CN110307206A - 一种低内泄漏抗偏载液压缸系统 - Google Patents

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訚耀保
李长明
原佳阳
王玉
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Abstract

本发明涉及一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，包括缸体、设置在缸体活塞腔内的活塞以及与活塞连接且通过缸体上的活塞杆通道伸出缸体的活塞杆，所述的活塞将活塞腔分为左右两部分，该系统还包括固定在活塞杆通道内且套设在活塞杆外的静压支撑轴承以及与缸体上通油孔连接的油液控制装置。与现有技术相比，本发明具有降低内泄露、有效抗偏载等优点。

Description

一种低内泄漏抗偏载液压缸系统
技术领域
本发明涉及液压缸领域，尤其是涉及一种低内泄漏抗偏载液压缸系统。
背景技术
液压缸作为液压系统的执行元件，其性能好坏直接影响系统的控制精度和响应速度。航空航天等领域所用液压缸要求具备较小的摩擦力和抗偏载能力，以满足重载和偏载要求。液压缸的活塞杆和缸体以及活塞和缸体通常采用密封件进行密封，导致活塞运动时的摩擦阻力增大，液压缸的动态性能降低。同时在实际工况中，液压缸会承受一定的侧向偏载，而侧向偏载会使液压缸密封处摩擦力增大，最终造成低速爬行、泄漏甚至密封失效等问题。因此，设计一种低内泄漏耐偏载的液压缸具有重要的现实意义。
文献《抗偏载液压缸静压支撑特性研究》(訚耀保.流体传动与控制,2016(06):12-18)分析得到某静压支撑抗偏载液压缸的支撑力与供油压力以及活塞偏心量之间呈线性关系以及静压支撑的温度分布于支撑力的关系。文献所提液压缸仅通过静压支撑实现抗偏载，其抗偏载能力不如本发明的静压支撑和顺锥的组合形式。
中国专利“一种抗偏载的静压支撑密封液压缸”(公开号：CN108194453A)设计了一种静压支撑液压缸，其静压支撑油液全部通过导向套卸油孔回油箱，本专利与之相比，将部分支撑油液引入高压腔可以有效的降低内泄露对液压缸运动特性的影响。
中国专利“一种铰接结构抗偏载重载伺服液压缸”(公开号：CN207961141U)设计了一种铰接结构抗偏载液压缸，其采用活塞杆与活塞铰接连接的方式，有效避免活塞与缸筒偏载摩擦，从而提高了液压缸使用寿命，但其不能减小活塞杆与缸体之间摩擦。
的美国专利“Low-friction Seal”(专利号：US 4406463A)采用油液压力将密封环压在活塞杆上，密封环与密封环槽之间有间隙允许活塞杆承受一定的偏载。其抗偏载效果不如本发明中的静压支撑与顺锥结构的组合形式，同时不能解决内泄露问题对液压缸性能的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低内泄漏抗偏载液压缸系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，包括缸体、设置在缸体活塞腔内的活塞以及与活塞连接且通过缸体上的活塞杆通道伸出缸体的活塞杆，所述的活塞将活塞腔分为左右两部分，该系统还包括固定在活塞杆通道内且套设在活塞杆外的静压支撑轴承以及与缸体上通油孔连接的油液控制装置。
所述的缸体上开设4个通油孔，包括驱动活塞杆运动的主进油口、驱动活塞杆运动的主出油口、静压支撑控油口和静压支撑回油口，所述的主进油口与右活塞腔连通，所述的主出油口与左活塞腔连通，所述的静压支撑控油口和主进油口均与外部输油箱连接，所述的静压支撑回油口与外部油箱连通。
所述的油液控制装置包括控制器、设置在主进油口处的流量传感器、设置在静压支撑回油口与外部油箱连通管路上的静压支撑回油节流阀以及设置在活塞杆上的速度传感器，所述的控制器分别与流量传感器、静压支撑回油节流阀和速度传感器连接。
所述的静压支撑轴承呈圆筒形，在内表面沿环向均匀开设4个轴向的槽形成油压平衡子腔，每个油压平衡子腔上设有一个静压支撑阻尼孔使内表面与外表面连通。
所述的油压平衡子腔开设的静压支撑阻尼孔与静压支撑控油口相对设置。
所述的静压支撑轴承的内表面半径大于活塞杆外径。
所述的活塞为双顺锥活塞，该双顺锥活塞为对称双圆锥结构，用以提供更大的抗偏载力。
所述的双顺锥活塞和活塞杆内部设有与外部油箱连通的导油孔。
所述的活塞杆通道处设有用以密封的密封圈。
在活塞杆往复运动过程中，活塞与活塞腔内壁、活塞杆与静压支撑轴承内表面之间形成油膜，利用油膜压力平衡活塞杆的偏载力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、降低内泄露：本发明在普通液压缸活塞杆和缸盖的接触部位加入了静压支撑轴承，并且将活塞改为双顺锥形式，这两处结构上的改动使得两接触部位成为油膜支撑，从而实现了液压缸的低摩擦和低磨损，同时，本发明设计了液压缸的内泄漏补充结构，双顺锥活塞的支撑处的油液泄漏可以通过静压支撑轴承处来补充，静压支撑轴承处的内泄漏补充流量可以通过静压支撑回油孔开度进行调控，从而实现了低泄漏的目标。
二、有效抗偏载：当活塞杆往复运动过程中，活塞与活塞腔内壁、活塞杆与静压支撑轴承内表面之间形成具有油压的油膜，利用油膜压力平衡活塞杆的偏载力，并且通过调节两侧封油长度比和支撑阻尼孔直径使得补充泄露油和防偏载之间达到效果平衡。
附图说明
图1为本发明中低内泄漏耐偏载液压缸系统示意图。
图2为本发明中静压支撑径向图。
图3为本发明中静压支撑轴套。
图4为本发明中静压支撑轴向封油长度对承载力的影响。
图5为本发明中静压支撑轴向封油长度对内泄漏补充流量的影响。
图6为本发明中静压支撑阻尼孔直径对承载力的影响。
图7为本发明中静压支撑阻尼孔直径对内泄漏补充流量的影响。
图8为本发明中净内泄漏流量随时间变化曲线。
图9为本发明中顺锥支撑处承载力随时间变化曲线。
图10为本发明中静压支撑处承载力随时间变化曲线。
图中标记说明：
1、活塞杆，2、速度传感器，3、缸体，4、静压支撑回油节流阀，5、流量传感器，6、控制器，7、双顺锥活塞，8、静压支撑轴承，9、密封圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明旨在现有的静压支撑基础上通过增加活塞的顺锥支撑进一步提高液压缸的抗偏载能力，减小活塞处的摩擦，考虑到左右两活塞腔腔之间的内泄漏问题，本发明通过反馈调节将部分静压支撑油液引入右活塞腔内补充泄漏油液从而有效地减少内泄漏。
如图1所示，本发明提供一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，包括活塞杆1、速度传感器2、液压缸缸体3，静压支撑回油节流阀4、流量传感器5、PID控制器6、双顺锥活塞7、静压支撑轴承8、密封圈9。其中，速度传感器2和流量传感器5测得信号输入PID控制器6，控制器6输出信号调节回油节流阀开度4从而补充内泄漏，具体为：
当流量传感器5测得流量如果和根据速度传感器2测得速度计算出的流量不一致时，则判定发生了内泄露，并能够得到泄漏量，控制器6根据泄漏量调节回油节流阀开度4的阀口开度进而补充油液，补充油液流量的大小通过静压支撑回油节流阀4调控，节流阀口越小，静压支撑外侧油液压力越高，流向内测的补充油液流量就越大。
如图2所示，本例中液压缸的静压支撑轴承8采用无回油槽的结构，周向均匀分布着四个油腔，在活塞杆1不受径向力时，活塞杆1断面与静压支撑轴承8断面同心，这四个油腔中的油液压力相等，当活塞杆受到径向力(偏载)时，由于油腔周围的液阻发生变化，四个油腔的压力出现差异，产生克服外加偏载的支撑力。
如图3所示，通过流量连续性方程、节流方程和剪切流量方程可求得i腔油液压力Pri和相邻油腔压力的关系式。对四个油腔分别罗列并求解上述方程，得到任意活塞杆状态下四个油腔的油液压力。静压支撑处的总承载力可由如下公式计算得到：
其中，Pri为油腔i的油液压力，Ae为i腔的承压面积，为油腔i中心线与载荷方向的夹角。
如图4，5所示，改变两侧封油长度比例k＝a0/a1，得到静压支撑结构承载力曲线和内泄漏补充流量曲线。可见，a0/a1越大，则静压支撑的承载能力就越强；但其对内泄漏的补充能力随之下降，内泄漏补充流量直接影响了液压缸的净内泄漏量，这里内泄漏流量并不是越高越好，但应当与顺锥支撑处的泄漏量相匹配。
如图6，7所示，改变静压支撑阻尼孔直径，得到静压支撑结构承载力曲线和内泄漏补充流量曲线。可见，阻尼孔直径越小油膜承载能力越强，但其对内泄漏的补充能力随之下降。同理应考虑与顺锥支撑处的泄漏量相匹配。
如图8所示，得到P口流量恒定为144L/min，活塞杆位移从1600mm运动到600mm过程的净内泄漏流量随时间变化曲线，净内泄漏量的峰值出现在启动过程中，由径向负载施加时引起油膜状态变化引起，在相关部件的调节下很快趋于零，并在之后的运动过程中保持在零状态，没有出现持续振荡等不稳定的情况。
如图9，10所示，得到P口流量恒定为144L/min，活塞杆位移从1600mm运动到600mm过程的顺锥支撑和静压支撑处的承载力随时间变化曲线，随着受力点相对位置的改变，两处油膜支撑的承载力也在相应的改变，以平衡活塞杆的受力。随着活塞杆伸出量的减小，顺锥支撑和静压支撑处的承载力和偏心距也在同步减小；油膜承载工况逐渐好转。
本发明提供一种带有静压支撑及顺锥支撑并通过反馈调节减小内泄漏量的抗偏载液压缸系统，并分析了在相关参数下液压缸的工作特性。属于本发明所引申出的变动或者变化均应纳入本发明的权利要求范围。

Claims (10)

1.一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，包括缸体(3)、设置在缸体(3)活塞腔内的活塞以及与活塞连接且通过缸体(3)上的活塞杆通道伸出缸体(3)的活塞杆(1)，所述的活塞将活塞腔分为左右两部分，其特征在于，该系统还包括固定在活塞杆通道内且套设在活塞杆(1)外的静压支撑轴承(8)以及与缸体(3)上通油孔连接的油液控制装置。
2.根据权利要求1所述的一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，其特征在于，所述的缸体(3)上开设4个通油孔，包括驱动活塞杆运动的主进油口(P)、驱动活塞杆运动的主出油口(O)、静压支撑控油口(A)和静压支撑回油口(B)，所述的主进油口(P)与右活塞腔连通，所述的主出油口(O)与左活塞腔连通，所述的静压支撑控油口(A)和主进油口(P)均与外部输油箱连接，所述的静压支撑回油口(B)与外部油箱连通。
3.根据权利要求2所述的一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，其特征在于，所述的油液控制装置包括控制器(6)、设置在主进油口(P)处的流量传感器(5)、设置在静压支撑回油口(B)与外部油箱连通管路上的静压支撑回油节流阀(4)以及设置在活塞杆(1)上的速度传感器(2)，所述的控制器(6)分别与流量传感器(5)、静压支撑回油节流阀(4)和速度传感器(2)连接。
4.根据权利要求1所述的一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，其特征在于，所述的静压支撑轴承(8)呈圆筒形，在内表面沿环向均匀开设4个轴向的槽形成油压平衡子腔，每个油压平衡子腔上设有一个静压支撑阻尼孔使内表面与外表面连通。
5.根据权利要求4所述的一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，其特征在于，所述的油压平衡子腔开设的静压支撑阻尼孔与静压支撑控油口(A)相对设置。
6.根据权利要求4所述的一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，其特征在于，所述的静压支撑轴承(8)的内表面半径大于活塞杆(1)外径。
7.根据权利要求1所述的一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，其特征在于，所述的活塞为双顺锥活塞(7)，该双顺锥活塞(7)为对称双圆锥结构。
8.根据权利要求7所述的一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，其特征在于，所述的双顺锥活塞(7)和活塞杆(1)内部设有与外部油箱连通的导油孔。
9.根据权利要求1所述的一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，其特征在于，所述的活塞杆通道处设有用以密封的密封圈(9)。
10.根据权利要求1所述的一种低内泄漏抗偏载液压缸系统，其特征在于，在活塞杆(1)往复运动过程中，活塞与活塞腔内壁、活塞杆(1)与静压支撑轴承(8)内表面之间形成油膜，利用油膜压力平衡活塞杆的偏载力。
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