内，内阀芯嵌套在中阀芯内；中阀芯上开有通孔状的中芯排孔，外阀芯上开有通孔状的外芯排孔，外芯排孔的截面积大于中芯排孔，嵌套状态下，中芯排孔下表面与内阀芯的外表面接触且封闭住该排孔、中芯排孔与外芯排孔以及内流道相连通，控制油缸的活塞杆与内阀芯连接，中阀芯和外阀芯各自通过对应的中阀芯弹簧和外阀芯弹簧与支撑件支撑连接，中阀芯弹簧的预紧力大于外阀芯弹簧的预紧力。

2.根据权利要求1所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置，其特征在于，中芯排孔内部设置有阻尼孔。

3.根据权利要求1所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置，其特征在于，内阀芯和中阀芯的外形也呈一种气门的构造。

4.根据权利要求1所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置，其特征在于，支撑件包括上支撑件和下支撑件，上、下支撑件分别位于阀芯的上下方，中阀芯弹簧由中芯硬弹簧和中芯软弹簧组成，分别支撑在上支撑件与中阀芯之间以及中阀芯与下支撑件之间，其中中芯硬弹簧是压缩弹簧，中心软弹簧是拉伸弹簧，一种内芯软弹簧支撑在内阀芯与下支撑件之间，内芯软弹簧是一种拉伸弹簧，外阀芯的底部与内部带通孔的下支撑件相连，下支撑件此通孔为与主油缸油路连通的下进油孔。

5.根据权利要求4所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置，其特征在于，外阀芯上部外侧与固定螺母相连，通过固定螺母将外阀芯限位于上支撑件的部分表面之上。

6.根据权利要求1所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置，其特征在于，外阀芯外轮廓由上至下分为：上导流阀面、中导流阀面、下导流阀面，在通过外阀芯中心轴线的纵截面上，上导流阀面的形状为从上到下向内逐渐缩小的弧状抛物线，中导流阀面的形状为直线，下导流阀面的形状为从上到下向外逐渐增大的弧状抛物线，相应的，阀腔外壁面由上至下分为，上壁面、中壁面和下壁面，在通过外阀芯中心轴线的纵截面上，上壁面的形状为从上到下向内逐渐缩小的弧状抛物线，中壁面的形状为直线，下壁面的形状为从上到下向外逐渐增大的弧状抛物线。

7.根据权利要求6所述的一种自适应多级卸压控制的压机充液装置，其特征在于，中导流阀面的长度为0~500mm，中壁面的长度为100~600mm。