CN112128095B - 一种基于动力耦合作动阀的数字配流机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于液体变容式机械领域的一种基于动力耦合作动阀的新型数字配流机构；其中每个动力耦合作动器外均固接有两个阀组和柱塞腔配流块，两个阀组和柱塞腔配流块并排安装在动力耦合作动器阀体侧外，柱塞腔配流块位于两个阀组之间，且柱塞腔配流块的三个出口分别与两个阀组中部以及活塞腔相连；穿过动力耦合作动器且与动力耦合作动器中作动器壳体转动连接的传动轴的一端与驱动设备相连。本发明中两组励磁单元设置于驱动转盘的两侧，可实现对一对开关阀的驱动，恰好配合柱塞腔配流块形成一个数字配流单元，并可以利用驱动轴串接多阀紧凑叠加的阀组结构，理想地适配数字排量泵的多柱塞配流单元。

Description

一种基于动力耦合作动阀的数字配流机构

技术领域

本发明属于液体变容式机械技术领域，具体为一种基于动力耦合作动阀的新型数字配流机构。

背景技术

在变量柱塞泵领域，传统的斜盘式或斜轴式柱塞泵通过改变斜盘或斜轴倾角改变排量，从而大幅减少节流损失，但这种变量泵在工作过程中，柱塞与腔内壁具有间隙造成能量损失，配流阀盘与圆柱泵体间也因流体剪切与泄露存在额外的能量消耗，另外柱塞腔内存在无法工作的死区容积，上述因素导致传统柱塞变量泵的能量效率随着排量的减小而显著降低。基于模拟量控制方式的传统柱塞泵对工作环境比较敏感，其工作性能容易受到温度、压强等环境条件的影响，其高可靠性对制造技术提出了苛刻的要求。例如传统的高性能变量柱塞泵和伺服阀就具有很高的制造技术门槛，而我国许多具有战略意义的整机装备中的这些核心液压元件现今仍依赖进口，处于被卡脖子的状态。继续通过提高我国的液压元件制造技术水平，自然是改变上述现状的一种方式，但通过开发新型的、节能可靠的数字液压元件，突破传统模拟量液压技术发展的内卷，则是意义更为深远的解决方式。本发明提出的新型数字排量泵则是解决上述问题有效手段。

在现有所使用的使用数字变排量技术的数字泵中，数字排量泵仅在所采用的电磁开关阀组仅能在阀口压差较小情况下完成阀的主动驱动，供油端的开关阀更多情况下类似于单向止回阀，利用柱塞运动变化产生的阀口压差被动地控制阀的开关，这导致其较难应对压差较大的回路或者液压马达工作模式，限制了应用范围。

同时美国普渡大学的Holland和Merrill合作开发了一种轴向行列式的三柱塞数字排量泵，利用商用电磁开关阀组完成了数字泵和数字马达模式的单元配流，其在超过50%排量时能量效率达到85%。上海交通大学的齐礼东和施光林等针对随机低转速工况，开发了径向式五柱塞数字排量泵，他们设计了基于电磁开关阀组的数字配流机构,针对径向柱塞泵的运动规律，并结合静动态数学建模仿真给出了该泵流量的具体控制方法。

但由于目前的数字排量技术依赖于主动控制高速开关阀组，但现有电磁开关阀本身的性能却限制了数字排量泵的发展。当高速开关阀的切换时间不超过5ms且额定流量超过90L/min，数字排量泵才能发挥明显的能效优势，而无论是普渡大学轴向行列式三柱塞数字排量泵还是上海交通大学的径向式五柱塞数字排量泵，均采用了商用电磁阀，且开关响应时间分别为50ms和25ms，同时额定流量均不超过40L/min，限制了原型样机的性能。同时，为了应对更复杂的压差环境（高压差，或作为液压马达），数字排量泵要求提供给高速开关阀驱动力更大。国内外学者们为提高高速开关阀综合性能也进行了诸多探索，其他常规的高速开关阀的性能虽然较商用电磁阀有了显著的提高，但缺乏适用于数字排量泵工况的针对性设计，与理想的高速开关阀仍有差距。另外，由于数字排量泵需要多个高速开关阀组，在保证高速开关阀具有良好的综合性能的同时，如何使其设计结构更易于适配数字排量泵同样是一个亟待解决的问题。

动力耦合作动器的原理是在作旋转运动能量源和作线性运动的阀芯之间构建基于磁流变液剪切模式的动力耦合装置，通过控制耦合的建立与解除来驱动一对高速开关阀，因此急需一种基于动力耦合作动器的数字配流单元结构的数字排量机构，用到的磁流变液动力耦合具有快速且无机械磨损的特点，能有效减少数字排量泵的开关阀组高频地工作时产生的磨损与疲劳失效。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于动力耦合作动阀的新型数字配流机构，其特征在于，包括：至少一个动力耦合作动器，一个驱动设备、一根传动轴，且每个动力耦合作动器外均固接有两个阀组和柱塞腔配流块，其中两个阀组和柱塞腔配流块并排安装在动力耦合作动器阀体侧外，柱塞腔配流块位于两个阀组之间，且柱塞腔配流块的三个出口分别与两个阀组中部以及活塞腔相连；穿过动力耦合作动器且与动力耦合作动器中作动器壳体转动连接的传动轴的一端与驱动设备相连；

所述动力耦合作动器包括两块驱动转盘、两个励磁单元、作动器壳体、磁流变液、两根轴承侧连接杆和两根阀体侧连接杆，其中内部充满磁流变液的作动器壳体的外观呈扁矩形体，作动器壳体内设有两块驱动转盘，驱动转盘安装于传动轴上且与传动轴一同转动；两块驱动转盘之间形成一个扁平的容纳空间，两个励磁单元面设置于容纳空间中且分布于传动轴的两侧；励磁单元中线性平动件的两端分别固接有轴承侧连接杆和阀体侧连接杆，轴承侧连接杆通过线性轴承安装在作动器壳体内，阀体侧连接杆穿过作动器壳体与所对应阀组中的阀体接触连接；两个阀组的阀体上分别开有供油端接口以及吸油端接口以分别和供油端组件以及吸油端组件相连。

所述励磁单元由跑道型的线性平动件、跑道型的导磁线圈铁芯以及设置在外导磁线圈铁芯和线性平动件之间的励磁线圈组成。

所述线性平动件的厚度为4mm-6mm，所述励磁线圈的厚度为2mm-4mm。

所述阀组包括：阀体、阀芯、复位弹簧、供油端或吸油端接口和柱塞腔接口；阀体内设有滑动的阀芯，复位弹簧的两端分别与阀芯和阀体相连，阀体侧壁的一侧开有供油端或吸油端接口，阀体侧壁的中部开有柱塞腔接口。

所述两根阀体侧连接杆与所述作动器壳体之间设有密封圈。

所述驱动转盘的厚度为10mm，驱动转盘与励磁单元间的距离均为0.5mm-1mm。

所述两个励磁单元相对于驱动转盘过传动轴的径面面对称设置。

所述驱动转盘不停旋转，控制系统对所述两个励磁单元中的一个进行通电从而控制相应的阀门组开启。

本发明的有益效果在于：

1.基于磁流变液构建的动力耦合装置应用于高速液压阀的驱动。磁流变液的传动装置各项优势在此发明中也得到了充分的体现：瞬时（毫秒之内）并可逆的流变响应；大范围可控（50kPa 以上）的流变应力；磁化能耗较低；对温度等外部环境条件具有很强的抗干扰能力；无磨损性避免了机械传动件的冲击和振动，能有效减少数字排量泵的开关阀组高频地工作时产生的磨损与疲劳失效；且达到快速的动力耦合响应的效果，保证了更好的环境适应性。

2.采用两块驱动转盘，两块驱动转盘之间形成容纳空间，从而使置入其中导磁线圈铁芯前后表面之间形成两个磁流变液动力耦合界面，这样通电后驱动转盘和线性平动件之间的产生的剪切驱动力将会加倍，进一步增加驱动系统提供的驱动力，进而提供大范围无级调控的驱动力。

3.驱动转盘耦合线性平动件进而驱动液压阀阀芯运动的方式，使得液压阀具有短时间内获得长距离阀芯冲程的潜力，因为一旦驱动转盘与线性运动的阀芯耦合起来，其冲程就由耦合时间与转速决定，而更大的阀芯冲程则意味着更大的额定流量。

4.励磁单元与传统的螺线管式电磁阀中呈长圆柱状的线圈和电枢铁芯有所不同，其励磁线圈和导磁电芯都非常轻薄，厚度仅需几个毫米，这样就使整个驱动件的质量显著减小，从而进一步缩短液压阀的开关响应时间。

5.两组励磁单元（导磁线圈铁芯、励磁线圈及线性平动件）设置于驱动转盘的两侧，可实现对一对开关阀的驱动，恰好配合柱塞腔配流块形成一个数字配流单元，并可以利用驱动轴串接多阀紧凑叠加的阀组结构，理想地适配数字排量泵的多柱塞配流单元。

6.驱动转盘通过传动轴与驱动设备主轴直接耦合，不仅使整个结构更为紧凑，而且充分利用驱动设备本身的能量，提高驱动设备的能量利用率。

附图说明

图1为本发明一种基于动力耦合作动阀的新型数字配流机构实施例中纵剖面的剖面图；

图2为本发明实施例1中横剖面的剖面图；

图3为本发明实施例2中纵剖面的剖面图。

其中：

1-传动轴，2-驱动转盘，3-磁流变液，4-轴承侧连接杆，5-第一励磁单元，6-第二励磁单元，7-线性轴承，8-动力耦合作动器，9-第一阀组，10-第二阀组，11-密封圈，12-柱塞腔配流块，14-驱动设备，15-阀体侧连接杆，16-作动器壳体，51-第一励磁线圈，52-第一线性平动件，53-第一导磁线圈铁芯，61-第二励磁线圈，62-第二线性平动件，63-第二导磁线圈铁芯，91-第一阀体，92-第一阀芯，93-第一复位弹簧，94-供油端接口，95-第一柱塞腔接口，101-第二阀体，102-第二阀芯，103-第二复位弹簧，104-吸油端接口，105-第二柱塞腔接口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1~图3所示的本发明实施例，包括：至少一个动力耦合作动器8，一个驱动设备14、一根传动轴1，且每个动力耦合作动器8外均固接有两个阀组和柱塞腔配流块12，其中两个阀组和柱塞腔配流块12并排安装在动力耦合作动器8的阀体侧外，柱塞腔配流块12位于两个阀组之间，且柱塞腔配流块12的三个出口分别与两个阀组中部以及活塞腔相连；穿过动力耦合作动器8且与动力耦合作动器8转动连接的传动轴1的一端与驱动设备14相连；

动力耦合作动器8包括作动器壳体16、两块驱动转盘2、两个励磁单元、磁流变液3、两根轴承侧连接杆4和两根阀体侧连接杆15，其中内部充满磁流变液3的作动器壳体16的外观呈扁矩形体，作动器壳体16内设有两块驱动转盘2，驱动转盘2安装于传动轴1上且与传动轴1一同转动；两块驱动转盘2之间形成一个扁平的容纳空间，两个励磁单元面设置于容纳空间中且分布于传动轴1的两侧；励磁单元中线性平动件的两端分别固接有轴承侧连接杆4和阀体侧连接杆15，轴承侧连接杆4通过线性轴承7安装在作动器壳体16内，阀体侧连接杆15穿过动力耦合作动器8与所对应阀组中的阀体接触连接；两个阀组的阀体上分别开有供油端接口94以及吸油端接口104以分别和供油端组件以及吸油端组件相连；阀芯通过复位弹簧安装于阀体内；

励磁单元由跑道型的线性平动件、跑道型的导磁线圈铁芯以及设置在外导磁线圈铁芯和线性平动件之间的励磁线圈组成，线圈连接线穿过线性平动件与控制系统相连以控制通断电；两块驱动转盘2间的容纳空间内表面和导磁线圈铁芯外表面之间的间隙充满磁流变液3；作为动力传输介质的磁流变液3使得励磁单元和驱动转盘2组成的驱动系统都浸没在磁流变液3中，磁流变液3在磁场作用下具有瞬间可逆的流变特性，剪切屈服强度显著提高，并且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系。

如图1和图2所示的实施例1，两个阀组为第一阀组9和第二阀组10，两个励磁单元为第一励磁单元5和第二励磁单元6；具体包括：一个动力耦合作动器8、作动器壳体16、传动轴1、驱动转盘2、磁流变液3、轴承侧连接杆4、第一励磁单元5、第二励磁单元6、线性轴承7、第一阀组9、第二阀组10、密封圈11、柱塞腔配流块12、驱动设备14和阀体侧连接杆15，其中动力耦合作动器8的轴承侧外的中部固接有柱塞腔配流块12，柱塞腔配流块12的两侧分别固接有第一阀组9和第二阀组10；内部流道呈“T”形的柱塞腔配流块12分别与两侧的第一阀组9、第二阀组10以及外部的活塞腔相连；

动力耦合作动器8的作动器壳体16内充满磁流变液3，两块驱动转盘2通过传动轴1安装于作动器壳体16内，两块驱动转盘2和传动轴1的轴线共线，传动轴1的一端与驱动设备14相连；第一励磁单元5和第二励磁单元6面对称设置于两块驱动转盘2之间所形成的容纳空间中，对称面为驱动转盘2过传动轴1的径面，第一励磁单元5和第二励磁单元6的两侧分别固接有轴承侧连接杆4和阀体侧连接杆15，两根轴承侧连接杆4均通过线性轴承7与作动器壳体16相连；两根阀体侧连接杆15穿过作动器壳体16且分别伸入第一阀组9和第二阀组10中；分别开在第一阀组9和第二阀组10侧壁上的供油端接口94和吸油端接口104与各自对应的供油端组件和吸油端组件相连；两根阀体侧连接杆15与作动器壳体16之间采用密封圈11密封，用于隔离液压系统工作介质液压油和驱动系统动力传动介质磁流变液3；线性轴承7用于限制轴承侧连接杆4、励磁单元和阀体侧连接杆15仅沿着阀组轴向作线性运动。

在本实施例中，驱动设备14为液压泵，通过液压泵经传动轴1传递动力使驱动转盘2在液压系统工作时能够持续作旋转运动；

在本实施例中，第一励磁单元5和第二励磁单元6面对称设置于两块驱动转盘2之间所形成的容纳空间中，对称面为驱动转盘2的一径面；

在本实施例中，所对应的轴承侧连接杆4和阀体侧连接杆15轴线共线；

在本实施例中，第一励磁单元5所连接的阀体侧连接杆15与第一阀组9中的第一阀芯92接触连接，第一励磁单元5与第一阀组9相对应；第二励磁单元6所连接的阀体侧连接杆15与第二阀体101接触连接，第二励磁单元6与第二阀组10相对应。

在本实施例中，两个线性平动件、两个励磁线圈和两个线圈铁芯的厚度均相等，线性平动件的厚度为4mm-6mm，励磁线圈的厚度为2mm-4mm，驱动转盘的厚度为10mm；各驱动转盘2与两个励磁单元间的距离相等，且均在0.5mm-1mm范围内。

如图1和图2所示的第一励磁单元5和第二励磁单元6均为扁平结构，第一励磁单元5包括：第一励磁线圈51、第一线性平动件52和第一导磁线圈铁芯53，第一导磁线圈铁芯53通过支撑杆固接于第一励磁线圈51中，缠绕在第一导磁线圈铁芯53外的第一励磁线圈51位于第一线性平动件52内；第二励磁单元6包括：第二励磁线圈61、第二线性平动件62和第二导磁线圈铁芯63，第二导磁线圈铁芯63通过支撑杆固接于第二励磁线圈61中，缠绕在第二导磁线圈铁芯63外的第二励磁线圈61位于第二线性平动件62内。

如图1所示的第一阀组9和第二阀组10均为开关阀；其中，第一阀组9包括：第一阀体91、第一阀芯92、第一复位弹簧93、供油端接口94和第一柱塞腔接口95；第一阀体91内设有滑动的第一阀芯92，第一复位弹簧93的两端分别与第一阀芯92和第一阀体91相连，第一阀体91侧壁的一侧开有供油端接口94，第一阀体91侧壁的中部开有第一柱塞腔接口95；第二阀组10包括：第二阀体101、第二阀芯102、第二复位弹簧103、吸油端接口104和第二柱塞腔接口105；第二阀体101内设有滑动的第二阀芯102，第二复位弹簧103的两端分别与第二阀芯102和第二阀体101相连，第二阀体101侧壁的一侧开有吸油端接口104，第二阀体101侧壁的中部开有第二柱塞腔接口105；

在本实施例中，吸油端接口104和供油端接口94设置于各自阀体轴向的不同侧上，以使得传动轴1转动时，可以操控任意一个阀体的开闭；具体的，吸油端接口104位于第二阀体101的轴承侧，而供油端接口94位于第一阀体91侧壁的非轴承侧。

在本实施例的工作过程中，传动轴1（驱动转盘2）沿逆时针转动。若对第一励磁单元5中的第一励磁线圈51通电励磁，第一导磁线圈铁芯53与驱动转盘2两个内表面间隙内的磁流变液3的剪切屈服强度将瞬间大幅增加，这样驱动转盘2和第一导磁线圈铁芯53、第一线性平动件52之间的产生的剪切驱动力，从而带动整个第一励磁单元5向非轴承侧平动运动，进而带动第一阀芯92向下运动，第一阀组9开启。同理，若对第二励磁单元6中的第二励磁线圈61通电励磁，左侧第一导磁线圈铁芯53附近的磁流变液3消磁失去剪切驱动力，第二导磁线圈铁芯63与驱动转盘2两个内表面间隙内的磁流变液3的剪切屈服强度将瞬间大幅增加，第二阀组10开启。

工作时驱动转盘2不停旋转，控制系统同时仅对一侧的励磁单元进行通电从而控制相应的阀门组开启。即，控制系统仅对左侧的第一励磁单元5通电同时右侧的第二励磁单元6不通电；或者控制系统仅对的第二励磁单元6通电进行工作同时第一励磁单元5不通电；从而在通电侧形成的剪切力将会开启第一阀组9，或者开启第二阀组10。当两侧的励磁线圈断电后，各阀芯在所对因的复位弹簧的作用下回到初始阀位。

如图3所示的实施例2，未描述部分与实施例1相同；

实施例2包括：三个动力耦合作动器8，每个动力耦合作动器8外均固接有与其匹配的两个阀组和柱塞腔配流块12，还包括共用的驱动设备14和传动轴1；三个动力耦合作动器8依次安装在传动轴1上，从而以紧凑的空间实现多阀叠加。

Claims (4)

1.一种基于动力耦合作动阀的数字配流机构，其特征在于，包括：至少一个动力耦合作动器（8），一个驱动设备（14）、一根传动轴（1），且每个动力耦合作动器（8）外均固接有两个阀组和柱塞腔配流块（12），其中两个阀组和柱塞腔配流块（12）并排安装在动力耦合作动器（8）阀体侧外，柱塞腔配流块（12）位于两个阀组之间，且柱塞腔配流块（12）的三个出口分别与两个阀组中部以及活塞腔相连；穿过动力耦合作动器（8）且与动力耦合作动器（8）中作动器壳体（16）转动连接的传动轴（1）的一端与驱动设备（14）相连；

所述动力耦合作动器（8）包括两块驱动转盘（2）、两个励磁单元、作动器壳体（16）、磁流变液（3）、两根轴承侧连接杆（4）和两根阀体侧连接杆（15），其中内部充满磁流变液（3）的作动器壳体（16）的外观呈扁矩形体，作动器壳体（16）内设有两块驱动转盘（2），驱动转盘（2）安装于传动轴（1）上且与传动轴（1）一同转动；两块驱动转盘（2）之间形成一个扁平的容纳空间，两个励磁单元面设置于容纳空间中且分布于传动轴（1）的两侧；励磁单元中线性平动件的两端分别固接有轴承侧连接杆（4）和阀体侧连接杆（15），轴承侧连接杆（4）通过线性轴承（7）安装在作动器壳体（16）内，阀体侧连接杆（15）穿过作动器壳体（16）与所对应阀组中的阀体接触连接；两个阀组的阀体上分别开有供油端接口（94）以及吸油端接口（104）以分别和供油端组件以及吸油端组件相连；

所述励磁单元由跑道型的线性平动件、跑道型的导磁线圈铁芯以及设置在外导磁线圈铁芯和线性平动件之间的励磁线圈组成；

所述线性平动件的厚度为4mm-6mm，所述励磁线圈的厚度为2mm-4mm；

所述阀组包括：阀体、阀芯、复位弹簧、供油端或吸油端接口和柱塞腔接口；阀体内设有滑动的阀芯，复位弹簧的两端分别与阀芯和阀体相连，阀体侧壁的一侧开有供油端或吸油端接口，阀体侧壁的中部开有柱塞腔接口；

所述两个励磁单元相对于驱动转盘（2）过传动轴（1）的径面面对称设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于动力耦合作动阀的数字配流机构，其特征在于，所述两根阀体侧连接杆（15）与所述作动器壳体（16）之间设有密封圈（11）。

3.根据权利要求1所述的一种基于动力耦合作动阀的数字配流机构，其特征在于，所述驱动转盘的厚度为10mm，驱动转盘（2）与励磁单元间的距离为0.5mm-1mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于动力耦合作动阀的数字配流机构，其特征在于，所述驱动转盘（2）不停旋转，控制系统对所述两个励磁单元中的一个进行通电从而控制相应的阀门组开启。