CN109681482B - 一种数字液压变量泵及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字液压变量泵，包括：变量泵主体、数字伺服阀和控制单元，变量泵主体包含变量差动缸、高压油腔、控制油腔、回油腔和运动机构，变量差动缸沿轴线呈阶梯状，其中变量差动缸横截面积小的一端连接高压油腔，横截面积大的一端连接控制油腔，高压油腔和控制油腔内的油压由数字伺服阀控制，推动变量差动缸产生的位移导致运动机构运动，从而产生流量输出的变化；驱动机构响应于来自控制单元的指示信号而开启阀门主体，反馈机构响应于运动机构的位移而关闭阀门主体而形成闭环控制。该数字液压变量泵实现了高精度、高可靠性、快速性变量的技术效果。本发明同时提供一种调节数字液压变量泵的方法。

Description

一种数字液压变量泵及其调节方法

技术领域

本发明涉及流体传动和控制领域，特别涉及一种数字液压变量泵及其调节方法。

背景技术

液压泵是液压传动领域常见的动力装置。例如柱塞泵这样的液压泵要改变输出流量，就必须通过变量机构推动斜盘，改变活塞行程，从而改变流量输出。传统的变量方法包含手动变量和自动变量。其中手动变量利用首轮旋转螺栓实现手动变量，这种方法不适宜自动控制。自动变量则分为恒压变量泵和比例变量泵，前者是利用弹簧给定的力实现压力恒定，斜盘随流量需要变化而自动跟随负载需要；而后者是利用电比例阀输出不同的压力来改变变量机构的位置，从而输出不同的流量。目前为止，比例变量泵这是最先进的变量方法，但由于其输出的是压力，作为一种模拟量，使其具有精度不高、重复性差、与计算机输出的信号不能进行一一量化的对应等缺点。

随着自动化水平的不断提高，对泵的变量要求越来越高，因此急需一种能够与控制单元发出的指示信号一一对应的变量方法，从而实现高精度、高可靠性、快速性的变量，满足日益增长的市场要求。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明提出了一种高精度、高可靠性、快速性变量的数字液压变量泵及其调节方法。

本发明的数字液压变量泵通过以下技术方案实现：

依据本发明，提供一种数字液压变量泵，包括：变量泵主体、数字伺服阀和控制单元，其中，

变量泵主体包含变量差动缸、高压油腔、控制油腔、回油腔和运动机构，变量差动缸沿轴线呈阶梯状，其中变量差动缸横截面积小的一端连接高压油腔，横截面积大的一端连接控制油腔，高压油腔和控制油腔内的油压由数字伺服阀控制，推动变量差动缸产生的位移导致运动机构运动，从而产生流量输出的变化；

数字伺服阀包含驱动机构、阀门主体和反馈机构，其中阀门主体具有连通至高压油腔的高压油口P、连通至控制油腔的控制油口A和连通至回油腔的回油口O；

驱动机构响应于来自控制单元的指示信号而开启阀门主体，反馈机构响应于运动机构的位移而关闭阀门主体而形成闭环控制。

依据本发明的一个实施例，驱动机构为通信连接至控制单元的电机。

依据本发明的一个实施例，电机可以是例如步进电机、伺服电机或超声电机这样的各种形式的电机。

依据本发明的一个实施例，阀门主体可以是滑阀或转阀。

依据本发明的一个实施例，反馈机构可以是电反馈机构或通过螺母副连接至阀门主体的机械反馈机构，也可以是本领域常用的其他形式的反馈机构。

依据本发明的一个实施例，电反馈机构可以是增量数字式传感器或绝对位置式传感器等，机械反馈机构可以是齿轮齿条式机械反馈机构、曲柄连杆式机械反馈机构、滚珠丝杆式机械反馈机构或者齿形带或链条柔性机械反馈机构等。

依据本发明的一个实施例，运动机构包含斜盘以及由斜盘带动产生轴向位移的变量活塞。

依据本发明，提供一种上述数字液压变量泵的调节方法，包含以下步骤：

1)变量泵主体的高压油腔和控制油腔分别连通至高压油口P和控制油口A，使得高压油腔长期通高压油而控制油腔长期通控制油，变量差动缸形成浮动平衡；

2)控制单元向数字伺服阀的驱动机构发送指示信号，驱动机构驱动开启阀门主体，高压油流入控制油腔，产生油压差推动变量差动缸位移导致运动机构运动；

3)反馈机构响应于运动机构的位移而关闭阀门主体，数字伺服阀返回至初始位置，变量差动缸在新的位置形成恢复浮动平衡。

依据本发明的一个实施例，指示信号可以是网络、脉冲或模拟量，使得驱动机构以不同角速度旋转不同角度。

依据本发明的一个实施例，驱动机构的角速度与变量泵变量的速度相对应，驱动机构旋转的角度与变量泵的输出流量相对应。

由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本申请的数字液压变量泵变量范围宽、精度高、重复性好、响应快，完全可以用到油缸或油马达的直接控制中，可实现油缸或油马达的直接速度控制，代替传统昂贵复杂的伺服系统，不但大量节省传统伺服阀控制造成的大量能量损失，减少系统发热，还可以节省大量投资，为用户带来实实在在的经济效益和社会效益。

2.本申请的数字液压变量泵可与工程机械等配合，实现负载敏感功能，更可以实现流量和压力双跟随，从而更加节能降耗，为工程机械的性能提升带来实效。

3.本数字液压变量泵可以广泛的应用到各种重型装备、国防军工、工程机械、农业机械等等各种高性能液压系统中，为用户提供了全新的选择，意义十分重大。

附图说明

图1是依据本发明的数字液压变量泵第一实施例的示意图；

图2是图1所示数字液压变量泵的数字伺服阀的示意图；

图3是依据本发明的数字液压变量泵第二实施例的示意图；

图4是依据本发明的数字液压变量泵第三实施例的示意图。

图中：

1变量泵主体，11变量差动缸，12高压油腔，13控制油腔，14回油腔，15运动机构，151斜盘，152变量活塞，2数字伺服阀，21驱动机构，22阀门主体，23反馈机构，231反馈齿轮，232反馈齿条，233反馈杆，234反馈螺母，235滚珠丝杆，236斜盘位置传感器，P高压油口，A控制油口，O回油口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

依据本发明的数字液压变量泵总体包含如图1所示的变量泵主体1、数字伺服阀2和控制单元。变量泵主体1包含变量差动缸11、高压油腔12、控制油腔13、回油腔14和运动机构15。变量差动缸11高压油腔12控制油腔13沿其轴线呈阶梯状，其中变量差动缸11横截面较小的一端连接至高压油腔12，横截面积较大的一端连接至控制油腔13，同时高压油腔12内长期通的高压油的压力大于控制油腔13内长期通的控制油的压力，使得变量差动缸11在正常状态下形成浮动平衡的状态。当高压油腔12和控制油腔13内产生油压差时，二者之间的变量差动缸11发生位移，进而导致运动机构15运动以产生流量输出。例如，在柱塞泵中，变量差动缸11可以推动斜盘151运动以改变柱塞泵的行程，从而带动变量活塞(图1中未示出)移动，实现油泵输出流量的变化。

数字伺服阀2可以包含驱动机构21、阀门主体22和反馈机构23。驱动机构21可以是各种电机，包括但不限于步进电机、伺服电机、超声电机。阀门主体22可以是具有阀体和同轴设置于其内的阀芯的滑阀，驱动机构21可以响应于来自控制单元的指示信号使得阀芯相对于阀体轴向移动以开启阀门主体，反馈机构23则可以响应于变量差动缸的位移使得阀芯沿相反的方向轴向移动以关闭阀门主体。作为选择地，阀门主体22还可以适合具有阀套和设置于其内的阀芯的滑阀，驱动机构21可以响应于来自控制单元的指示信号使得阀芯相对于阀套旋转以开启阀门主体，反馈机构23则可以响应于变量差动缸的位移使得阀芯相对于阀套旋转以关闭阀门主体。反馈机构23可以是通过螺母副连接至阀门主体22的机械反馈机构，包括但不限于齿轮齿条式机械反馈机构、曲柄连杆式机械反馈机构、滚珠丝杆式机械反馈机构或者齿形带或链条等柔性机械反馈机构等。作为选择地，反馈机构23还可以是通信连接至阀门主体22的电反馈机构，包括但不限于增量数字式传感器和绝对位置式传感器。

控制单元用于向驱动机构21发送指示信号以开启阀门主体22。由此，控制单元可以是能够发送指示信号的装置。作为选择地，驱动机构21除了通过控制单元直接控制以外还可通过总线控制、网络控制等方式进行间接控制。指示信号包括但不限于使得驱动机构以不同角速度旋转不同角度的网络、脉冲或模拟量。其中，驱动机构的角速度与变量泵变量的速度相对应，驱动机构旋转的角度与变量泵的输出流量相对应。

上述数字液压变量泵的调节方法，包含以下步骤：

1)变量泵主体1的高压油腔12和控制油腔13分别连通至高压油口P和控制油口A，使得高压油腔12长期通高压油而控制油腔13长期通控制油，变量差动缸11形成浮动平衡；

2)控制单元向数字伺服阀2的驱动机构21发送指示信号，驱动机构21驱动开启阀门主体22，高压油流入控制油腔13，产生油压差推动变量差动缸11位移导致运动机构15运动；

3)反馈机构23响应于运动机构15的位移而关闭阀门主体22，数字伺服阀2返回至初始位置，变量差动缸11在新的位置形成恢复浮动平衡。

具体地，在图1-2所示的实施例中，阀门主体22上设有高压油口P、控制油口A和回油口O。将数字液压变量泵的高压油从高压油腔12(内部已经连通)引出送到数字伺服阀2——以数字伺服滑阀为例——的高压油口P，回油口O则通过内部直接回到数字液压变量泵的回油腔。数字伺服阀2的控制油口A通到推动运动机构15运动的变量差动缸11的控制油腔13。此时变量差动缸11就形成了一个高压油腔12长期通高压油，控制油腔13通控制油的差动缸，形成浮动平衡状态。当数字伺服阀2的驱动机构得到指示信号后，产生一个旋转运动，该旋转运动带动阀门主体22上的阀芯旋转，阀芯头部有螺纹，该螺纹与反馈螺母234中的螺母套相啮合。由于此时螺母套没有运动，于是阀芯在螺旋副的作用下产生一个轴向运动，于是打开阀口，在高压油口P、控制油口A之间形成通路，将高压油送到控制油腔13，控制油腔13接通高压油使变量差动缸11失去平衡产生轴向移动，推动变量斜盘151运动改变柱塞泵的运动行程，从而带动变量活塞152(参见图3)移动，实现油泵输出流量的变化。变量差动缸11在轴向移动的同时，通过由反馈齿轮231、反馈齿条232、反馈杆233和反馈螺母234共同构成的反馈机构23反馈到数字伺服阀2的螺母副，螺母产生一个与阀芯旋转方向相同的运动，从而将阀芯推回原位的关闭状态，让变量差动缸11在新的位置处于重新平衡状态，完成了变量差动缸11对指示信号的一次跟踪。当指示信号连续发送时，变量缸将连续运动，直到指示信号停止发送，变量差动缸11走完指示信号对应的行程后即停止。反之亦然。从而实现了油泵流量输出完全受控于控制装置输出的指示信号指令，控制单元的步进电机、伺服电机或超声电机等不同形式的各种电机的角速度就是变量差动缸11的速度，也即流量变化的速率。控制单元的步进电机、伺服电机或超声电机等不同形式的各种电机的角度就是变量差动缸11的行程，也即流量最终的大小，从而实现了变量泵能够接受控制装置实时发出指示信号命令的精确变量控制。

在图3所示的实施例中，利用通过反馈螺母234安装到变量活塞152上的滚珠丝杆235的反传动直接与数字伺服阀2连接实现上述控制的。

在图4所示的实施例中，使用通信连接至数字伺服阀2的斜盘位置传感器236代替反馈螺母234实现反馈。在该实施例中，数字伺服阀2可以安装到任意地方，将斜盘位置传感器236的电信号送到控制单元，检测变量斜盘151的位置，然后通过数字信号直接控制数字伺服阀2，实现电闭环的变量斜盘151位置任意控制，从而改变流量输出。

本发明的数字液压变量泵是采用控制单元发出的指示信号，直接精确控制变量机构的速度和行程，控制单元的步进电机、伺服电机或超声电机等不同形式的各种电机的角速度与推动变量斜盘油缸的速度相对应，控制单元的步进电机、伺服电机或超声电机等不同形式的各种电机的角度与变量油缸的行程相对应。例如当当电机每次转动0.36度、0.1秒转动1000次时，变量差动缸11就移动20毫米，从而快速而精确控制变量泵的精确流量输出。

以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种数字液压变量泵，其特征在于，包括：变量泵主体、数字伺服阀和控制单元，其中，所述变量泵主体包含变量差动缸、高压油腔、控制油腔、回油腔和运动机构，所述变量差动缸沿轴线呈阶梯状，其中所述变量差动缸横截面积小的一端连接所述高压油腔，横截面积大的一端连接所述控制油腔，所述高压油腔和所述控制油腔内的油压由所述数字伺服阀控制，推动所述变量差动缸产生的位移导致所述运动机构运动，从而产生流量输出的变化；

所述数字伺服阀包含驱动机构、阀门主体和反馈机构，其中所述阀门主体具有连通至所述高压油腔的高压油口P、连通至所述控制油腔的控制油口A和连通至所述回油腔的回油口O；

所述驱动机构响应于来自所述控制单元的指示信号而开启所述阀门主体，所述反馈机构响应于所述运动机构的位移而关闭所述阀门主体而形成闭环控制；

所述反馈机构为电反馈机构或通过螺母副连接至所述阀门主体的机械反馈机构；

所述电反馈机构为增量数字式传感器或绝对位置式传感器，所述机械反馈机构为齿轮齿条式机械反馈机构、曲柄连杆式机械反馈机构、滚珠丝杆式机械反馈机构或者齿形带或链条柔性机械反馈机构；

通过反馈螺母安装到变量差动缸上的滚珠丝杆的反传动直接与数字伺服阀连接实现控制的；

所述运动机构包含斜盘以及由所述斜盘带动产生轴向位移的变量活塞，所述运动机构的变量斜盘运动可改变柱塞泵的运动行程，从而带动变量活塞移动，实现油泵输出流量的变化。

2.根据权利要求1所述的数字液压变量泵，其特征在于，所述驱动机构为通信连接至所述控制单元的电机。

3.根据权利要求2所述的数字液压变量泵，其特征在于，所述电机为步进电机、伺服电机或超声电机。

4.根据权利要求1所述的数字液压变量泵，其特征在于，所述阀门主体为滑阀或转阀。

5.一种权利要求1-4任一项所述的数字液压变量泵的调节方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)变量泵主体的高压油腔和控制油腔分别连通至高压油口P和控制油口A，使得所述高压油腔长期通高压油而所述控制油腔长期通控制油，变量差动缸形成浮动平衡；

2)控制单元向数字伺服阀的驱动机构发送指示信号，所述驱动机构驱动开启所述阀门主体，高压油流入控制油腔，产生油压差推动变量差动缸位移导致运动机构运动；

3)反馈机构响应于所述运动机构的位移而关闭所述阀门主体，所述数字伺服阀返回至初始位置，所述变量差动缸在新的位置形成浮动平衡。

6.根据权利要求5所述的数字液压变量泵的调节方法，其特征在于，所述指示信号为网络、脉冲或模拟量，使得所述驱动机构以不同角速度旋转不同角度。

7.根据权利要求6所述的数字液压变量泵的调节方法，其特征在于，所述驱动机构的所述角速度与所述变量泵变量的速度相对应，所述驱动机构旋转的所述角度与所述变量泵的输出流量相对应。