CN114791001A - 一种用于液压泵变量控制的数字泵控阀及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于液压泵变量控制的数字泵控阀及方法，该数字泵控阀中的伺服电机安装在泵控阀壳体上；伺服电机通过十字联轴器与转阀阀芯相连接，用于将伺服电机的转角传递给转阀阀芯；转阀阀芯与转阀阀套间隙套合在一起，转阀阀芯能够在转阀阀套中转动；转阀阀套与滚珠丝杆过盈套合成一体组成转阀结构，滚珠丝杆通过丝杠螺母和拨叉套连接拨叉，拨叉连接液压泵变量机构中的变量推杆，变量推杆带动丝杠螺母的轴向移动转化为滚珠丝杆的旋转运动，从而带动转阀阀芯同步转动，实现运动的机械反馈。本发明通过伺服电机的转角输入，导致转阀阀口的切换，采用滚珠丝杠机械反馈，控制变量推杆快速、准确到达位置，从而实现油泵排量的快速、准确控制。

Description

一种用于液压泵变量控制的数字泵控阀及方法

技术领域

本发明涉及一种流体机械控制阀，尤其涉及一种用于液压泵(或液压马达)变量控制的数字泵控阀。

背景技术

在流体传动领域中，液压油泵作为核心动力源，一直是本专业工程技术人员的重点研究对象。液压泵的高响应、高精度排量控制则是其中一个重要研究方向，特别是数字液压概念越来越深入人心，具有数字接口并直接通过计算机控制的需求也越来越强烈。虽然在一些对于控制精度及环境要求较低的工业领域内，依靠仿研和基础材料的研究取得了部分突破和应用，但是在一些高端工业及移动液压的应用领域内，尚依赖于国外进口液压泵。尤其对于控制精度及响应比较高的比例液压泵，完全参照国外的技术方案及结构形式。其主要采用比例阀控制变量控制机构的方式来实现的，比例阀采用三位四通型结构，控制口A及控制口B分别与变量机构的两个驱动油缸腔相互连通，从而通过压差来推动变量推杆运动，实现油泵排量的变化。控制上采用位移传感器采集变量推杆的实时位置，将数据反馈到控制板实现闭环控制。该结构的比例液压泵，控制油经过比例阀，会产生比较大的节流损失，控制油的温度、粘度也会影响响应和控制精度，对控制算法的要求比较高，难度也比较大。

为克服现有技术路线中存在的不利因素，需要提供一种数字液压控制概念的泵控阀，通过伺服电机的转角输入，导致转阀阀口的切换，采用滚珠丝杠机械反馈，控制变量推杆快速、准确到达位置，从而实现油泵排量的快速、准确控制。伺服电机可以直接由电脑实施控制，也就实现了液压泵控制的数字化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于液压泵变量控制的数字泵控阀及方法，实现数字化的高响应、高精度的液压泵排量控制。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种用于液压泵变量控制的数字泵控阀，包括滚珠丝杆、丝杠螺母、导向键、拨叉套、拨叉、泵控阀壳体、转阀阀套、转阀阀芯、伺服电机，所述伺服电机安装在泵控阀壳体上；伺服电机通过十字联轴器与转阀阀芯相连接，用于将伺服电机的转角传递给转阀阀芯；所述转阀阀芯与转阀阀套间隙套合在一起，转阀阀芯能够在转阀阀套中转动；所述转阀阀套与滚珠丝杆过盈套合成一体组成转阀结构，所述滚珠丝杆通过丝杠螺母和拨叉套连接拨叉，所述拨叉连接液压泵变量机构中的变量推杆，所述变量推杆带动丝杠螺母的轴向移动转化为滚珠丝杆的旋转运动，从而带动转阀阀芯同步转动，实现运动的机械反馈。

进一步，所述转阀阀套安装在泵控阀壳体的内孔中，所述转阀阀套与泵控阀壳体的内孔组成P腔、A腔、T腔，且P腔、A腔通过泵控阀壳体中的相应油路分别连接泵控阀壳体中的D腔、G腔。

进一步，所述拨叉套套在丝杠螺母上，并用螺钉连接成一体；所述拨叉套下部与导向键配合，拨叉套轴向能自由移动，但不能转动。

进一步，所述拨叉从上部半环抱插入拨叉套中，所述拨叉能带动拨叉套轴向运动，同步带动丝杠螺母轴向运动。

进一步，所述滚珠丝杆与两个角接触轴承由一个六角螺母连接在一起，实现滚珠丝杆的轴向约束；两个角接触轴承通过轴承安装座、轴承压盖安装在泵控阀壳体上。

进一步，所述转阀结构用于控制油腔的A腔、P腔、T腔之间油路连通的切换；初始状态时A腔、P腔、T腔之间均不连通；当转阀阀芯顺时针转动后，所述A腔与T腔连通，A腔与P腔处断开状态；当转阀阀芯逆时针转动后，所述A腔与P腔连通，A腔与T腔处断开状态。

进一步，所述转阀阀套上设有控制窗口，所述转阀阀套上的控制窗口的流通面积，在切换过程中是渐变的。

进一步，所述数字泵控阀采用三位三通结构和差动油缸驱动变量机构；或采用三位四通结构和等面积油缸驱动变量机构，用于实现相同的功能。

进一步，所述数字泵控阀用于液压泵变量控制，或用于液压马达的变量控制。

一种用于液压泵变量控制的数字泵控阀的控制方法，其控制过程包含以下步骤：

a、若转阀阀芯顺时针旋转，A腔与T腔连通，A腔与P腔仍处断开，变量推杆向左移动，变量推杆向左移动时，即通过拨叉、拨叉套带动丝杠螺母向左移动，然后转化成滚珠丝杆的顺时针转动，使得转阀阀套与转阀阀芯之间的错位角减小，直至切断A腔与T腔的连通，变量推杆两端的液压油在一个新的位置又自动达到平衡；

b、若转阀阀芯逆时针旋转，A腔与P腔连通，A腔与T腔仍处断开，变量推杆在差动面积油压力的作用下，向右移动，变量推杆向右移动时，即通过拨叉、拨叉套带动丝杠螺母向右移动，然后转化成滚珠丝杆的逆时针转动，使得转阀阀套与转阀阀芯之间的错位角减小，直至切断A腔与P腔的连通，变量推杆两端的液压油会在一个新的位置又自动达到平衡。

本发明的有益效果是：

1、伺服电机控制线性度好，线性范围大，变量机构的响应性和控制精度较传统变量机构，均得到提高；

2、结构更紧凑，操作和维护更加方便，维护成本更低；

3、整体方案设计采用机械反馈的形式，对油液清洁度的要求更低，可靠性更高；

4、相对于传统的比例阀进行变量机构驱动的形式，控制油温度、粘度对控制的影响很小。

5、伺服电机具有通用的数字接口，更容易实现液压泵排量的计算机控制，实现数字化。

附图说明

图1是本发明的用于液压泵变量控制的数字泵控阀截面图；

图2是本发明的数字泵控阀对液压泵变量机构控制的工作原理图；

图3是本发明的数字泵控阀的转阀阀芯与阀套油路切换的原理图；

图4是图3中沿A-A的剖视图；

图5是图3中沿B-B的剖视图；

图6是转阀阀套结构立体示意图；

图7是转阀阀芯结构立体示意图；

图中：轴承压盖1、轴承安装座2、角接触轴承3、滚珠丝杆4、丝杠螺母5、导向键6、拨叉套7、拨叉8、泵控阀壳体9、转阀阀套10、转阀阀芯11、进轴密封座12、十字联轴器13、伺服电机14、大油缸端侧盖15、变量推杆16、高压端侧盖17。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面对本发明进行更详细全面的说明，附图给出了本发明的一种实施案例。本发明可以以不同形式来实现，并不局限于本实施案例。

在本发明一个较佳实施例中，本发明的用于液压泵变量控制的数字泵控阀，如图1至图7所示，包括轴承压盖1、轴承安装座2、角接触轴承3、滚珠丝杆4、丝杠螺母5、导向键6、拨叉套7、拨叉8、泵控阀壳体9、转阀阀套10、转阀阀芯11、进轴密封座12、十字联轴器13、伺服电机14以及相应的连接螺钉、密封件等。伺服电机14安装在泵控阀壳体9上；伺服电机14通过十字联轴器13与转阀阀芯11相连接，将伺服电机14的转角传递给转阀阀芯11；转阀阀芯11与转阀阀套10间隙套合在一起，转阀阀芯11可以在转阀阀套10中转动；转阀阀套10又安装在泵控阀壳体9的内孔中，两者组成P腔、A腔、T腔，与泵控阀壳体9中的相应油路连通；转阀阀套10与滚珠丝杆4过盈套合成一体，转阀阀套10与滚珠丝杆4完全同步旋转；丝杠螺母5安装在滚珠丝杆4上，丝杠螺母5的轴向移动可以转化为滚珠丝杆4的旋转运动；拨叉套7套在丝杠螺母5上，两者用螺钉连接成一体，同步运动；拨叉套7下部与导向键6配合，拨叉套7轴向可以自由移动，但不能转动；拨叉8从上部半环抱插入拨叉套7中，外部液压泵变量推杆的轴向运动，通过拨叉8带动拨叉套7轴向运动，同步带动丝杠螺母5轴向运动；滚珠丝杆4与两个角接触轴承3由一个六角螺母连接在一起，实现滚珠丝杆4的轴向约束；两个角接触轴承3通过轴承安装座2、轴承压盖1安装在泵控阀壳体9上。

伺服电机14根据输入的指令，通过十字联轴器13驱动一个转阀阀芯11，转阀阀芯11转动到某个确定的转角位置，这时转阀阀套10上的控制窗口与转阀阀芯11上的开槽相互重叠，油路打通，通过这个通路，输送或排出液压泵变量机构驱动油缸中的液压油，驱动液压泵的变量推杆16的运动。变量推杆16的轴向运动立即就通过拨叉8经过拨叉套7带动一个丝杠螺母5轴向运动，而丝杠螺母5又驱动滚珠丝杆4旋转，滚珠丝杆4旋转又带动转阀阀套10同步旋转。机构设计中，这个转阀阀套10的旋转，会使得它与转阀阀芯11之间的通油油路减小，直至最终油路关闭。因此，这个阀的设计，达到的功能即是转阀阀芯11转动，转阀阀套10始终快速跟随，转阀阀芯11在某个位置停止，则转阀阀套10也在变量推杆16驱动下，转到某个确定的位置停止，这时转阀阀芯11与转阀阀套10之间的油路恰好关闭，转阀阀套10始终跟随转阀阀芯11。而转阀阀套10与液压泵的变量推杆16之间，通过滚珠丝杠4，在位置上有着确定的一一对应的关系。由此，转阀阀芯11与液压泵的变量推杆16之间在静态上看也有着相对应的位置关系。这样，伺服电机14转动时产生的转角转化为液压泵的变量推杆16的轴向直线位移也即液压泵斜盘的角位移，从而控制了液压泵的排量。

优选地，转阀阀套10上的控制窗口流通面积，在切换过程中是渐变的。这使得转阀阀套10跟随转阀阀芯11既是快速跟进又是平缓接近的，从而保证高响应、高精度。

优选地，该发明中的数字泵控阀，从液压原理上，本数字泵控阀采用三位三通结构，加上差动油缸驱动变量机构；类似地，该数字泵控阀也可以采用三位四通的结构，加上等面积油缸驱动变量机构，来实现相同的功能。

优选地，该发明中的数字泵控阀，本数字泵控阀不仅可用于液压泵变量控制，也可以用于液压马达的变量控制。

在本发明一个较佳实施例中，本发明的数字泵控阀的工作原理如图2如下所述：

液压泵变量机构的左端是大油缸端侧盖15，右端是高压端侧盖17，中间是变量推杆16。大油缸端侧盖15与变量推杆16形成的封闭腔为D腔，与A腔连通；高压端侧盖17与变量推杆16形成的封闭腔为G腔,与P腔相连通。变量推杆16大端的面积约是小端面积的2倍，形成一个差动缸。数字泵控阀安装在液压泵上，外部控制油或液压泵出压口内部引入的控制油，分别经过单向阀，经泵控阀壳体9内部油路引到P腔，P腔内始终是高压油，P腔经P口与G腔相连，G腔始终也是高压油；T腔直接与液压泵的泵壳相联通，液压油低压向外排到油箱；A腔经A口与D腔连通。初始状态时，A腔与P腔、T腔均不连通，变量推杆16左右端的油均处于封闭状态，自动达到平衡。

伺服电机14通过十字联轴器13将转角传递给转阀阀芯11，转阀阀芯11与转阀阀套10会错开一个角度。面向伺服电机14出轴端观察，下面分两种情况：

a、若伺服电机驱动转阀阀芯11顺时针旋转，从图4观察，A腔与T腔连通A腔与P腔仍处断开，即D腔与T腔连通、油压下降，D腔内的液压油在变量推杆16右端高压油的推动下向外排出，变量推杆向左移动。变量推杆向左移动时，即通过拨叉8、拨叉套7带动丝杠螺母5向左移动，丝杠螺母5向左移动即驱动滚珠丝杆4顺时针转动，这个转动会使得转阀阀套10与转阀阀芯11之间的错位角减小，直至切断A腔与T腔的连通，变量推杆16两端的液压油会在一个新的位置又自动达到平衡。

b、若伺服电机驱动转阀阀芯11逆时针旋转，从图5观察，A腔与P腔连通A腔与T腔仍处断开，即D腔与P腔连通、油压升高，由于变量推杆左端面积是右端面积约2倍，变量推杆16在差动面积油压力的作用下，向右移动。变量推杆向右移动时，即通过拨叉8、拨叉套7带动丝杠螺母5向右移动，丝杠螺母5向右移动即驱动滚珠丝杆4逆时针转动，这个转动会使得转阀阀套10与转阀阀芯11之间的错位角减小，直至切断A腔与P腔的连通，变量推杆16两端的液压油会在一个新的位置又自动达到平衡。

如上所述，伺服电机驱动转阀阀芯10转动，转阀阀套11即时跟随，这就建立了伺服电机14的转角位置与变量推杆16轴向位置之间的对应关系，也就实现了伺服电机对液压泵排量的控制。

以上实施案例仅说明了本发明的几种案例之一，不能理解为对本发明专利的限制，在此实施案例基础上，本发明的数字泵控阀还可做一定的改进，因此，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于液压泵变量控制的数字泵控阀，其特征在于：包括滚珠丝杆、丝杠螺母、导向键、拨叉套、拨叉、泵控阀壳体、转阀阀套、转阀阀芯、伺服电机，所述伺服电机安装在泵控阀壳体上；所述伺服电机通过十字联轴器与转阀阀芯相连接，用于将伺服电机的转角传递给转阀阀芯；所述转阀阀芯与转阀阀套间隙套合在一起，转阀阀芯能够在转阀阀套中转动；所述转阀阀套与滚珠丝杆过盈套合成一体组成转阀结构，所述滚珠丝杆通过丝杠螺母和拨叉套连接拨叉，所述拨叉连接液压泵变量机构中的变量推杆，所述变量推杆带动丝杠螺母的轴向移动转化为滚珠丝杆的旋转运动，从而带动转阀阀芯同步转动，实现运动的机械反馈。

2.根据权利要求1所述的用于液压泵变量控制的数字泵控阀，其特征在于：所述转阀阀套安装在泵控阀壳体的内孔中，所述转阀阀套与泵控阀壳体的内孔组成P腔、A腔、T腔，且P腔、A腔通过泵控阀壳体中的相应油路分别连接泵控阀壳体中的D腔、G腔。

3.根据权利要求1所述的用于液压泵变量控制的数字泵控阀，其特征在于：所述拨叉套套在丝杠螺母上，并用螺钉连接成一体；所述拨叉套下部与导向键配合，拨叉套轴向能自由移动，但不能转动。

4.根据权利要求1所述的用于液压泵变量控制的数字泵控阀，其特征在于：所述拨叉从上部半环抱插入拨叉套中，所述拨叉能带动拨叉套轴向运动，同步带动丝杠螺母轴向运动。

5.根据权利要求1所述的用于液压泵变量控制的数字泵控阀，其特征在于：所述滚珠丝杆与两个角接触轴承由一个六角螺母连接在一起，实现滚珠丝杆的轴向约束；两个角接触轴承通过轴承安装座、轴承压盖安装在泵控阀壳体上。

6.根据权利要求1所述的用于液压泵变量控制的数字泵控阀，其特征在于：所述转阀结构用于控制油腔的A腔、P腔、T腔之间油路连通的切换；初始状态时A腔、P腔、T腔之间均不连通；当转阀阀芯顺时针转动后，所述A腔与T腔连通，A腔与P腔处断开状态；当转阀阀芯逆时针转动后，所述A腔与P腔连通，A腔与T腔处断开状态。

7.根据权利要求1所述的用于液压泵变量控制的数字泵控阀，其特征在于：所述转阀阀套上设有控制窗口，所述转阀阀套上的控制窗口的流通面积，在切换过程中是渐变的。

8.根据权利要求1所述的用于液压泵变量控制的数字泵控阀，其特征在于：所述数字泵控阀采用三位三通结构和差动油缸驱动变量机构；或采用三位四通结构和等面积油缸驱动变量机构，用于实现相同的功能。

9.根据权利要求1所述的用于液压泵变量控制的数字泵控阀，其特征在于：所述数字泵控阀用于液压泵变量控制，或用于液压马达的变量控制。

10.一种权利要求1-9任一所述的用于液压泵变量控制的数字泵控阀的控制方法，其特征在于，该控制方法包含以下步骤：

a、若转阀阀芯顺时针旋转，A腔与T腔连通，A腔与P腔仍处断开，变量推杆向左移动，变量推杆向左移动时，即通过拨叉、拨叉套带动丝杠螺母向左移动，然后转化成滚珠丝杆的顺时针转动，使得转阀阀套与转阀阀芯之间的错位角减小，直至切断A腔与T腔的连通，变量推杆两端的液压油在一个新的位置又自动达到平衡；

b、若转阀阀芯逆时针旋转，A腔与P腔连通，A腔与T腔仍处断开，变量推杆在差动面积油压力的作用下，向右移动，变量推杆向右移动时，即通过拨叉、拨叉套带动丝杠螺母向右移动，然后转化成滚珠丝杆的逆时针转动，使得转阀阀套与转阀阀芯之间的错位角减小，直至切断A腔与P腔的连通，变量推杆两端的液压油会在一个新的位置又自动达到平衡。

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