CN110594233B - 用于较高频响要求且安装空间受限的液压系统液压缸结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于较高频响要求且安装空间受限的液压系统液压缸结构。采用液压缸与阀块集成方式，将液压缸的缸筒与阀块一体化，可消除液压缸与阀块的连接、定位和端面配合问题，并能灵活选配确定性能的伺服阀。采用直线轴承与活塞杆之间以滚动副形式接触。本发明可消除活塞杆与轴承之间的滑动摩擦力，降低液压缸的启动压力，从而提高液压系统运动频率，能满足相对于传统接触型支承方式更高的频响要求，液压缸与阀块集成，减小了液压缸体积，使得液压缸适用于空间受限的场合，相对于液压缸与伺服阀集成，伺服阀性能可选，实现了成本与性能兼顾。

Description

用于较高频响要求且安装空间受限的液压系统液压缸结构

技术领域

本发明涉及一种液压缸，尤其是涉及一种用于有较高频响要求且安装空间受限的液压系统中的液压缸。

背景技术

液压缸是一种将液体压力能转换为活塞杆直线运动的装置，是液压系统中的重要执行元件。液压系统具有功率密度大的特点，常用于负载力大的场合，但它的运动频率较低，往往不能满足一些较高频率要求(如大于200～300Hz)的工作场合。液压缸响应频率和伺服阀响应频率是限制液压系统频率提升的两个重要因素。

影响液压缸响应频率的因素有液压缸的固有频率、启动压力和内外泄漏等。其中，启动压力越大，液压缸响应频率越低。液压缸启动压力大小与摩擦力大小密切相关，液压缸摩擦力越小，启动压力越小。液压缸摩擦力产生的主要原因是活塞和活塞杆的导向与支承。

现有液压缸支承方式分为接触型支承和非接触型支承。接触型支承中，导向环与活塞杆以移动副方式相对运动，活塞杆与导向环作相对滑动，存在滑动摩擦，产生的摩擦力较大。非接触型支承一般是静压支承。采用静压支承方式几乎可以完全消除滑动摩擦力，但是需要设计独立的供油油路，增加了系统的复杂性，并且占据一定的外部空间，不适合用于安装空间受限的工作场合。

采用滚动摩擦支承的方式可以有效减小液压缸的支承摩擦力，避免外接油路设计，以适应空间限制要求。现有的授权公告号为CN102175387A的中国发明专利中提到了一种滚动摩擦液压缸，并将其用于液压式力标准机，降低了系统启动压力。但是此专利中只是提到滚动摩擦液压缸，并未指出这种液压缸的实现方法。图4是此专利中滚动摩擦液压缸的部分附图，值得注意的是，轴承部分不能简单的将导向环替换成滚珠，可以证明这样替换最终仍然是滑动摩擦起作用。

一般液压缸通过阀块与伺服阀连接，阀块与液压缸通过螺栓连接，这增大了液压缸的尺寸。为了减小液压系统体积，现阶段常用的方法是使用缸阀集成元件。授权公告号为CN108708885A的中国发明专利采用与“缸阀”集成的逆向思维，公开了一种阀缸集成元件，能够较好地适应集成化和通用化要求，系统体积较小。但缸阀集成或者阀缸集成都增加了元件制造难度，并且都不能与当前最好地阀(或缸)相结合以实现阀和缸最优组合。

发明内容

针对背景技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种采用直线轴承的液压缸，可在一定程度上提高液压系统的响应频率，并同时减小液压系统执行元件体积，具有一定的集成度，能灵活与当前各种性能水平的伺服阀组合，实现液压系统性能和成本最优组合。

为了达到上述目的，本发明具体技术方案是：

本发明包括活塞块、活塞杆、轴承套筒、端盖、缸筒；缸筒的两端均安装有环形的端盖，缸筒和端盖之间通过第一密封圈密封，活塞块的两端同轴固接活塞杆，活塞块装在缸筒中，活塞杆装在端盖中，活塞块和活塞杆形成活塞体在缸筒和端盖之间形成的内腔中轴向移动，缸筒内腔充满油液；活塞杆和端盖之间套装有轴承套筒，轴承套筒和端盖之间通过第二密封圈密封，轴承套筒的内周面从外端到内端依次安装有防尘圈、斯特封和直线轴承，轴承套筒和活塞杆之间通过防尘圈和斯特封密封防尘连接，轴承套筒和活塞杆之间通过直线轴承形成直线滚动连接；直线轴承为带有安装在循环闭环滚道内滚珠的直线轴承，且靠近内腔的一端和内腔相通；活塞块一端的活塞杆作为液压缸的输出端，活塞块另一端的活塞杆的端面开设有中心盲孔，位移传感器内端部的螺纹段旋入安装到中心盲孔底面开设的螺纹孔中并通过螺母定位拧紧，位移传感器的外端部通过位移传感器支架固定连接于另一端的活塞杆中心盲孔的孔端面，加速度传感器通过端部的双头螺柱旋入安装到另一端的活塞杆中心盲孔的孔端面上侧；缸筒一侧径向凸出于端盖形成阀部，阀部的轴向两侧面开设有进油口和出油口，阀部的径向外表面开设有四个缸孔，四个缸孔分别为P孔、T孔、A孔和B孔，在于阀部径向对应的缸筒内表面开设有两个内腔油口，内腔油口连通到缸筒和端盖之间形成的内腔中，且两个内腔油口分别位于内腔轴向的两端，P孔和进油口之间经缸筒的内部管道连通，进油口连接于高压油源，T孔和出油口之间经缸筒的内部管道连通，出油口通过管道连接于油箱(低压油源)，A孔、B孔经缸筒的内部管道分别和缸筒的两个内腔油口连通，阀部的径向外表面安装有伺服阀，伺服阀设有P口、T口、A口和B口的四个阀口，P口、T口、A口和B口分别和缸筒阀部缸孔的P孔、T孔、A孔和B孔对接连通，通过伺服阀的阀口控制调整活塞块两端内腔的油液压力，带动活塞块轴向移动，实现液压缸输出运动。

所述的端盖通过第二螺栓、第二垫圈固定安装到缸筒的端部。

所述的轴承套筒设有外凸缘，外凸缘通过第一螺栓、第一垫圈固定安装到端盖的外端面，使得轴承套筒和端盖固接。

所述的活塞块和活塞杆一体成型。

所述的位移传感器夹板将位移传感器的外端部夹紧安装到位移传感器支架上，位移传感器支架两端通过第三螺栓固接到位移传感器夹板，位移传感器支架中部和位移传感器夹板之间夹紧有位移传感器的外端部。

所述的位移传感器检测活塞体的轴向位移，加速度传感器检测活塞体的轴向加速度。

本发明采用液压缸与阀块集成方式，将液压缸的缸筒(如图1所示的缸筒12周围的虚线之外)与阀块(如图1所示的缸筒12周围的虚线内部区域)一体化，可消除液压缸与阀块的连接、定位和端面配合问题，简化装配，并能灵活选配确定性能的伺服阀。采用直线轴承与活塞杆之间以滚动副形式接触，以消除活塞杆与轴承之间的滑动摩擦力，降低液压缸的启动压力，避免外接油路设计，在提高液压系统运动频率同时减小设备所占用的空间。

本发明的有益效果是：

本发明提出了滚动摩擦形式的支承方式的具体结构。采用直线轴承与活塞杆之间以滚动副形式接触，可消除活塞杆与轴承之间的滑动摩擦力，降低液压缸的启动压力，避免了外接油路设计，从而提高液压系统运动频率，减小设备所占用的空间。

本发明采用缸筒与阀块集成的方式，避免了液压缸与阀块的安装设计，从而减小了液压缸体积，使得液压缸适用于空间受限的场合，与此同时，可选用合适的伺服阀与液压缸组合以实现成本与性能兼顾。

本发明能满足相对于传统接触型支承方式更高的频响要求，具有一定的集成度，能灵活与当前各种性能水平的伺服阀组合，使得液压系统性能和成本最优组合。

附图说明

图1是本发明结构主视图。

图2是本发明结构俯视图。

图3是本发明结构右视图。

图4是现有液压缸的结构图。

图5是直线轴承安装局部视图。

图6是直线轴承三维结构示意简图。

图中：活塞块1.1、活塞杆1.2、防尘圈2、斯特封3、第一螺栓4、第一垫圈5、第二螺栓6、第二垫圈7、轴承套筒8、直线轴承9、端盖10、球涨式堵头11、缸筒12、第一密封圈13、第二密封圈14、双头螺柱15、加速度传感器16、第三螺栓17、第三垫圈18、位移传感器支架19、位移传感器夹板20、位移传感器21、螺母22、缓冲套筒23、进油口24、出油口25。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明具体实施包括活塞块1.1、活塞杆1.2、轴承套筒8、端盖10、缸筒12；缸筒12的两端均安装有环形的端盖10，端盖10通过第二螺栓6、第二垫圈7固定安装到缸筒12的端部，缸筒12和端盖10之间有第一密封圈13且通过第一密封圈13密封，活塞块1.1的两端同轴固接活塞杆1.2，活塞块1.1装在缸筒12中，活塞1.1与缸筒12之间动密封采用间隙密封，活塞1.1上开有均压槽。活塞杆1.2装在端盖10中，活塞块1.1和活塞杆1.2形成活塞体在缸筒12和端盖10之间形成的内腔中轴向移动，缸筒12内腔充满油液。

如图5所示，活塞杆1.2和端盖10之间套装有轴承套筒8，端盖10与轴承套筒8通过直孔过盈配合，直线轴承9外圈与轴承套筒8内孔过盈配合。轴承套筒8通过第一螺栓4、第一垫圈5固定安装到端盖10，轴承套筒8和端盖10之间有第二密封圈14且通过第二密封圈14密封，轴承套筒8的内周面从外端到内端依次安装有防尘圈2、斯特封3和直线轴承9，斯特封3处于防尘圈2和直线轴承9之间，防尘圈2、斯特封3和直线轴承9均通过轴承套筒8内周面各自开设的环槽进行安装，轴承套筒8和活塞杆1.2之间通过防尘圈2和斯特封3密封防尘连接，活塞杆1.2与轴承套筒8间动密封采用斯特封3。轴承套筒8和活塞杆1.2之间通过直线轴承9形成直线滚动连接导向；直线轴承9为带有安装在循环闭环滚道内滚珠的直线轴承，且靠近内腔的一端和内腔相通。

轴承套筒8设有外凸缘，外凸缘通过第一螺栓4、第一垫圈5固定安装到端盖10的外端面，使得轴承套筒8和端盖10固接，使得直线轴承9与端盖10外侧孔肩配合。

本发明以直线轴承9作为液压缸活塞杆1.2的支承元件，与活塞杆1.2以滚动副形式接触传动，而不是如现有技术中虽然采用滚珠但依然存在滑动副形式接触传动。图6是直线轴承三维结构示意简图，图中共4列滚珠，滚珠之间通过柔性保持架(未画出)保持一定距离，单列滚珠可在轨道中连续周期性运动，每列滚珠处于位置时的与轴以滚动摩擦形式接触，并可承受一个方向径向力，处于位置2的滚珠不受压力，其运动方式类似于滚动轴承，能保证滚珠一直以滚动副形式接触传动。同时直线轴承9与液压缸容腔相通，能直接通过工作中的液压油实现润滑，不需要外加润滑装置。

具体实施中，端盖10内端设有的环形凸台延伸到缸筒12内部，活塞块1.1两端和活塞杆1.2之间设有轴肩，轴肩会配合轴向活动于环形凸台的内孔中，轴肩外安装缓冲套筒23，缓冲套筒23用于轴向移动时的缓冲。

活塞块1.1一端的活塞杆1.2作为液压缸的输出端，活塞块1.1另一端的活塞杆1.2的端面开设有中心盲孔，位移传感器21的内端部为螺纹段，位移传感器21内端部的螺纹段旋入安装到中心盲孔底面开设的螺纹孔中并通过螺母22定位拧紧，从而实现位移传感器21的安装固定，位移传感器21的外端部通过位移传感器支架19固定连接于另一端的活塞杆1.2中心盲孔的孔端面，加速度传感器16通过自身端部的双头螺柱15旋入安装到另一端的活塞杆1.2中心盲孔的孔端面上侧。

活塞块1.1和活塞杆1.2一体成型。活塞1.1与活塞杆1.2采用一体化结构，简化安装并降低安装误差。活塞杆1.2一侧留有螺纹，可与外部零件连接，另一侧安装有位移传感器21和加速度传感器16，实现位移和加速度反馈。

位移传感器夹板20将位移传感器21的外端部夹紧安装到位移传感器支架19上，位移传感器支架19两端通过第三螺栓17和第三垫圈18固接到位移传感器夹板20，位移传感器支架19中部和位移传感器夹板20之间夹紧有位移传感器21的外端部。

具体实施中，位移传感器21检测活塞体的轴向位移，加速度传感器16检测活塞体的轴向加速度；位移传感器21和加速度传感器16将检测获得的数据信号发送到伺服控制器，进行实时状态反馈，从而能够获得精确的加速度和位移信息；活塞杆运动状态信息越精确，越有利于伺服控制器的性能提高，从而提高伺服系统的响应准确性。

如图1～图3所示，缸筒12一侧径向凸出于端盖10形成阀部，阀部的轴向两侧面开设有进油口24和出油口25，阀部的径向外表面开设有四个缸孔，四个缸孔分别为P孔、T孔、A孔和B孔，具体实施中，四个缸孔在表面沿圆周间隔均布，A孔和B孔对称布置于一个方向的两侧，P孔和T孔对称布置于另一个方向的两侧；在于阀部径向对应的缸筒12内表面开设有两个内腔油口，内腔油口连通到缸筒12和端盖10之间形成的内腔中，且两个内腔油口分别位于内腔轴向的两端，活塞块1.1处于两个内腔油口之间，具体实施中，端盖10开设通油口，缸筒12开设的内腔油口经端盖10的通油口连通到内腔中。P孔和进油口24之间经缸筒12的内部管道连通，进油口24连接于高压油源，T孔和出油口25之间经缸筒12的内部管道连通，出油口25连接于低压油源，A孔、B孔经缸筒12的内部管道分别和缸筒12的两个内腔油口连通，阀部的径向外表面安装有伺服阀，伺服阀设有P口、T口、A口和B口的四个阀口，P口、T口、A口和B口分别和缸筒12阀部缸孔的P孔、T孔、A孔和B孔对接连通，通过伺服阀的阀口控制调整活塞块1.1两端内腔的油液压力，带动活塞块1.1轴向移动，实现液压缸输出运动。

缸筒12上开设有用于将缸孔与各自的内腔油口、进出油口连通的内部管道，在内部管道加工钻孔后留下的端口处安装球涨式堵头11以进行密封。

图1～图3中，P、T、A、B是缸筒与伺服阀的缸孔，图2中C是阀部的连接螺栓孔。

油液流动过程如下：当伺服阀中，P口和A口连通，T口和B口连通。这样情况下，高压油从进油口24进入阀部，依次经阀部的P孔和伺服阀的P口后进入伺服阀，再依次经伺服阀的A口和阀部的A孔后进入活塞块1.1一侧的内腔，推动活塞块1.1轴向向一单侧移动；同时活塞块1.1另一侧的内腔的油液经依次经阀部的B孔和伺服阀的B口后进入伺服阀，再依次经伺服阀的T口和阀部的T孔后从出油口25回油到低压邮箱。上述过程反之，伺服阀中，P口和B口连通，T口和A口连通，使得推动活塞块1.1轴向向另一单侧移动。

Claims (6)

1.一种用于液压系统液压缸的提高频响且满足受限安装空间的方法，其特征在于：

方法在液压系统液压缸结构中的活塞杆(1.2)和端盖(10)之间设置直线轴承(9)，以此提高频响且满足安装空间，按照方法具体设置以下结构：包括活塞块(1.1)、活塞杆(1.2)、轴承套筒(8)、端盖(10)、缸筒(12)；

缸筒(12)的两端均安装有环形的端盖(10)，缸筒(12)和端盖(10)之间通过第一密封圈(13)密封，活塞块(1.1)的两端同轴固接活塞杆(1.2)，活塞块(1.1)装在缸筒(12)中，活塞杆(1.2)装在端盖(10)中，活塞块(1.1)和活塞杆(1.2)形成活塞体在缸筒(12)和端盖(10)之间形成的内腔中轴向移动，活塞块(1.1)与缸筒(12)之间动密封采用间隙密封，活塞块(1.1)上开有均压槽，缸筒(12)内腔充满油液；

活塞杆(1.2)和端盖(10)之间套装有轴承套筒(8)，轴承套筒(8)和端盖(10)之间通过第二密封圈(14)密封，轴承套筒(8)的内周面从外端到内端依次安装有防尘圈(2)、斯特封(3)和直线轴承(9)，轴承套筒(8)和活塞杆(1.2)之间通过防尘圈(2)和斯特封(3)密封防尘连接，轴承套筒(8)和活塞杆(1.2)之间通过直线轴承(9)形成直线滚动连接；直线轴承(9)为带有安装在循环闭环滚道内滚珠的直线轴承，且靠近内腔的一端和内腔相通；活塞块(1.1)一端的活塞杆(1.2)作为液压缸的输出端，活塞块(1.1)另一端的活塞杆(1.2)的端面开设有中心盲孔，位移传感器(21)内端部的螺纹段旋入安装到中心盲孔底面开设的螺纹孔中并通过螺母(22)定位拧紧，位移传感器(21)的外端部通过位移传感器支架(19)固定连接于另一端的活塞杆(1.2)中心盲孔的孔端面，加速度传感器(16)通过端部的双头螺柱(15)旋入安装到另一端的活塞杆(1.2)中心盲孔的孔端面上侧；

缸筒(12)一侧径向凸出于端盖(10)形成阀部，阀部的轴向两侧面开设有进油口(24)和出油口(25)，阀部的径向外表面开设有四个缸孔，四个缸孔分别为P孔、T孔、A孔和B孔，在于阀部径向对应的缸筒(12)内表面开设有两个内腔油口，内腔油口连通到缸筒(12)和端盖(10)之间形成的内腔中，且两个内腔油口分别位于内腔轴向的两端，P孔和进油口(24)之间经缸筒(12)的内部管道连通，进油口(24)连接于高压油源，T孔和出油口(25)之间经缸筒(12)的内部管道连通，出油口(25)通过管道连接于油箱，

A孔、B孔经缸筒(12)的内部管道分别和缸筒(12)的两个内腔油口连通，阀部的径向外表面安装有伺服阀，伺服阀设有P口、T口、A口和B口的四个阀口，P口、T口、A口和B口分别和缸筒(12)阀部缸孔的P孔、T孔、A孔和B孔对接连通，通过伺服阀的阀口控制调整活塞块(1.1)两端内腔的油液压力，带动活塞块(1.1)轴向移动，实现液压缸输出运动。

2.根据权利要求1所述的一种用于液压系统液压缸的提高频响且满足受限安装空间的方法，其特征在于：所述的端盖(10)通过第二螺栓(6)、第二垫圈(7)固定安装到缸筒(12)的端部。

3.根据权利要求1所述的一种用于液压系统液压缸的提高频响且满足受限安装空间的方法，其特征在于：所述的轴承套筒(8)设有外凸缘，外凸缘通过第一螺栓(4)、第一垫圈(5)固定安装到端盖(10)的外端面，使得轴承套筒(8)和端盖(10)固接。

4.根据权利要求1所述的一种用于液压系统液压缸的提高频响且满足受限安装空间的方法，其特征在于：所述的活塞块(1.1)和活塞杆(1.2)一体成型。

5.根据权利要求1所述的一种用于液压系统液压缸的提高频响且满足受限安装空间的方法，其特征在于：通过位移传感器夹板(20)将位移传感器(21)的外端部夹紧安装到位移传感器支架(19)上，位移传感器支架(19)两端通过第三螺栓(17)固接到位移传感器夹板(20)，位移传感器支架(19)中部和位移传感器夹板(20)之间夹紧有位移传感器(21)的外端部。

6.根据权利要求1所述的一种用于液压系统液压缸的提高频响且满足受限安装空间的方法，其特征在于：所述的位移传感器(21)检测活塞体的轴向位移，加速度传感器(16)检测活塞体的轴向加速度。

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