CN111022388A - 一种数字开关式惯性液压转换器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字开关式惯性液压转换器及其工作方法；数字开关式惯性液压转换器包括蓄能器、液感器端盖、阀体、单作用液压缸、先导式高速开关阀、两位三通高速开关阀、旋转配流阀、联轴器、驱动电机，通过驱动电机带动旋转配流阀、离心增压盘、配流盘等部件，实现高低压油液的隔离增压功能；通过两个先导式高速开关阀独立切换控制，实现高低压油液的通断功能；通过螺旋液感管与外套管的过盈配合形成螺旋式紧凑型液感管路，用以实现高压油液在其内部的加速流动以及低压油液受迫吸入的功能；该形式的液压转换器将大幅度提升液压工作效率，其适应性好、可靠性高，有望替代能耗较大、抗污染能力较差的电液比例液压控制系统。

Description

一种数字开关式惯性液压转换器及其工作方法

技术领域

本发明属于流体传动与控制技术领域，涉及一种数字开关式惯性液压转换器及其工作方法。

背景技术

流体传动与控制技术距今已发展了70余年，被广泛应用于航空航天、舰艇船舶、火炮导弹等重要军事装备领域。随着国家节能减排的政策引导，高效电传动已逐步替代小功率范畴的流体传动与控制技术，但在较高功率，流体传动与控制技术因具有较高功率密度比，仍是难以替代，因此，致力于流体传动与控制技术的效率提升成为亟待解决的问题。以节流损耗为代价的传统液压元件及系统平均工作效率低于40％，能源浪费极为严重。因此，迫切需要一种高能效的液压控制元件及系统可以有效改善流体传动与控制技术当前面临的功率损失较大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字开关式惯性液压转换器及其工作方法，以解决流体传动与控制技术当前面临的功率损失较大的问题。

为达到上述目的，本发明提供的数字开关式惯性液压转换器采用如下技术方案：

一种数字开关式惯性液压转换器，包括：液感器、高压侧先导式高速开关阀、低压侧先导式高速开关阀、旋转配流器、负载液压缸；

所述旋转配流器包括阀体、位于阀体内的旋转配流阀、与旋转配流阀一端连接的离心增压盘、与旋转配流阀另一端连接并驱动旋转配流阀转动的驱动电机、配流盘；离心增压盘位于旋转配流阀与配流盘之间，阀体上设有与高压侧先导式高速开关阀出油口连接的高压进油道、与低压侧先导式高速开关阀出油口连接的低压进油道；所述旋转配流阀具有与配流盘连通的中空流道、围绕中空流道且与离心增压盘连通的低压阀腔、用以与高压进油道及中空流道连通的高压中间流道、用以与低压进油道及阀腔连通的低压阀口；高压中间流道与低压阀口的延伸方向之间形成夹角，当高压中间流道与高压进油道及中空流道连通时，低压进油道与低压阀口错开而不连通，驱动电机驱动旋转配流阀转动一个角度而使低压阀口与低压进油道及阀腔连通时，高压中间流道与高压进油道错开而不连通；

所述液感器包括液感器壳体、位于液感器壳体内的外套管、位于外套管内的螺旋液感管、位于外套管上方并与螺旋液感管连通的蓄能器；所述液感器壳体上具有液感器进口并与配流盘出口连通，外套管中部设有油孔外套管作为外套管进油口，外套管与液感器壳体形成的缝隙为进油储存区；螺旋液感管上侧具有螺旋液感管出口；外套管与螺旋液感管之间形成螺旋槽，螺旋槽下端与外套管进油口连通而上端与螺旋液感管的上侧出口，螺旋槽用以加速流体最后经螺旋液感管的上侧出口流出，外套管与液感器壳体均有与螺旋液感管出口对应连通的油液出口，该油液出口连接负载液压缸。

进一步的，所述离心增压盘上设有若干斜孔，所述低压阀腔通过该斜孔与配流盘连通。

进一步的，所述高压侧先导式高速开关阀与低压侧先导式高速开关阀结构相同，均包括：密封端盖、隔振盘、外端盖、主级阀体、锥阀芯、先导级阀体、两位三通高速开关阀，外端盖固定在主级阀体上；主级阀体上设置有第一进油口、出油口以及压力油口；进油口与出油口靠锥阀芯实现通断，压力油口用以引入两位三通高速开关阀控制油口压力；先导级阀体上设有三油口，下侧为第二进油口，中间为控制油口，上侧为回油口，进油口与供油压力连通，控制油口与主级阀体的压力腔连通，回油口与油箱连通。

进一步的，旋转配流器中，高低压油液的连通相差90°相位以实现高低压的交错供油，低压离心增压后供至配流盘处，高压直接供至配流盘处；离心增压盘与旋转配流阀通过锥螺纹密封连接，离心增压盘与配流盘通过均布的螺钉紧固；设置联轴器将旋转配流阀与给予动力源的驱动电机连接；旋转配流阀上设置有均压槽以平衡工作过程中存在的径向液压力；设置右滚珠轴承与左滚珠轴承支撑旋转配流阀旋转；设置单向阀阀座与单向阀阀芯组成单向阀用以防止低压侧工作时油液回流。

进一步的，液感器采用多级内螺旋槽嵌套的形式安装。

本发明提供的数字开关式惯性液压转换器的工作方法可采用以下技术方案：

高压供油过程：驱动电机驱动旋转配流阀旋转，旋转配流阀带动离心增压盘以及配流盘一起旋转，此时高压侧先导式高速开关阀的两位三通高速开关阀切换，由出油口出来的高压油液经旋转配流阀的高压中间流道流入中空流道，然后流至配流盘处，配流盘与液感器连接，高压油液在液感器的螺旋槽内持续加速流动，然后经出口流出，供给液压缸无杆腔，此时液压缸有杆腔与高压油液连通，当高压侧先导式高速开关阀形成的流量增益在液压缸无杆腔压力建立起来，活塞杆伸出，驱动负载动作；

低压吸油过程：高压油路断开，驱动电机与旋转配流器的各部件均在旋转当中，低压侧先导式高速开关阀的两位三通高速开关阀切换，低压油路连通，低压油液经低压阀口流入旋转配流阀的低压阀腔内，再通过离心增压盘流入配流盘，然后被吸入螺旋液感管用以推动液压缸继续动作。

本发明可以取得如下有益效果：

1.液感器采用多级内螺旋槽嵌套的形式安装，使得液感元件(通常为细长管路)的结构极为紧凑，有利于配套安装；并且可以通过螺旋布置形式有效减少其流动液阻。

2.先导式高速开关阀由两位三通高速开关阀作为先导级，大通径的锥阀作为主级，通过先导式高速开关阀的压力控制，实现主级锥阀的快速启闭，从而输出大流量。

3.旋转配流器将旋转配流阀与增压离心盘有效融合，实现低压侧吸油能力显著提升，并且通过旋转配流阀的中空流道设计，实现无须增压的高压侧的油液流动路径缩短，提高系统响应与能效，避免低压侧因吸油不足而产生的空化问题。

4.系统层面，高低压油液采用两先导式高速开关阀独立控制，避免受单一控制阀频响与结构制约，从而保证数字开关式惯性液压转换器始终工作在压力模式。

附图说明

图1是本发明数字开关式惯性液压转换器的结构剖视结构示意图。

图2本发明数字开关式惯性液压转换器的俯视图。

图3是本发明数字开关式惯性液压转换器中液感器破欧式结构示意图；

图4是本发明数字开关式惯性液压转换器中高速开关阀剖视结构示意图；

图5是本发明数字开关式惯性液压转换器中旋转配流器剖视结构示意图，并展示了高压中间流道与高压进油道及中空流道连通时的状态。

图6是本发明数字开关式惯性液压转换器中旋转配流器剖视结构示意图，并展示了低压阀口与低压进油道及阀腔连通时的状态。

具体实施方式

为了更加直观清楚的表述本发明实例中的结构原理和工作方法，下面将结合相关的附图对所实施例进行介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

请结合图1及图2所示，本发明包括液感器、先导式高速开关阀5、旋转配流器、负载液压缸。先导式高速开关阀5包括高压侧先导式高速开关阀5.1、低压侧先导式高速开关阀5.2。

请结合图3所示，液感器包括蓄能器1、液感器端盖2、液感器壳体24、螺旋液感管25、外套管26。外套管26位于液感器壳体24内。螺旋液感管25位于外套管26内。蓄能器1位于外套管26上方并与螺旋液感管25连通。蓄能器1旁接于液感器出口，用以消除其出口处油液的压力脉动。螺旋液感管25与外套管26为过盈配合，无须螺钉固定。外套管26液感器壳体24为多段配合，依靠液感器端盖2轴向固定；这是为了保证螺旋液感管外壁上的螺旋槽与外套管的配合形成圆形通流截面进而实现油液在其内部加速流动。外套管26中部的油孔为液感器进油口，外套管26与液感器壳体24形成的缝隙为进油储存区24.1。外套管26与螺旋液感管25之间形成螺旋槽25.1，螺旋槽25.1下端与外套管进油口连通而上端与螺旋液感管的上侧出口连通。螺旋槽25.1用以加速流体，最后经螺旋液感管25的上侧出口流出。外套管26与液感器壳体24均有与螺旋液感管25上端对应的油液出口，该油液出口连接负载液压缸4。液感器的原理即为实现油液在集成式的长管内加速流动，利用油液惯性效应。

请结合图2及图4所示，所述高压侧先导式高速开关阀5.1与低压侧先导式高速开关阀5.2安装于旋转配流器的阀体3上。高压侧先导式高速开关阀5.1与低压侧先导式高速开关阀5.2结构相同，均包括密封端盖30、隔振盘31、外端盖32、主级阀体33、锥阀芯34、先导级阀体35、两位三通高速开关阀7。隔振盘31上设置有通孔，用以消除主级高频启闭过程中引起压力冲击。外端盖30靠6个均布的螺钉固定在主级阀体33上，其内部包含一个O型密封圈用以防止油液泄漏。主级阀体上设置有第一进油口33.2、出油口33.3以及压力油口33.1。进油口33.2与出油口33.3靠锥阀芯34实现通断。压力油口33.1用以引入两位三通高速开关阀控制油口35.3压力。先导级阀体35上设有三油口，下侧为进油口35.2，中间为控制油口35.3，上侧为回油口35.1。进油口35.2与供油压力连通，控制油口35.3与主级阀体33的压力腔连通，回油口35.1与油箱连通。先导式高速开关阀的工作原理为：当两位三通高速开关阀驱动线圈失电时，两位三通高速开关阀的进油口35.2与控制油口35.3连通，高压油液自控制油口35.3进入锥阀芯34上侧容腔，此时锥阀芯34紧紧压在主级阀体33的阀座上，主级阀体33阀口关闭，高压油液并不连通。当两位三通高速开关阀7驱动线圈带电后，两位三通高速开关阀7切换，控制油口35.3与回油口35.1连通，锥阀芯34上侧容腔压力降至回油压力，锥阀芯在前端进油口33.2压力的作用下打开，经出油口33.3流出。

请结合图5及图6所示，旋转配流器包括阀体3、位于阀体3内的旋转配流阀8、与旋转配流阀8一端连接的离心增压盘19、与旋转配流阀8另一端连接并驱动旋转配流阀转动的驱动电机10、联轴器9、配流盘20、紧固螺钉11、端盖螺钉12、端盖13、右端面油封14、右滚珠轴承15、阀芯O型圈16、阀套17、离心增压盘O型圈18、左滚珠轴承21、左端面油封23、单向阀阀座27、单向阀阀芯28。离心增压盘19位于旋转配流阀8与配流盘20之间。阀体3上设有与高压侧先导式高速开关阀5.1出油口连接的高压进油道8.3、与低压侧先导式高速开关阀5.2出油口连接的低压进油道8.2。这里需要说明的是，附图中的高压进油道8.3与低压进油道8.2还未与高压侧先导式高速开关阀5.1、低压侧先导式高速开关阀5.2出油口连接，故暂时用油塞6封住，使用时去除油塞6通过管路进行对应连接即可。所述旋转配流阀8具有与配流盘20连通的中空流道8.1、围绕中空流道8.1且与离心增压盘19连通的低压阀腔(未标号)、用以与高压进油道8.3及中空流道8.1连通的高压中间流道8.4、用以与低压进油道8.2及低压阀腔连通的低压阀口8.5。

离心增压盘19上设有若干斜孔(未标号)，所述低压阀腔通过该斜孔与配流盘20连通。高压中间流道8.4与低压阀口8.5的延伸方向之间形成夹角，在旋转配流阀8在驱动电机10带动下持续旋转的过程中，当高压中间流道8.4与高压进油道8.3及中空流道8.1连通时，低压进油道8.2与低压阀口8.5错开而不连通。此时高压油液进入中空流道8.1，再经阀套17可以将高压油液直接输送至配流盘20处。驱动电机10驱动旋转配流阀8转动一个角度而使低压阀口8.5与低压进油道及阀腔8.2连通时，则高压中间流道8.4与高压进油道8.3错开而不连通。此时低压油液流进入低压阀口8.5，且低压油液经离心增压盘19的均布斜孔(未标号)流入腔内，然后经离心布置的管路流出，再进入配流盘20处；高低压油液的连通相差90°相位，实现高低压的持续周期性交错供油。低压阀口低压阀口低压阀口离心增压盘19与旋转配流阀8通过锥螺纹密封连接，离心增压盘19与配流盘20通过均布的螺钉紧固；联轴器9用以将旋转配流阀8与给予动力源的驱动电机10连接；阀芯O型圈16用以防止旋转过程中油液的泄漏，旋转配流阀8上设置有均压槽，用以平衡工作过程中存在的径向液压力；右滚珠轴承15与左滚珠轴承21是为支撑旋转配流阀8旋转以及平衡旋转配流阀8的径向不平衡力；单向阀阀座27与单向阀阀芯28组成的单向阀用以防止低压侧工作时，油液回流。

而上述数字开关式惯性液压转换器的工作方法为：

数字开关惯性液压转换器通过高频切换高低压供油，实现与负载压力的精确匹配，在这一过程中，与传统开关液压控制方法相区别的是，在控制信号处于低电平时，由于高压油液在液感器内形成的惯性效应，起到主动吸油的效应，这一过程可以充分利用流体内在特性，提高系统容积效率，有效改善现有液压控制方式存在的能效较低问题。

请结合图5所示，高压供油过程：驱动电机10通过联轴器9使得旋转配流阀8旋转，旋转配流阀带动离心增压盘19以及配流盘20一起旋转，此时高压侧先导式高速开关阀上的两位三通高速开关阀7切换，先导式高速开关阀使得高压油路连通，由出油口33.3出来的高压油液经阀体3上的高压进油道8.3，到达旋转配流阀8的高压中间流道8.4处，再经阀套17上的圆孔8.6流入其中空流道8.1，然后经阀套17流至配流盘20处，配流盘20与液感器连接，高压油液在液感器的螺旋槽内持续加速流动，然后经出口流出，供给液压缸4无杆腔，此时液压缸有杆腔与高压油液连通，只有当先导式高速开关阀5形成的流量增益在液压缸无杆腔压力建立起来，活塞杆伸出，驱动负载动作。

请结合图6所示，低压吸油过程：高压油路断开，螺旋液感管25内的高速射流存在明显的惯性，连通的低压侧油液具有一定的拖拽作用。此时，驱动电机10与旋转配流器的各部件均在旋转当中，低压侧先导式高速开关阀的两位三通高速开关阀7切换，低压油路上的先导式高速开关阀5打开，使得从低压侧出油口33.3经过阀体3上的圆形孔，流入旋转配流阀8上的低压阀口8.5流入旋转配流阀8的小径容腔内，经斜孔流入离心增压盘19，通过离心管将其部分动能转换为压力能，避免空化现象，流入配流盘20，然后被吸入螺旋液感管25用以推动液压缸继续动作。

在驱动电机10带动旋转配流器持续旋转的过程，高低压油路90°相差切换，实现高低压油液的通断，这一过程必须与先导式高速开关阀5的切换的保持协调性，先导式高速开关阀5是实现高低压切换的控制元件，旋转配流阀8是用以实现高低压增压功能的分离。

由以上具体实施方式的记载可知，本发明可以取得如下有益效果：

1.液感器采用多级内螺旋槽嵌套的形式安装，使得液感元件(通常为细长管路)的结构极为紧凑，有利于配套安装；并且可以通过螺旋布置形式有效减少其流动液阻。

2.先导式高速开关阀由两位三通高速开关阀作为先导级，大通径的锥阀作为主级，通过先导式高速开关阀的压力控制，实现主级锥阀的快速启闭，从而输出大流量。

3.旋转配流器将旋转配流阀与增压离心盘有效融合，实现低压侧吸油能力显著提升，并且通过旋转配流阀的中空流道设计，实现无须增压的高压侧的油液流动路径缩短，提高系统响应与能效，避免低压侧因吸油不足而产生的空化问题。

4.系统层面，高低压油液采用先导式两高速开关阀独立控制，避免受单一控制阀频响与结构制约，从而可保证数字开关惯性液压转换器始终工作在压力模式。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种数字开关式惯性液压转换器，其特征在于，包括：液感器、高压侧先导式高速开关阀、低压侧先导式高速开关阀、旋转配流器、负载液压缸；

所述旋转配流器包括阀体、位于阀体内的旋转配流阀、与旋转配流阀一端连接的离心增压盘、与旋转配流阀另一端连接并驱动旋转配流阀转动的驱动电机、配流盘；离心增压盘位于旋转配流阀与配流盘之间，阀体上设有与高压侧先导式高速开关阀出油口连接的高压进油道、与低压侧先导式高速开关阀出油口连接的低压进油道；所述旋转配流阀具有与配流盘连通的中空流道、围绕中空流道且与离心增压盘连通的低压阀腔、用以与高压进油道及中空流道连通的高压中间流道、用以与低压进油道及阀腔连通的低压阀口；高压中间流道与低压阀口的延伸方向之间形成夹角，当高压中间流道与高压进油道及中空流道连通时，低压进油道与低压阀口错开而不连通，驱动电机驱动旋转配流阀转动一个角度而使低压阀口与低压进油道及阀腔连通时，高压中间流道与高压进油道错开而不连通；

所述液感器包括液感器壳体、位于液感器壳体内的外套管、位于外套管内的螺旋液感管、位于外套管上方并与螺旋液感管连通的蓄能器；所述液感器壳体上具有液感器进口并与配流盘出口连通，外套管中部设有油孔外套管作为外套管进油口，外套管与液感器壳体形成的缝隙为进油储存区；螺旋液感管上侧具有螺旋液感管出口；外套管与螺旋液感管之间形成螺旋槽，螺旋槽下端与外套管进油口连通而上端与螺旋液感管的上侧出口，螺旋槽用以加速流体最后经螺旋液感管的上侧出口流出，外套管与液感器壳体均有与螺旋液感管出口对应连通的油液出口，该油液出口连接负载液压缸。

2.根据权利要求1所述的数字开关式惯性液压转换器，其特征在于，所述离心增压盘上设有若干斜孔，所述低压阀腔通过该斜孔与配流盘连通。

3.根据权利要求1或2所述的数字开关式惯性液压转换器，其特征在于，所述高压侧先导式高速开关阀与低压侧先导式高速开关阀结构相同，均包括：密封端盖、隔振盘、外端盖、主级阀体、锥阀芯、先导级阀体、两位三通高速开关阀，外端盖固定在主级阀体上；主级阀体上设置有第一进油口、出油口以及压力油口；进油口与出油口靠锥阀芯实现通断，压力油口用以引入两位三通高速开关阀控制油口压力；先导级阀体上设有三油口，下侧为第二进油口，中间为控制油口，上侧为回油口，进油口与供油压力连通，控制油口与主级阀体的压力腔连通，回油口与油箱连通。

4.根据权利要求1所述的数字开关式惯性液压转换器，其特征在于，旋转配流器中，高低压油液的连通相差90°相位以实现高低压的交错供油，低压离心增压后供至配流盘处，高压直接供至配流盘处；离心增压盘与旋转配流阀通过锥螺纹密封连接，离心增压盘与配流盘通过均布的螺钉紧固；设置联轴器将旋转配流阀与给予动力源的驱动电机连接；旋转配流阀上设置有均压槽以平衡工作过程中存在的径向液压力；设置右滚珠轴承与左滚珠轴承支撑旋转配流阀旋转；设置单向阀阀座与单向阀阀芯组成单向阀用以防止低压侧工作时油液回流。

5.根据权利要求1所述的数字开关式惯性液压转换器，其特征在于，液感器采用多级内螺旋槽嵌套的形式安装。

6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的数字开关式惯性液压转换器的工作方法，其特征在于：

高压供油过程：驱动电机驱动旋转配流阀旋转，旋转配流阀带动离心增压盘以及配流盘一起旋转，此时高压侧先导式高速开关阀的两位三通高速开关阀切换，由出油口出来的高压油液经旋转配流阀的高压中间流道流入中空流道，然后流至配流盘处，配流盘与液感器连接，高压油液在液感器的螺旋槽内持续加速流动，然后经出口流出，供给液压缸无杆腔，此时液压缸有杆腔与高压油液连通，当高压侧先导式高速开关阀形成的流量增益在液压缸无杆腔压力建立起来，活塞杆伸出，驱动负载动作；

低压吸油过程：高压油路断开，驱动电机与旋转配流器的各部件均在旋转当中，低压侧先导式高速开关阀的两位三通高速开关阀切换，低压油路连通，低压油液经低压阀口流入旋转配流阀的低压阀腔内，再通过离心增压盘流入配流盘，然后被吸入螺旋液感管用以推动液压缸继续动作。

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