CN104454330A - 液压旋转执行元件及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液压旋转执行元件及其控制方法。该液压旋转执行元件包括：壳体、输出轴、转子叶片、第一隔板和第二隔板；壳体具有内腔，并开设有沿周向依次布置的第一进油口、第二回油口、第二进油口和第一回油口；转子叶片安装在内腔中，且转子叶片的根部与输出轴连接；第一隔板可朝向内腔伸缩地安装在壳体上，并位于相邻的第一进油口和第一回油口之间；第二隔板可朝向内腔伸缩地安装在壳体上，并位于相邻的第二回油口和第二进油口之间。该液压旋转执行元件不仅结构简单，并能够提供大的输出力矩，有利于降低大型设备的液压控制系统的规模及成本。
Description
技术领域
本发明涉及液压设备领域，更具体地，涉及一种液压旋转执行元件及其控制方法。
背景技术
大型化是机械设备的一个发展趋势，目前为大型化机械设备提供驱动力矩主要有两种方式：一种是通过液压马达驱动；另一种是通过电动轮驱动。随着技术的发展，一些大型设备动辄需要几十万甚至上百万牛·米的驱动力矩，而现有技术中的叶片式、齿轮式、柱塞式等各种形式的液压马达因受到自身结构的限制，单个液压马达所能提供的最大力矩仅为数万牛·米，这与大型设备所需的驱动力矩相差甚远，因而一个大型设备通常需要配置数量众多的液压马达以及与各液压马达对应的减速增扭机构，导致整个液压驱动系统体积庞大、结构复杂。电动轮驱动方式虽然能够提供较大的输出力矩，但是价格高昂，不利于降低成本，适用范围窄。因此，如何为需要较大驱动力矩的大型机械设备提供一种体积较小、结构简单并且成本较低的驱动方案，是本申请的发明人一直努力的方向。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种液压旋转执行元件，以便使大型机械设备的驱动方案在体积较小、结构简单的同时还具有较低的实施成本。本发明还提供了一种液压旋转执行元件的控制方法。
本发明提供的液压旋转执行元件，包括：壳体、输出轴、转子叶片、第一隔板和第二隔板；壳体具有内腔，并开设有沿周向依次布置的第一进油口、第二回油口、第二进油口和第一回油口；转子叶片安装在内腔中，且转子叶片的根部与输出轴连接；第一隔板可朝向内腔伸缩地安装在壳体上，并位于相邻的第一进油口和第一回油口之间；第一隔板用于和转子叶片及输出轴配合，将内腔分隔成与第一进油口相通的第一进油腔和与第一回油口相通的第一回油腔；第二隔板可朝向内腔伸缩地安装在壳体上，并位于相邻的第二回油口和第二进油口之间；第二隔板用于和转子叶片及输出轴配合，将内腔分隔成与第二进油口相通的第二进油腔和与第二回油口相通的第二回油腔。
进一步地，转子叶片的两侧侧面所在的平面均通过输出轴的轴线。
进一步地，第一隔板可轴向或径向滑动地与壳体配合，第二隔板可轴向或径向滑动地与壳体配合。
进一步地，第一隔板可由第一液压缸驱动，第二隔板可由第二液压缸驱动。
进一步地，该液压旋转执行元件还包括：用于控制第一进油口、第二回油口、第二进油口和第一回油口通断，以及第一隔板、第二隔板伸缩的控制器。
进一步地，该液压旋转执行元件还包括：用于检测转子叶片位置的第一检测装置，用于检测第一隔板伸缩位置的第二检测装置，和用于检测第二隔板伸缩位置的第三检测装置，第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置分别与控制器电连接。
进一步地，第一隔板和第二隔板相隔180°布置；和/或，第一进油口与第二进油口相隔180°布置，第一回油口与第二回油口相隔180°布置，第一进油口和第二回油口之间相隔的角度大于90°并小于180°。
进一步地，第一隔板具有与输出轴相配合的第一凹弧面，第二隔板具有与输出轴相配合的第二凹弧面。
进一步地，壳体包括依次连接的前端盖、环形壳和后端盖，第一进油口、第一回油口、第二进油口和第二回油口开设在环形壳上。
本发明还提供了一种基于上述的液压旋转执行元件的控制方法，包括如下步骤：
使转子叶片沿第一进油口、第二回油口、第二进油口、第一回油口的方向连续旋转；
在转子叶片旋转通过第一进油口位置前的第一预定时间内，使第二隔板保持在内腔中伸出到位的状态，第一隔板保持在退出内腔的状态，第一进油口和第一回油口保持在关闭状态，第二进油口和第二回油口保持在打开状态；
在转子叶片旋转通过第一进油口位置后，打开第一进油口，关闭第二进油口，并使第一隔板向内腔伸出；在第一隔板伸出到位后，打开第一回油口；在第二预定时间后，使第二隔板退出内腔，关闭第二回油口；
在转子叶片旋转通过第二进油口位置后，打开第二进油口，关闭第一进油口，并使第二隔板向内腔伸出；在第二隔板伸出到位后，打开第二回油口；在第三预定时间后，使第一隔板退出内腔，关闭第一回油口。
本申请的发明人在深入分析大型设备液压驱动方式和电动轮驱动方式优缺点的基础上，为了兼顾大型设备驱动方式的结构和成本，提出了前述液压旋转执行元件，在该液压旋转执行元件中，通过合理控制第一进油口、第二进油口、第一回油口和第二回油口的开合和第一隔板、第二隔板的伸缩，可以使转子叶片在压力油的作用下沿同一方向连续平稳转动，并通过输出轴输出力矩。并且从前述方案可知，该液压旋转执行元件不仅结构简单，而且与现有技术中各种形式的液压马达相比，易于通过扩大壳体内腔的容积、增大转子叶片的受力面积、以及延长转子叶片相对于输出轴旋转中心长度的方式，有效提高其产生的力矩的大小，进而有效提高输出轴的输出力矩的大小，这样在大型工程机械的驱动系统中，该液压旋转执行元件可以取代电动轮或者多个常规液压马达作为动力部件，不但能够有效降低大型设备的驱动系统的规模，还可以有效降低成本。本发明提供的液压旋转执行元件的控制方法也可以达到同样的技术效果。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施例提供的液压旋转执行元件的侧视剖面结构；
图2示出了本发明实施例提供的液压旋转执行元件的主视剖面结构；
图3示出了本发明实施例提供的液压旋转执行元件的主视剖面结构，其中转子叶片刚转过第一进油口，第一隔板和第二隔板均伸入内腔中；
图4示出了本发明实施例提供的液压旋转执行元件的主视剖面结构，第一隔板保持在内腔中，第二隔板退出内腔；
图5示出了本发明实施例提供的液压旋转执行元件的主视剖面结构，其中转子叶片刚转过第二进油口，第一隔板和第二隔板均伸入内腔中；
图6示出了本发明实施例提供的液压旋转执行元件的主视剖面结构，第一隔板退出内腔，第二隔板保持在内腔中。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1至图6示出了本发明实施例提供的液压旋转执行元件的结构，如图所示，该液压执行元件主要包括：壳体1、输出轴2、转子叶片3、第一隔板41和第二隔板42。
参考图1和图2，壳体1具有内腔10，并开设有沿周向以逆时针的方向依次布置的第一进油口51、第二回油口62、第二进油口52和第一回油口61。优选地，壳体1的组成部件在本实施例中主要包括依次螺接的前端盖11、环形壳12和后端盖13，在前端盖上11上还可以盖设有轴承端盖14，壳体1内安装有轴承15，轴承端盖14与前端盖11之间安装有垫圈17，避免污染物进入轴承内部。可以理解，第一进油口51和第二进油口52用于和压力油源连通，第一回油口61和第二回油口62用于和油箱连通，第一进油口51、第二回油口62、第二进油口52和第一回油口61优选地开设在环形壳12上。
转子叶片3安装在内腔10中，转子叶片3的根部与输出轴2连接。输出轴2由轴承15支撑，输出轴2与壳体1之间还设置有适当的密封结构16等。转子叶片3的一侧面用于和压力油接触，另一侧面用于和回油接触，转子叶片3在压力油的作用下可以在内腔10内带动输出轴2旋转，通过输出轴2输出力矩。
第一隔板41可朝向内腔10伸缩地安装在壳体1上，并位于相邻的第一进油口51和第一回油口61之间。第一隔板41在内腔10内伸出到位时起到隔断的作用；第一隔板41收缩并退出内腔10后，在不影响内腔10密封性的同时，不会对转子叶片3的转动起止挡作用。可以理解，转子叶片3运转时，转子叶片3的两侧需形成密封的且隔离开的进油腔和回油腔。结合参考图4，当第一隔板41伸入到内腔10内形成隔断、第二隔板42退出内腔10时，第一隔板41和转子叶片3及输出轴2配合，将内腔10分隔成与第一进油口51相通的第一进油腔101和与第一回油口61相通的第一回油腔102。
第二隔板42可朝向内腔10伸缩地安装在壳体1上，并位于相邻的第二回油口62和第二进油口52之间。第二隔板42在内腔10内伸出到位时起到隔断的作用；第二隔板42收缩并退出内腔10后，在不影响内腔10密封性的同时，不会对转子叶片3的转动起止挡作用。结合参考图6，当第一隔板41退出内腔10、第二隔板42伸入到内腔10内形成隔断时，第二隔板42和转子叶片3及输出轴2配合，将内腔10分隔成与第二进油口52相通的第二进油腔103和与第二回油口62相通的第二回油腔104。
下面以该转子叶片3沿逆时针方向连续转动为例说明该液压旋转执行元件的工作原理。
参考图2，转子叶片3旋转通过第一进油口51位置前的第一预定时间内，该第一预定时间小于转子叶片3从第二进油口52到第一进油口51的运行时间，第二隔板42保持在内腔10中伸出到位的状态，第一隔板41保持在退出内腔10的状态，第二进油口52与压力油相通，从第二进油口52进入第二进油腔103内的压力油推动转子叶片3旋转，第二回油口62与油箱相通，第二回油腔104的油液通过第二回油口62流出。第一进油口51和第一回油口61关闭。
参考图3，在转子叶片3旋转通过第一进油口51位置后，然后打开第一进油口51，关闭第二进油口52，并控制第一隔板41向内腔10伸出。压力油推动转子叶片3继续转动，回油通过第二回油口62流出。在第一隔板41伸出到位后，打开第一回油口61，通过第一回油口61泄掉第一隔板41和第二隔板42之间封闭的高压油。
参见图4，在第二预定时间后(时间很短，第一隔板41和第二隔板42之间的油液压力下降到回油压力即可)，控制第二隔板42退出内腔10，关闭第二回油口62。压力油通过第一进油口51进入第一进油腔101推动转子叶片3转动，第一回油腔102内的回油通过第一回油口61流出。
参见图5，转子叶片3继续朝向第二进油口52的方向旋转，当转子叶片3旋转通过第二进油口52位置后，打开第二进油口52，关闭第一进油口51，并控制第二隔板42向内腔10伸出。压力油推动转子叶片3继续转动，回油通过第一回油口61流出。在第二隔板42伸出到位后，打开第二回油口62，通过第二回油口62泄掉第一隔板41和第二隔板42之间封闭的高压油。
参见图6，在第三预定时间后(时间很短，第一隔板41和第二隔板42之间的油液压力下降到回油压力即可)，控制第一隔板41退出内腔10，关闭第一回油口61。至此，转子叶片3旋转一周，通过重复图3至图6所示的过程，转子叶片3即可实现同方向的连续旋转。
由上文可知，在本发明实施例提供的液压旋转执行元件中，通过合理控制第一进油口51、第二进油口52、第一回油口61和第二回油口62的开合和第一隔板41、第二隔板42的伸缩，可以使转子叶片3在压力油作用沿同一方向连续平稳转动，并通过输出轴2输出力矩。该液压旋转执行元件不仅结构简单，而且与现有技术中各种形式的液压马达相比，易于通过扩大壳体内腔10的容积(扩大内腔10的半径和轴向长度)、增大转子叶片3的受力面积、以及延长转子叶片3相对于输出轴2旋转中心长度(相当于延长转子叶片3的径向尺寸)的方式，有效提高其产生的力矩的大小，进而有效提高输出轴2的输出力矩的大小，这样在大型工程机械的驱动系统中，该液压旋转执行元件可以取代电动轮或者多个常规液压马达作为动力部件，不但能够有效降低大型设备的液压控制系统的规模，还可以有效降低成本。
由图中可以看出，转子叶片3的两侧侧面所在的平面均通过输出轴2的轴线，即输出轴2的轴线同时位于转子叶片3的两侧侧面各自所属的平面内，转子叶片3的径向截面呈扇形。申请人从力矩的产生分析，大的输出力矩需要有大的大的力和力臂，力取决于转子叶片3所能承受的压力以及受力面积，而力臂决定于转子叶片3的径向尺寸，以及力的作用线与力的作用点和支点连线的夹角。本实施例的优选方案中，通过将转子叶片3的两侧侧面所在的平面均通过输出轴2的轴线，无论转子叶片3根据工作需要连续正转或者连续反转，转子叶片3所受到的力的作用线与力的作用点和支点(也即输出轴2的中心)连线的夹角都为90°，进一步提高了输出轴2的可输出力矩的大小。
再来参见图1，本实施例中示出了第一隔板41、第二隔板42可朝向内腔10伸缩的一种优选实施方式，其中第一隔板41和第二隔板42分别可轴向滑动地与壳体1的后端盖13配合，通过对第一隔板41和第二隔板42分别施加轴向力，使得第一隔板41、第二隔板42可以分别相对内腔10伸缩。当然，在其他实施例中，还可以将第一隔板41和第二隔板42分别可径向伸缩地与壳体1的环形壳12配合，或者，第一隔板41和第二隔板42直接采用可自伸缩的部件。驱动第一隔板41、第二隔板42伸缩的动力机构可以有多种形式，优选地，本实施例中，第一隔板41可由第一液压缸驱动，第二隔板42可由第二液压缸驱动。另外，为保证第一隔板41和第二隔板42在内腔10内伸出到位后，隔板两侧腔体的密封隔离可靠，优选地，第一隔板41具有与输出轴2相配合的第一凹弧面411，第二隔板42具有与输出轴2相配合的第二凹弧面421，各凹弧面还可以对各隔板的伸出起到导向作用。
优选地，该液压旋转执行元件还包括：用于控制第一进油口51、第二回油口62、第二进油口52和第一回油口61通断，以及第一隔板41、第二隔板42伸缩的控制器。优选地，该液压旋转执行元件还包括：用于检测转子叶片3位置的第一检测装置，用于检测第一隔板41伸缩位置的第二检测装置，和用于检测第二隔板42伸缩位置的第三检测装置，第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置分别与控制器电连接，从而实现该液压旋转执行元件旋转过程各零部件动作的自动精确控制。
优选地，第一隔板41和第二隔板42相隔180°布置。第一进油口51与第二进油口52相隔180°布置。第一回油口61与第二回油口62相隔180°布置。第一进油口和第二回油口之间相隔的角度大于90°并小于180°，这样结构更为合理，可以为控制器的操作提供足够的时间。
需要说明的是，虽然本实施例中第一进油口51、第二回油口62、第二进油口52和第一回油口61在周向上沿逆时针方向排列，但在其他实施例中，第一进油口51、第二回油口62、第二进油口52和第一回油口61可以沿顺时针方向排列，同样可以达到本发明的技术效果，在此不再赘述。
另外，需要说明的是，本实施例中虽然以输出轴2上与一个转子叶片3、壳体1配套，但在其他实施例中，还可以沿输出轴2的轴向设置多个转子叶片及相应的壳体，以达到可以提供更大的输出力矩，并可实现输出力矩、转速可切换的效果。
本发明实施例还提供了一种基于上述的液压旋转执行元件的控制方法，该控制方法包括如下步骤：
使转子叶片3沿第一进油口51、第二回油口62、第二进油口52、第一回油口61的方向连续旋转；
在转子叶片3旋转通过第一进油口51位置前的第一预定时间内，使第二隔板42保持在内腔10中伸出到位的状态，第一隔板41保持在退出内腔10的状态，第一进油口51和第一回油口61保持在关闭状态，第二进油口52和第二回油口62保持在打开状态；
在转子叶片3旋转通过第一进油口51位置后，打开第一进油口51，关闭第二进油口52，并使第一隔板41向内腔10伸出；在第一隔板41伸出到位后，打开第一回油口61；在第二预定时间后，使第二隔板42退出内腔10，关闭第二回油口62；
在转子叶片3旋转通过第二进油口52位置后，打开第二进油口52，关闭第一进油口51，并使第二隔板42向内腔10伸出；在第二隔板42伸出到位后，打开第二回油口62；在第三预定时间后，使第一隔板41退出内腔10，关闭第一回油口61。
该液压旋转执行元件的控制方法的基本原理及相应效果可参考上述对液压旋转执行元件的描述，在此不再赘述。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液压旋转执行元件，其特征在于，包括：
壳体(1)、输出轴(2)、转子叶片(3)、第一隔板(41)和第二隔板(42)；
所述壳体(1)具有内腔(10)，并开设有沿周向依次布置的第一进油口(51)、第二回油口(62)、第二进油口(52)和第一回油口(61)；
所述转子叶片(3)安装在所述内腔(10)中，且所述转子叶片(3)的根部与所述输出轴(2)连接；
所述第一隔板(41)可朝向所述内腔(10)伸缩地安装在所述壳体(1)上，并位于相邻的所述第一进油口(51)和所述第一回油口(61)之间；所述第一隔板(41)用于和所述转子叶片(3)及所述输出轴(2)配合，将所述内腔(10)分隔成与所述第一进油口(51)相通的第一进油腔(101)和与所述第一回油口(61)相通的第一回油腔(102)；
所述第二隔板(42)可朝向所述内腔(10)伸缩地安装在所述壳体(1)上，并位于相邻的所述第二回油口(62)和所述第二进油口(52)之间；所述第二隔板(42)用于和所述转子叶片(3)及所述输出轴(2)配合，将所述内腔(10)分隔成与所述第二进油口(52)相通的第二进油腔(103)和与所述第二回油口(62)相通的第二回油腔(104)。
2.根据权利要求1所述的液压旋转执行元件，其特征在于，所述转子叶片(3)的两侧侧面所在的平面均通过所述输出轴(2)的轴线。
3.根据权利要求1所述的液压旋转执行元件，其特征在于，所述第一隔板(41)可轴向或径向滑动地与所述壳体(1)配合，所述第二隔板(42)可轴向或径向滑动地与所述壳体(1)配合。
4.根据权利要求1所述的液压旋转执行元件，其特征在于，所述第一隔板(41)可由第一液压缸驱动，所述第二隔板(42)可由第二液压缸驱动。
5.根据权利要求1所述的液压旋转执行元件，其特征在于，还包括：用于控制所述第一进油口(51)、所述第二回油口(62)、所述第二进油口(52)和所述第一回油口(61)通断，以及所述第一隔板(41)、所述第二隔板(42)伸缩的控制器。
6.根据权利要求5所述的液压旋转执行元件，其特征在于，还包括：用于检测所述转子叶片(3)位置的第一检测装置，用于检测所述第一隔板(41)伸缩位置的第二检测装置，和用于检测所述第二隔板(42)伸缩位置的第三检测装置，所述第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置分别与所述控制器电连接。
7.根据权利要求1所述的液压旋转执行元件，其特征在于，所述第一隔板(41)和所述第二隔板(42)相隔180°布置；和/或，所述第一进油口(51)与所述第二进油口(52)相隔180°布置，所述第一回油口(61)与所述第二回油口(62)相隔180°布置，所述第一进油口(51)和所述第二回油口(62)之间相隔的角度大于90°并小于180°。
8.根据权利要求1所述的液压旋转执行元件，其特征在于，所述第一隔板(41)具有与所述输出轴(2)相配合的第一凹弧面(411)，所述第二隔板(42)具有与所述输出轴(2)相配合的第二凹弧面(421)。
9.根据权利要求1所述的液压旋转执行元件，其特征在于，所述壳体(1)包括依次连接的前端盖(11)、环形壳(12)和后端盖(13)，所述第一进油口(51)、所述第一回油口(61)、所述第二进油口(52)和所述第二回油口(62)开设在所述环形壳(12)上。
10.一种基于权利要求1所述的液压旋转执行元件的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
使所述转子叶片(3)沿所述第一进油口(51)、所述第二回油口(62)、所述第二进油口(52)、所述第一回油口(61)的方向连续旋转；
在所述转子叶片(3)旋转通过所述第一进油口(51)位置前的第一预定时间内，使所述第二隔板(42)保持在所述内腔(10)中伸出到位的状态，所述第一隔板(41)保持在退出所述内腔(10)的状态，所述第一进油口(51)和所述第一回油口(61)保持在关闭状态，所述第二进油口(52)和所述第二回油口(62)保持在打开状态；
在所述转子叶片(3)旋转通过所述第一进油口(51)位置后，打开所述第一进油口(51)，关闭所述第二进油口(52)，并使所述第一隔板(41)向所述内腔(10)伸出；在所述第一隔板(41)伸出到位后，打开所述第一回油口(61)；在第二预定时间后，使所述第二隔板(42)退出所述内腔(10)，关闭所述第二回油口(62)；
在所述转子叶片(3)旋转通过所述第二进油口(52)位置后，打开所述第二进油口(52)，关闭所述第一进油口(51)，并使所述第二隔板(42)向所述内腔(10)伸出；在所述第二隔板(42)伸出到位后，打开所述第二回油口(62)；在第三预定时间后，使所述第一隔板(41)退出所述内腔(10)，关闭所述第一回油口(61)。
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