CN112324725A - 一种数字变量液压变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字变量液压变压器。本发明的施力液压缸的两个有杆腔通过旋转配油阀分别与油泵和油箱相连，施力液压缸内的另一个有杆腔的活塞杆的输出端与活塞杆组相连，排油液压缸主要由若干个活塞面积不同的液压缸构成，各个液压缸中的活塞杆并联构成了活塞杆组，各个液压缸的两个有杆腔分别连接到二位二通电磁阀的两端口，每个二位二通电磁阀的电控制端均连接到数字控制器上，各个液压缸的两个有杆腔均分别通过吸油单向阀均连接到油箱中，各个液压缸的两个有杆腔均通过排油单向阀均连接到输出端上输出压力油。本发明结构相对简单，可以调节输出压强和输出油流量，根据不同的工作条件设计出不同调压范围和精度，易于集成和加工。

Description

一种数字变量液压变压器

技术领域

本发明涉及了一种液压变压器，具体涉及了一种数字变量液压变压器。

背景技术

由于新兴电力电子技术的出现和不断发展，液压系统在与机械传动系统和电力传动系统的竞争中，市场不断受到挤占，其主要原因在于液压系统的效率低下。

恒压网络二次调节技术在一定程度上提高了液压传动的效率。恒压网络二次调节系统由压力值恒定的高低液压源、蓄能器、液压管路等组成，可以连接多个执行器。恒压网络二次调节系统可以回收系统多余的液压能，减少节流损失，但其本身具有一定的局限性，主要局限性在于液压传动系统缺少类似于机械齿轮变速器、电力变压器那样的压力调节液压元件，因而对于液压变压器的设计和研究至关重要。液压变压器可以有效地解决恒压网络二次调节技术的局限性：将系统液压能无节流损失地传送出去，将系统压力调节为目标压力，进而驱动不同大小的外部负载，避免了不必要的能量损耗。

液压变压器是一种新型的液压元件，国内液压变压器仍处于起步发展阶段。传统时期的液压变压器通常通过两个柱塞元件的组合来实现，即一个变量马达和一个定量泵通过联轴器连接起来，易于加工但效率低下；而新型时期的液压变压器样机实现难度大，且无法实现输出压强和流量同时调节，尚未有成熟的产品。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基本无节流损失的数字变量液压变压器，通过组合不同活塞面积的液压缸，可输出不同的压强。根据外部负载大小，计算出所需液压缸的类型和数量，使得组合后的输出压力与外部负载相匹配，最大程度减少节流损失。此外，本液压变压器还可调节输出流量，从而调节驱动外部负载的速度。

为实现上述功能要求，本发明采用如下技术方案：

本发明包括液压缸、吸油单向阀、排油单向阀、二位二通电磁阀、活塞杆组、施力液压缸、活塞杆、旋转配油阀和数字控制器；施力液压缸的其中一个有杆腔的活塞杆作为所述数字变量液压变压器的输入端，施力液压缸的两个有杆腔通过旋转配油阀分别与油泵和油箱相连，施力液压缸内的另一个有杆腔的活塞杆的输出端与活塞杆组相连，排油液压缸主要由若干个活塞面积不同的液压缸构成，各个液压缸中的活塞杆并联构成了活塞杆组，旋转配油阀输出基本恒压的油液用于驱动排油液压缸的活塞杆组，各个液压缸的两个有杆腔分别连接到二位二通电磁阀的两端口，每个二位二通电磁阀的电控制端均连接到数字控制器上，各个液压缸的两个有杆腔均分别通过吸油单向阀均连接到油箱中，各个液压缸的两个有杆腔均通过排油单向阀均连接到输出端上输出压力油，保证液压缸双向作用，持续输出压力油。

所述数字控制器分别控制各个液压缸的工作状态具体为：

当二位二通电磁阀关闭时，液压缸中的两个腔室不连通，此时该液压缸输出压力油，即液压缸对外输出压力，该液压缸处于工作状态；

当二位二通电磁阀开启时，压缸中的两个腔室连通，此时该液压缸无法输出压力油，即液压缸不对外输出压力，该液压缸处于非工作状态。

②所述数字变量液压变压器的压强调节响应时间取决于二位二通电磁阀的换向时间。通过增加所述排油液压缸中液压缸的类型和数量，提高所述数字变量液压变压器的变压精度，扩大所述数字变量液压变压器的压力调节范围。

①所述施力液压缸内还设置有压缩弹簧，压缩弹簧套装在活塞杆外；压缩弹簧用于提高所述活塞杆的响应速度，旋转配油阀还起到三位四通电磁阀的作用，保证施力液压缸的活塞杆可双向作用。

③所述的旋转配油阀包括阀芯、阀套和步进电机三个部分；由步进电机控制阀芯和阀套的相对位置，通过改变阀芯与阀套之间的通流面积，改变从油泵到施力液压缸的流量，进而控制活塞杆及活塞杆组的运动速度，改变数字变量液压变压器的输出压力油的流量，调节数字变量液压变压器驱动外部负载的速度。

改变旋转配油阀的通流面积来调节施力液压缸中活塞杆的执行速度，使得活塞杆组在不同速度下运动，排油液压缸在活塞杆组的运动下不断的输出压力油，压力油驱动外部负载；数字控制器接受指令快速调整排油液压缸中的液压缸是否工作，即数字控制器分别控制各个液压缸的工作状态，从而选择不同的液压缸组合，因而排油液压缸的输出压强也多级变化，实现输出压力多级调节，配合旋转配油阀的控制，进一步实现对数字变量液压变压器输出压力油流量的精确控制。

其工作原理如下：

施力液压缸的活塞杆与排油液压缸的活塞杆组固连，用于驱动排油液压缸。实际工作时，根据外部负载的大小，计算出所需输出油液压强大小P，再根据施力液压缸输出的基本恒定的力大小F，可计算出所需所述排油液压缸的等效活塞面积S为F/P，从排油液压缸中选出活塞面积之和为S(实际应稍小于S)的若干个液压缸进行组合，即可满足数字变量液压变压器的输出油液压强为P(实际会稍大于P，因为实际等效活塞面积稍小于S)。假设排油液压缸由三个液压缸构成，三个液压缸的活塞面积分别为a、2a、4a，则排油液压缸的等效活塞面积可以是a-7a中以a的整数倍任意变化，则数字变量液压变压器的输出油液压强可以为F/(n*a),其中n为1至7中任意整数。类型越多、数量越多的液压缸可以组合成更高变压精度、更大调压范围的数字变量液压变压器。

排油液压缸中的每个液压缸的两个有杆腔分别连接到二位二通电磁阀的两端口，二位二通阀工作位的切换由数字控制器控制。当二位二通电磁阀关闭时，对应液压缸两个有杆腔不连通，液压缸可正常输出压力油；当二位二通电磁阀开启时，对应液压缸两个有杆腔连通，液压缸无法输出压力油。通过控制每个二位二通电磁阀的通断，可选择不同的液压缸对外输出压力油，输出压强随所选液压缸总活塞面积的增大而减小，因此液压变压器的响应速度取决于电磁阀的响应速度。电磁阀由数字控制器控制，可实现快速响应，因而液压变压器可满足高频响控制的要求。

恒压油液经旋转配油阀流入施力液压缸，通过改变旋转配油阀的流通口面积进而调整流入施力液压缸的油液流量，从而控制活塞杆和活塞杆组的执行速度，改变排油液压缸的输出压力油排量，而压力油用于驱动外部负载，故通过旋转配油阀可控制压力油驱动外部负载的速度。

本发明通过多个液压缸并联后和施力液压缸串联形成可调的等效活塞面积，在改变等效活塞面积情况下实现了液压变压器的变压功能；通过控制旋转配油阀可实现液压变压器调节流量的功能，从而控制输出压力油驱动外部负载的速度。整个过程除了摩擦力的能量损失，基本无节流损失，有效地提高了液压变压器的效率。

本发明的有益效果：

1.本发明作为一种数字变量液压变压器，可以实现基本无节流损失地调节液压压力，有效提高了数字变量液压变压器的效率，对于整个液压系统效率的提升具有重要意义。

2.本发明可以实现输出压强多级可调，最大输出压强为施力液压缸输出力与排油液压缸中最小等效活塞面积之比，最小输出压强为施力液压缸输出力与排油液压缸中最大等效活塞面积之比。

3.本发明可通过增加液压缸类型和数量的方式提高数字变量液压变压器的变压精度和变压范围，使得经数字变量液压变压器的输出压强与外部负载最大程度上相匹配。

4.本发明可通过旋转配油阀调节数字变量液压变压器的输出流量，从而控制驱动外部负载的速度。

5.本发明采用数字控制，通过对液压缸的二位二通电磁阀控制，选择合适的液压缸组合输出压强，响应速度快。

附图说明

图1是本数字变量液压变压器结构示意图。

图2是旋转配油阀处于打开状态的一种示意图。

图3是旋转配油阀处于打开状态的另一种示意图。

图4是旋转配油阀处于关闭状态的示意图。

图中：液压缸(1)、吸油单向阀(2)、排油单向阀(3)、二位二通电磁阀(4)、活塞杆组(5)、施力液压缸(6)、活塞杆(7)、压缩弹簧(8)、旋转配油阀(9)、数字控制器(10)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括液压缸1、吸油单向阀2、排油单向阀3、二位二通电磁阀4、活塞杆组5、施力液压缸6、活塞杆7、压缩弹簧8、旋转配油阀9和数字控制器10；施力液压缸6的其中一个有杆腔的活塞杆7作为数字变量液压变压器的输入端，施力液压缸6的两个有杆腔通过旋转配油阀9分别与油泵和油箱相连，施力液压缸6内的另一个有杆腔的活塞杆的输出端与活塞杆组5相连，排油液压缸主要由若干个活塞面积不同的液压缸1构成，各个液压缸1中的活塞杆并联构成了活塞杆组5，旋转配油阀9输出基本恒压的油液用于驱动排油液压缸的活塞杆组5，各个液压缸1的两个有杆腔分别连接到二位二通电磁阀4的两端口，每个二位二通电磁阀4的电控制端均连接到数字控制器10上，各个液压缸1的两个有杆腔均分别通过吸油单向阀2均连接到油箱中，各个液压缸1的两个有杆腔均通过排油单向阀3均连接到输出端上输出压力油，保证液压缸可双向作用，持续输出压力油。

数字控制器10分别控制各个液压缸1的工作状态具体为：

当二位二通电磁阀4关闭时，液压缸1中的两个腔室不连通，此时该液压缸1输出压力油，即液压缸1对外输出压力，该液压缸1处于工作状态；

当二位二通电磁阀4开启时，压缸1中的两个腔室连通，此时该液压缸1无法输出压力油，即液压缸1不对外输出压力，该液压缸1处于非工作状态。

⑤数字变量液压变压器的压强调节响应时间取决于二位二通电磁阀4的换向时间。通过增加排油液压缸中液压缸1的类型和数量，提高数字变量液压变压器的变压精度，扩大数字变量液压变压器的压力调节范围。

④施力液压缸6内还设置有压缩弹簧8，压缩弹簧8套装在活塞杆7外；压缩弹簧8用于提高活塞杆7的响应速度，旋转配油阀还起到三位四通电磁阀的作用，保证施力液压缸的活塞杆可双向作用。

⑥旋转配油阀包括阀芯、阀套和步进电机三个部分；由步进电机控制阀芯和阀套的相对位置，通过改变阀芯与阀套之间的通流面积，改变从油泵到施力液压缸6的流量，进而控制活塞杆7及活塞杆组5的运动速度，改变数字变量液压变压器的输出压力油的流量，调节数字变量液压变压器驱动外部负载的速度。

改变旋转配油阀9的通流面积来调节施力液压缸6中活塞杆7的执行速度，使得活塞杆组5在不同速度下运动，排油液压缸在活塞杆组5的运动下不断的输出压力油，压力油驱动外部负载；数字控制器10接受指令快速调整排油液压缸中的液压缸1是否工作，即数字控制器10分别控制各个液压缸1的工作状态，从而选择不同的液压缸组合，因而排油液压缸的输出压强也多级变化，实现输出压力多级调节，配合旋转配油阀的控制，进一步实现对数字变量液压变压器输出压力油流量的精确控制。

具体实施中，排油液压缸由三个活塞面积不同的液压缸1组成。假设排油液压缸中的液压缸1分别为A、B、C，三个液压缸的活塞面积分别为a、2a、4a，则排油液压缸的总活塞面积为7a，排油液压缸的等效活塞面积S可以是三个液压缸的活塞面积的组合，即a-7a中a的任意整数倍，数字变量液压变压器的输出压强P由施力液压缸6输出力F及排油液压缸的等效活塞面积S决定，其关系为P＝F/S，通过组合不同的液压缸1，排油液压缸可获得不同的等效活塞面积，则数字变量液压变压器的输出压强可以在F/(7*a)至F/a之间多级变化。液压缸1的类型和数量越多，排油液压缸的等效活塞面积的组合也越多，数字变量液压变压器的变压精度也越高，变压范围越大。在数字变量液压变压器实际工作时，通过测量驱动外部负载处油液的压强P1，反向计算出排油液压缸所需的等效活塞面积S1＝F/P1，选择合适的液压缸1的组合，使排油液压缸的等效活塞面积稍小于S1，即可使数字变量液压变压器的输出压力油液驱动外部负载。数字变量液压变压器的输出压强与外部负载匹配程度越高，液压能损失越小，因此通过本数字变量液压变压器，可有效地提高液压系统的效率。

旋转配油阀具体工作状态可由图2、图3和图4说明：

工作状态一如图2所示，从油泵输出恒压油液经旋转配油阀9流入至施力液压缸6中第一有杆腔，施力液压缸6中第二有杆腔的油液经旋转配油阀9回流至油箱，图2中左边的有杆腔作为第一有杆腔，右边的有杆腔作为第二有杆腔；旋转配油阀6中阀芯和阀体之间的通流部分越大，通流面积越大，则油液流入施力液压缸6的流量越大，活塞杆7及活塞杆组5的执行速度越快，因而排油液压缸在活塞杆组5的驱动下可输出不同流量的压力油，从而改变压力油驱动外部负载的速度。

工作状态二如图3所示，从油泵输出恒压油液经旋转配油阀9流入至施力液压缸6中第一有杆腔，施力液压缸6的第二有杆腔的油液经旋转配油阀9回流至油箱；当由工作状态一转为工作状态二时，活塞杆7的执行方向发生变换，即活塞杆7作为施力液压缸6的输出端，因而施力液压缸6的活塞杆7可双向作用。

工作状态三如图4所示，此时旋转配油阀9处于关闭状态，液压变压器处于非工作状态。

上述方案中所述的排油液压缸以三个液压缸组合为例，但是具体实施可以根据需要选择多个液压缸，视具体情况而定。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种数字变量液压变压器，其特征在于：包括液压缸(1)、吸油单向阀(2)、排油单向阀(3)、二位二通电磁阀(4)、活塞杆组(5)、施力液压缸(6)、活塞杆(7)、旋转配油阀(9)和数字控制器(10)；施力液压缸(6)的其中一个有杆腔的活塞杆(7)作为所述数字变量液压变压器的输入端，施力液压缸(6)的两个有杆腔通过旋转配油阀(9)分别与油泵和油箱相连，施力液压缸(6)内的另一个有杆腔的活塞杆的输出端与活塞杆组(5)相连，排油液压缸主要由若干个活塞面积不同的液压缸(1)构成，各个液压缸(1)中的活塞杆并联构成了活塞杆组(5)，各个液压缸(1)的两个有杆腔分别连接到二位二通电磁阀(4)的两端口，每个二位二通电磁阀(4)的电控制端均连接到数字控制器(10)上，各个液压缸(1)的两个有杆腔均分别通过吸油单向阀(2)均连接到油箱中，各个液压缸(1)的两个有杆腔均通过排油单向阀(3)均连接到输出端上输出压力油。

2.根据权利要求1所述的一种数字变量液压变压器，其特征在于：所述数字控制器(10)分别控制各个液压缸(1)的工作状态具体为：

当二位二通电磁阀(4)关闭时，液压缸(1)中的两个腔室不连通，此时该液压缸(1)输出压力油，该液压缸(1)处于工作状态；

当二位二通电磁阀(4)开启时，压缸(1)中的两个腔室连通，此时该液压缸(1)无法输出压力油，该液压缸(1)处于非工作状态。

3.根据权利要求1所述的一种数字变量液压变压器，其特征在于：

所述施力液压缸(6)内还设置有压缩弹簧(8)，压缩弹簧(8)套装在活塞杆(7)外。

4.根据权利要求1所述的一种数字变量液压变压器，其特征在于：所述数字变量液压变压器的压强调节响应时间取决于二位二通电磁阀(4)的换向时间。

5.根据权利要求1所述的一种数字变量液压变压器，其特征在于：改变旋转配油阀(9)的通流面积来调节施力液压缸(6)中活塞杆(7)的执行速度，使得活塞杆组(5)在不同速度下运动，排油液压缸在活塞杆组(5)的运动下不断的输出压力油，压力油驱动外部负载；数字控制器(10)分别控制各个液压缸(1)的工作状态，从而选择不同的液压缸组合，实现输出压力多级调节，配合旋转配油阀(9)的控制，进一步实现对数字变量液压变压器输出压力油流量的精确控制。

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