CN109162971B - 恒压压力油箱及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恒压压力油箱，其包括压力油箱本体、气压调控系统和控制器，压力油箱本体包括气体腔和液体腔，气体腔位于液体腔的上方，气体腔和液体腔通过气体腔活塞和液体腔活塞隔开，气体腔的上部连通有充气管路和放气管路，气体腔的顶部安装有气压传感器，液体腔的上部安装有液压传感器，液体腔的下部连通有吸油管路和回油管路，气压调控系统包括气泵、安全阀、气动三联件、充气节流阀和放气节流阀，放气节流阀安装在放气管路上，放气管路上设有安全阀，充气节流阀、气动三联件、气泵和安全阀依次安装在充气管路上；气压传感器、液压传感器、充气节流阀和放气节流阀均与控制器连接。控制器通过控制充气节流阀和放气节流阀来保持油箱的恒压。

Description

恒压压力油箱及其控制方法

技术领域

本发明属于液压传动及控制技术领域，涉及一种恒压压力油箱及其控制方法。

背景技术

闭式油箱分为隔离式油箱和压力油箱，广泛应用于行走机械、水下机械、翻转设备、船舶、飞机等液压系统中，大大提高了设备适应复杂环境、复杂工况能力，提高了液压系统控制性能。压力油箱又称为充气式油箱，在油箱中充入压力高于大气压的压缩气体，提高了液压系统中油泵的自吸能力，有效防止吸空现象。压力油箱按照液体是否与气体直接接触，可分为气液隔离式压力油箱和气液接触式压力油箱。液压传动及控制技术的不断发展，使得液压系统在复杂、特殊工况下的高精度控制能力变为可能。上述机械设备高精度控制液压系统广泛采用压力油箱，压力油箱随设备载体一起运动时，运动形式具有未知性、突变性、剧烈性等特点。由于气体压缩性较强，且油箱运动形式的不确定性，气体在油液惯性和重力影响下可能发生压缩或膨胀，气体体积的变化将严重影响油箱中油液的压力稳定性，压力波动对系统控制性能产生影响，尤其当压力油箱发生翻转运动时，油泵可能发生吸空现象。

压力油箱的现有技术方案中均采用恒压气体，无法实现压力波动的主动调节功能，因此影响了压力油箱在上述机械设备中的应用情况。现有的液压系统的油箱，多为气液接触式油箱，此种油箱内的液面与充入的压缩气体直接接触，虽然可以保证油箱内部能承受压力，但油箱内部无法对油箱的压力波动做出反应，当液压系统工作时，由于液压油流回油箱，油箱内的液面无法保持较为平稳的状态，当油箱位置变化时，尤其特殊情况下油箱倒置易产生内部油液压力波动等问题，而且因液体的震荡或骚动无法保证液压泵的自吸能力，易引起液压泵吸空等故障。同时存在压力不可调，对油箱压力变化不敏感，气液不隔离易发生氧化，易产生气穴，甚至影响液压系统元件使用寿命，并且存在无法通过油箱内部变化判断油箱状态等弊端。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种恒压压力油箱，可实现压力油箱压力波动时主动调节压力功能，解决压力油箱在复杂运动下压力波动问题，实现油液恒压控制；实现油气分离，有效防止油液氧化和气穴产生。

本发明是这样实现的：

一种恒压压力油箱，其包括压力油箱本体、气压调控系统和控制器，所述压力油箱本体包括气体腔和液体腔，所述气体腔位于所述液体腔的上方，均为圆柱形腔体且固接在一起，所述气体腔和液体腔通过气体腔活塞和液体腔活塞隔开，所述气体腔活塞的直径小于所述液体腔活塞的直径，所述液体腔的压力变化被放大作用到所述气体腔，所述气体腔活塞和液体腔活塞通过活塞连接杆连接在一起，所述气体腔的上部连通有充气管路和放气管路，所述气体腔的顶部安装有气压传感器，所述液体腔的上部安装有液压传感器，所述液体腔的下部连通有吸油管路和回油管路，所述液体腔的底部设有隔板，所述气体腔的下部和液体腔的上部均通过呼吸器与外界大气压接通；所述气压调控系统包括气泵、气动三联件、充气节流阀和放气节流阀，所述气泵的出气口连接有所述气动三联件，所述气动三联件的出口与所述充气节流阀的入口连接，所述放气节流阀安装在所述放气管路上，所述充气节流阀、气动三联件和气泵依次安装在所述充气管路上；所述气压传感器、液压传感器、充气节流阀和放气节流阀均与所述控制器连接。

优选地，所述液体腔设有截止阀、过滤器和呼吸器。

优选地，所述充气管路和所述放气管路上均设有安全阀。

优选地，所述安全阀与所述气动三联件并联的与所述气泵的出气口连接。

优选地，所述液体腔上吸油管路和回油管路的同侧均设有截止阀、过滤阀和呼吸器。

一种上述恒压压力油箱的控制方法，具体为：

静态工况下，当液体腔的压力升高时，液体腔活塞向气体腔方向运动，气体腔活塞压缩气体腔，使得气体腔的压力被动升高，气压传感器检测到气体腔的压力变化，将信号传送到控制器，控制器通过控制放气节流阀对气体腔进行放气卸压，直到检测到的气体压力重新恢复到预定恒压值，从而保证液体腔的压力值恒定；反之，液体腔压力下降时，液体腔活塞带动气体腔活塞向液体腔方向运动，气体腔的压力下降，气压传感器将压力信号传递至控制器，控制器通过控制充气节流阀对气体腔进行充气加压，直到检测到的气体压力重新恢复到预定恒压值，从而保证了液体腔的压力值恒定；

动态工况下，气体腔的压力升高，液体腔的压力降低，经由气压传感器和液压传感器将检测到的信息传递到控制器，控制器控制放气节流阀及充气节流阀完成对气体腔压力的调节，以达到使液体腔压力保持恒定的目的，当液体腔压力小于预设的液压恒压值、气体腔压力大于预设的气体恒压值时，控制器通过控制充气节流阀向气体腔充气，直到液体腔压力恢复到预设恒压值；当液体腔压力大于预设液压恒压值、气体腔压力小于预设气体恒压值时，控制器通过控制放气节流阀进行放气卸压，直到液体腔压力恢复到预设恒压值。

优选地，忽略活塞重力及其与箱体间摩擦，气体腔与液体腔的压力关系表达式为

式中，p_液为液体腔压强，D_液为液体腔活塞的直径，p_气为气体腔压强，D_气为气体腔活塞的直径。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的气体腔和液体腔的压力波动实时被压力传感器捕捉，进而使控制器控制气压调控系统通过充气或者放气对压力油箱本体的腔体内的压力进行调节，在复杂运动工况下也能保持油液的恒压稳定。

(2)本发明的压力油箱的油气分离，有效防止油液氧化和气穴现象的发生。

(3)气体腔活塞的直径小于液体腔活塞的直径，液体腔的压力变化被放大作用到气体腔，其放大倍数由面积比确定，调节精度高。

附图说明

图1为本发明的恒压压力油箱的结构示意图。

图2为本发明的液体腔底部的隔板的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1所示，一种恒压压力油箱，其包括压力油箱本体1、气压调控系统2和控制器3，压力油箱本体1包括气体腔101和液体腔102，气体腔101位于液体腔102的上方，均为圆柱形腔体且固接在一起，气体腔101和液体腔102通过气体腔活塞9和液体腔活塞隔开，气体腔活塞9和液体腔活塞10通过活塞连接杆11连接在一起，气体腔活塞9的直径小于液体腔活塞10的直径，液体腔的压力变化被放大作用到气体腔，由于两腔活塞面积不等或根据工作情况成一定比例(气体腔活塞面积小于液体腔活塞面积)，如此设计可以改变气液两腔压力比，有助于提高压力控制精度以及节省控制侧压力功耗。气体腔101的上部连通有充气管路20和放气管路21，气体腔101的顶部安装有气压传感器4，液体腔102的上部安装有液压传感器5，液体腔102的下部连通有吸油管路18和回油管路19，液体腔102的底部设有隔板22，隔板的上端到达液体活塞位移的下极限，液体腔102还设有截止阀、过滤器和呼吸器，气体腔101的下部和液体腔102的上部均通过呼吸器与外界大气压接通；气压调控系统2包括气泵12、安全阀、气动三联件15、充气节流阀16和放气节流阀17，气泵12的出气口并联有气动三联件15和安全阀14，气动三联件15的出口与充气节流阀16的入口连接，放气节流阀17安装在放气管路21上，放气管路21上设有安全阀13，充气节流阀16、气动三联件15、气泵12和安全阀14依次安装在充气管路20上；气压传感器4、液压传感器5、充气节流阀20和放气节流阀21均与控制器3连接。

优选的，液体腔102上吸油管路18和回油管路19的同侧均设有截止阀、过滤阀和呼吸器。

一种上述恒压压力油箱的控制方法，具体为：

静态工况下，当液体腔102的压力升高时，液体腔活塞10向气体腔101方向运动，由于两腔活塞面积不等，气体腔活塞面积小于液体腔活塞面积，液体腔压力的微小变化被放大到气体腔，气体腔活塞9压缩气体腔101，使得气体腔101的压力被动升高，气压传感器4检测到气体腔101的压力变化，将信号传送到控制器3，控制器3通过控制放气节流阀17对气体腔101进行放气卸压，直到检测到的气体压力重新恢复到预定恒压值，从而保证液体腔102的压力值恒定；反之，液体腔102压力下降时，液体腔活塞10带动气体腔活塞9向液体腔102方向运动，气体腔101的压力下降，气压传感器4将压力信号传递至控制器3，控制器3通过控制充气节流阀16对气体腔101进行充气加压，直到检测到的气体压力重新恢复到预定恒压值，从而保证了液体腔102的压力值恒定；

动态工况下，气体腔101的压力升高，液体腔102的压力降低，经由气压传感器4和液压传感器5将检测到的信息传递到控制器3，控制器3控制放气节流阀17及充气节流阀16完成对气体腔101压力的调节，以达到使液体腔102压力保持恒定的目的，当液体腔102压力小于预设的液压恒压值、气体腔101压力大于预设的气体恒压值时，控制器3通过控制充气节流阀16向气体腔101充气，直到液体腔102压力恢复到预设恒压值；当液体腔102压力大于预设液压恒压值、气体腔101压力小于预设气体恒压值时，控制器3通过控制放气节流阀17进行放气卸压，直到液体腔102压力恢复到预设恒压值。

在本实施例中，压力油箱本体1分为气体腔101和液体腔102，气体腔101位于液体腔102的上方，气体腔与气压调控系统2相连，气体腔和液体腔均为圆柱腔体且固接在一起，气体腔和液体腔分别被气体腔活塞9和液体腔活塞10隔开，使气液分离，两活塞由活塞连接杆11连接，气体腔活塞9直径小于液体腔活塞10直径，由于两腔活塞面积不等或根据工作情况成一定比例(气体腔活塞面积小于液体腔活塞面积)，如此设计可以改变气液两腔压力比，有助于提高压力控制精度以及节省控制侧压力功耗。气体腔上部布置充气管路20和放气管路21，液体腔下部布置吸油管路18和回油管路19，液体腔上吸油管路18的同一侧设有呼吸器63、过滤器81和截止阀71，液体腔上回油管路19的同一侧设有呼吸器64、过滤器82和截止阀72，液体腔中液体腔活塞的上部空间通过呼吸器62与外界大气压接通，气体腔中气体腔活塞的下部空间通过呼吸器61与外界大气压接通，气压传感器4安装于气体腔顶部，液压传感器5安装于液体腔上部，气压传感器4和液压传感器5与控制器3连接；

充气管路20上依次设有充气节流阀16、气动三联件15、气泵12和安全阀14，气泵12出气口并联气动三联件15和安全阀14，气动三联件15的出口与充气节流阀16入口连接，充气节流阀16出口与气体腔连接，气体腔放气管路21依次安装安全阀14、放气节流阀17。

气动三联件15包括空气减压阀、过滤器和油雾器，减压阀可对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤；过滤器用于对气源的清洁，可过滤压缩空气中的水份，避免水份随气体进入装置；油雾器可对机体运动部件进行润滑，可以对不方便加润滑油的部件进行润滑，大大延长使用寿命。

气压传感器4、液压传感器5、放气节流阀17和充气节流阀16均与控制器3连接，静态工况下，当液体腔的压力升高时，液体腔的压力推动液体腔活塞10运动，从而带动气体腔活塞9向气体腔上部运动，气体腔活塞9压缩气体腔，气体腔压力升高，此时气压压力传感器4检测到气体腔压力变化，将信号传送到控制器3，控制器3通过控制放气节流阀17对气体腔进行放气卸压，直到检测到的气体压力重新恢复到预定恒压值，从而保证了液体腔的压力值恒定；反之，液体腔压力下降时，液体腔活塞10带动气体腔活塞9向液体腔方向运动，气体腔压力下降，气压传感器4将压力信号传递至控制器3，控制器3通过控制充气节流阀16，气泵12对气体腔进行充气加压，直到检测到的气体压力重新恢复到预定恒压值，从而保证了液体腔的压力值恒定；动态工况下(尤其上下反转)，气体腔压力升高，液体腔压力降低，经由气体压力传感器4和液体压力传感器5将检测到的信息传递到控制器3，控制器3控制放气节流阀17及充气节流阀16完成对气体腔压力的调节，以达到使液体腔压力保持恒定的目的，当液体腔压力小于所设定的液压恒压值、气体腔压力大于所设定的气体恒压值时，控制器3通过控制充气节流阀16向气体腔充气，直到液体腔压力恢复到所设定恒压值；当液体腔压力大于所设定的液压恒压值、气体腔压力小于所设定的气体恒压值时，控制器3通过控制放气节流阀17进行放气卸压，直到液体腔压力恢复到所设定恒压值。

气体腔活塞9直径小于液体腔活塞10的直径，且二者直径比值可根据系统对压力油箱调压精度来确定，气体腔侧为小面积活塞，液体腔侧为大面积活塞，因此可将液体腔压力微小变化放大传递至气体腔，提高了油箱压力控制精度。气体腔与液体腔的压力关系(暂忽略活塞重力及其与箱体间摩擦)表达式为

式中，p_液为液体腔压强，

D_液为液体腔活塞的直径，

p_气为气体腔压强，

D_气为气体腔活塞的直径。

本发明具有判断油箱状态的能力：通过观察气体压力传感器4和液体压力传感器5的检测结果，可知当气体腔压力与液体腔压力同步变化时，油箱处于静态，此时调节气体压力，维持液体腔压力恒定；当气体腔和液体腔压力变化不同步时，可知油箱处于动态，此时采取相应的措施使液体腔压力满足要求。

综上，本发明具有以下优点：

(1)本发明的气体腔和液体腔的压力波动实时被压力传感器捕捉，进而使控制器控制气压调控系统通过充气或者放气对压力油箱本体的腔体内的压力进行调节，在复杂运动工况下也能保持油液的恒压稳定。

(2)本发明的压力油箱的油气分离，有效防止油液氧化和气穴现象的发生。

(3)气体腔活塞的直径小于液体腔活塞的直径，液体腔的压力变化被放大作用到气体腔，其放大倍数由面积比确定，调节精度高。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种恒压压力油箱，其特征在于：其包括压力油箱本体、气压调控系统和控制器，

所述压力油箱本体包括气体腔和液体腔，所述气体腔位于所述液体腔的上方，均为圆柱形腔体且固接在一起，所述气体腔和液体腔通过气体腔活塞和液体腔活塞隔开，所述气体腔活塞的直径小于所述液体腔活塞的直径，所述液体腔的压力变化被放大作用到所述气体腔，所述气体腔活塞和液体腔活塞通过活塞连接杆连接在一起，所述气体腔的上部连通有充气管路和放气管路，所述气体腔的顶部安装有气压传感器，所述液体腔的上部安装有液压传感器，所述液体腔的下部连通有吸油管路和回油管路，所述液体腔的底部设有隔板，所述气体腔的下部和液体腔的上部均通过呼吸器与外界大气压接通；

所述气压调控系统包括气泵、气动三联件、充气节流阀和放气节流阀，所述气泵的出气口连接有所述气动三联件，所述气动三联件的出口与所述充气节流阀的入口连接，所述放气节流阀安装在所述放气管路上，所述充气节流阀、气动三联件和气泵依次安装在所述充气管路上；

所述气压传感器、液压传感器、充气节流阀和放气节流阀均与所述控制器连接，气体腔和液体腔的压力波动实时被压力传感器捕捉，进而使控制器控制气压调控系统通过充气或者放气对压力油箱本体的腔体内的压力进行调节，保持油液的恒压稳定。

2.根据权利要求1所述的恒压压力油箱，其特征在于：所述液体腔设有截止阀、过滤器和呼吸器。

3.根据权利要求1所述的恒压压力油箱，其特征在于：所述充气管路和所述放气管路上均设有安全阀。

4.根据权利要求3所述的恒压压力油箱，其特征在于：所述安全阀与所述气动三联件并联的与所述气泵的出气口连接。

5.根据权利要求2所述的恒压压力油箱，其特征在于：所述液体腔上吸油管路和回油管路的同侧均设有截止阀、过滤阀和呼吸器。

6.一种如权利要求1-5任一所述的恒压压力油箱的控制方法，其特征在于：具体为：

静态工况下，当液体腔的压力升高时，液体腔活塞向气体腔方向运动，气体腔活塞压缩气体腔，使得气体腔的压力被动升高，气压传感器检测到气体腔的压力变化，将信号传送到控制器，控制器通过控制放气节流阀对气体腔进行放气卸压，直到检测到的气体压力重新恢复到预定恒压值，从而保证液体腔的压力值恒定；反之，液体腔压力下降时，液体腔活塞带动气体腔活塞向液体腔方向运动，气体腔的压力下降，气压传感器将压力信号传递至控制器，控制器通过控制充气节流阀对气体腔进行充气加压，直到检测到的气体压力重新恢复到预定恒压值，从而保证了液体腔的压力值恒定；

动态工况下，气体腔的压力升高，液体腔的压力降低，经由气压传感器和液压传感器将检测到的信息传递到控制器，控制器控制放气节流阀及充气节流阀完成对气体腔压力的调节，以达到使液体腔压力保持恒定的目的，当液体腔压力小于预设的液压恒压值、气体腔压力大于预设的气体恒压值时，控制器通过控制充气节流阀向气体腔充气，直到液体腔压力恢复到预设恒压值；当液体腔压力大于预设液压恒压值、气体腔压力小于预设气体恒压值时，控制器通过控制放气节流阀进行放气卸压，直到液体腔压力恢复到预设恒压值。

7.根据权利要求6所述的恒压压力油箱的控制方法，其特征在于：忽略活塞重力及其与箱体间摩擦，气体腔与液体腔的压力关系表达式为

式中，p_液为液体腔压强，D_液为液体腔活塞的直径，p_气为气体腔压强，D_气为气体腔活塞的直径。