一种柱塞式进出油等流量四通液压变压器的制作方法

本发明涉及一种柱塞式进出油等流量四通液压变压器，属于液压传动与控制技术。

背景技术：

现在液压设备一般一台液压泵同时给多个负载供油，液压泵输出压力必须高于最大负载压力才能让最大负载动作。如果负载压力差别很大，系统供给低压负载回路的油液经速度控制阀节流掉很大的压力，产生很大的功率损失，系统的效率很低，而且引起油温的升高，必须配备较大功率的散热设备把油液温度降到系统要求的范围，这样又增加功率的消耗。对于有势能减小和惯性动能制动的工况，也通过节流把势能和动能转化为了热能。现在的泵和马达对拖液压回收装置结构复杂、体积和重量大、回收效率低、成本高；而新型液压变压器两个压力油口的流量比是变压比的倒数，很难控制进入负载的流量，主要用于恒压网络的二次压力调节。现在的液压设备特别是工程机械大部分是阀控负载液压系统，这种系统已经很成熟，很多都做成了与特定负载相匹配的集成阀组和工业液压泵，很难改变现有液压系统结构和工艺，但存在节流发热和效率低下的问题。所示需要发明适合现有液压系统的节能装置。

技术实现要素：

发明目的：现在的阀控液压系统，通过节流调节负载速度，把液压能转化为热能浪费掉了，使得液压油温度升高，为了防止油液因过热而老化，还需要增设降温设备，降温设备也会浪费能源。为此，本发明为现有阀控液压系统设计一种柱塞式进出油等流量四通液压变压器，在不改变现有阀控负载调速方式的前提下，能够回收原系统中各处节流浪费的液压能，可以直接利用回收的液压能，也可以存储起来，在系统需要高压油液时，此液压变压器再把存储的液压能释放出来再利用。使用这种液压变压器大大减小了液能损失，提高了系统效率，减小了系统发热和油液温升，降低了系统配备的散热设备规格。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种柱塞式进出油等流量四通液压变压器，包括壳体、端盖、配流盘、缸体、柱塞和斜盘，端盖、配流盘和缸体同轴设置在壳体内，端盖右端面与配流盘左端面、配流盘右端面与缸体左端面通过油膜贴合；

所述端盖左端面设置有四个油口a、b、o和t，端盖右端面设置有四个腰型槽a'、b'、o'和t'，a与a'、b与b'、o与o'、t与t'相连通；a'和b'位置相对，o'和t'位置相对，a、b、o和t分别为高压进油口、低压出油口、回收出油口和低压吸油口；

所述配流盘左端面设置有四个腰型槽a”、b”、o”和t”，配流盘右端面沿中心轴线均匀设置有四个结构尺寸相同的腰型槽a”'、b”'、o”'和t”'，a”与a”'、b”与b”'、o”与o”'、t”与t”'相连通；a”和b”位置相对，o”和t”位置相对；a”'和b”'位置相对，o”'和t”'位置相对；

所述缸体左端面沿中心轴线均匀设置有n个结构尺寸相同的腰型孔，缸体右部沿中心轴线均匀设置有n个结构尺寸相同的柱塞孔，缸体上的腰型孔和柱塞孔一一对应连通，且柱塞孔的中心线平行于缸体的中心轴线，每个柱塞孔内设置有一个柱塞，柱塞的右端伸出柱塞孔并通过球形端头与斜盘铰接；

所述端盖和壳体固定不动，配流盘、缸体和斜盘均能够沿各自的中心轴线转动，且配流盘和缸体的中心轴线与斜盘的中心轴线间存在夹角；

在任意时刻，端盖左端面上任意一个油口只能通过一条通路与配流盘右端面上的一个腰型槽连通，配流盘右端面上任意一个腰型槽能够同时连通一个以上柱塞孔，一个柱塞孔在同一时刻只能连通配流盘右端面上的一个腰型槽，即通过配流盘实现四个油口与n个柱塞孔的相通和配油；

通过斜盘限定柱塞的伸出最大行程和缩回最大行程：柱塞在伸出最大行程位置时，其在端盖上的圆周位置定义为上死点tdc；柱塞在缩回最大行程时，其在端盖上的圆周位置定义为下死点bdc；上死点tdc和下死点bdc的连线经过配流盘的中心，该连线同一侧的所有柱塞孔进出油流向相同，该连线两侧的柱塞孔进出油流向相反。

本发明的柱塞式进出油等流量四通液压变压器，其结构与现有的定量斜轴式柱塞马达有相似之处，不同点在于：定量斜轴式柱塞马达的配流盘只有两个腰形槽，且配流盘是固定不动的，端盖上只有两个油口，马达是用来将液压能转化为机械能从马达轴输出；而本发明的柱塞式进出油等流量四通液压变压器的配流盘上有四个腰形槽，并且配流盘是可以转动的，端盖上有四个油口，液压变压器是用来将高压进油口和低压出油口的压差液压能转化为另一种压力的液压能从回收出油口输出，马达轴不接机械负载，也没有机械能输出。由于存在的该重要差别，使得本发明与定量斜轴式柱塞马达的效用不同。

优选的，a”与a”'、b”与b”'、o”与o”'、t”与t”'各自通过一个径向孔连通，且a”与a”'、b”与b”'、o”与o”'、t”与t”'的截面积相等，以保证配流盘的轴向液压力平衡。

优选的，还包括电机(一般采用伺服电机)和减速器，电机的输出轴与减速器的输入轴联接，减速器的输出轴与配流盘的转轴固定联接。电机通过减速器驱动配流盘旋转(当然也可以采用手动、液动、气动等其他方式使配流盘实现转动)，改变了腰型槽a”'、b”'、o”'和t”'相对上死点tdc和下死点bdc连线的角度，改变了腰型槽a”'、b”'、o”'和t”'对应进出油柱塞的个数和行程，改变了柱塞进出油做功的大小，最终改变了四个油口的压力关系，改变了回收出油口压力与高压进油口和低压出油口压差的比，实现了变压的功能。

优选的，a'、b'、a”、b”的中心线位于同一个圆柱面上，o'、t'、o”和t”的中心线位于同一个圆柱面上，两个圆柱面同轴且半径不等。

优选的，在配流盘的转动范围内，a'与a”、b'与b”、o'与o”、t'与t”通过重叠的方式相连通，且a'、b'、o'与t'完全不会被遮挡，该设计使得油液流入和流出没有节流，这样液压变压器的变压范围可以达到最大。

有益效果：现有的新型液压变压器也能实现液能的回收和释放，但新型液压变压器只有三个油口，这三个油口的流量随配油盘控制角的变化而变化，也就是随进油和出油压力的变化而变化，不能用于回收单泵供多个负载时的压差能。而本发明的柱塞式进出油等流量四通液压变压器有四个进出油口，与单相电力变压器的原理更为相似，液压变压器的a口进油和b口出油流量相同，可以将a口和b口串入需要降压的负载管路中，回收原系统节流掉的压差能，不改变负载的流量。如果柱塞式进出油等流量四通液压变压器的b口和t口都接油箱，液压变压器与新型液压变压器功能相同，也具有新型液压变压器其它所有特点：能提高系统效率、既能实现降压也能实现增压、既能回收液能也能释放液能、不仅能回收高压液能也能回收低压液能、不同的进出油口连接和油口压力变化时能实现四象限运行等。本发明的液压变压器不仅可以回收系统中的液压能，也可以释放储存的液能再利用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为配流盘的右侧结构示意图；

图3(a)为柱塞式进出油等流量四通液压变压器职能符号示意图；

图3(b)为液能回收工况不同进出油连接的四种职能符号示意图；

图3(c)为液能释放工况不同进出油连接的四种职能符号示意图；

图4为基于液压变压器差压液能回收的单泵双负载阀控调速液压系统原理图；

图中包括：1伺服电机；2减速器；3配流盘；4缸体；5柱塞；6斜盘；7端盖；11液压泵；12比例换向阀(包括12a和12b两个)；13液压变压器；14第一电磁阀(包括14a～18h八个)；15梭阀(包括15a、15b和15c三个)；16液压马达；17液压缸；18压力传感器(包括18a～18e五个)；19第二电磁阀(包括19a～19d四个)；20单向阀；21油箱，控制器22。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种柱塞式进出油等流量四通液压变压器，包括电机1、减速器2、壳体8、端盖7、配流盘3、缸体4、柱塞5和斜盘6，电机1的输出轴与减速器2的输入轴联接，减速器2的输出轴与配流盘3的转轴固定联接，端盖7、配流盘3和缸体4同轴设置在壳体8内，端盖7右端面与配流盘3左端面、配流盘3右端面与缸体4左端面通过油膜贴合。

所述端盖7左端面设置有四个油口a、b、o和t，端盖7右端面设置有四个腰型槽a'、b'、o'和t'，a与a'、b与b'、o与o'、t与t'相连通；a'和b'位置相对，o'和t'位置相对，a、b、o和t分别为高压进油口、低压出油口、回收出油口和低压吸油口。

所述配流盘3左端面设置有四个腰型槽a”、b”、o”和t”，配流盘3右端面沿中心轴线均匀设置有四个结构尺寸相同的腰型槽a”'、b”'、o”'和t”'，a”与a”'、b”与b”'、o”与o”'、t”与t”'各自通过一个径向孔连通，且a”与a”'、b”与b”'、o”与o”'、t”与t”'的截面积相等；a”和b”位置相对，o”和t”位置相对；a”'和b”'位置相对，o”'和t”'位置相对。a'、b'、a”、b”的中心线位于同一个圆柱面上，o'、t'、o”和t”的中心线位于同一个圆柱面上，两个圆柱面同轴且半径不等。

所述缸体4左端面沿中心轴线均匀设置有n个结构尺寸相同的腰型孔，缸体4右部沿中心轴线均匀设置有n个结构尺寸相同的柱塞孔，缸体4上的腰型孔和柱塞孔一一对应连通，且柱塞孔的中心线平行于缸体4的中心轴线，每个柱塞孔内设置有一个柱塞5，柱塞5的右端伸出柱塞孔并通过球形端头与斜盘6铰接。

所述端盖7和壳体8固定不动，配流盘3、缸体4和斜盘6均能够沿各自的中心轴线转动，且配流盘3和缸体4的中心轴线与斜盘6的中心轴线间存在夹角。

在任意时刻，端盖7左端面上任意一个油口只能通过一条通路与配流盘3右端面上的一个腰型槽连通，配流盘3右端面上任意一个腰型槽能够同时连通一个以上柱塞孔，一个柱塞孔在同一时刻只能连通配流盘3右端面上的一个腰型槽，即通过配流盘3实现四个油口与n个柱塞孔的相通和配油；在配流盘3的转动范围内，a'与a”、b'与b”、o'与o”、t'与t”通过重叠的方式相连通，且a'、b'、o'与t'完全不会被遮挡。

通过斜盘6限定柱塞5的伸出最大行程和缩回最大行程：柱塞在伸出最大行程位置时，其在端盖7上的圆周位置定义为上死点tdc；柱塞在缩回最大行程时，其在端盖7上的圆周位置定义为下死点bdc；上死点tdc和下死点bdc的连线经过配流盘3的中心，该连线同一侧的所有柱塞孔进出油流向相同，该连线两侧的柱塞孔进出油流向相反。

基于上述描述，我们知道端盖左端油口和配流盘右端腰型槽的连通通路有通路(a→a'→a”→a”')、通路(b→b'→b”→b”')，通路(o→o'→o”→o”')，通路(t→t'→t”→t”')；假设a”'、b”'、o”'和t”'的位置设置如图2所示，且a作为高压进油口，b作为低压出油口(接负载)，o作为回收出油口，t作为低压吸油口，则该种情况下，柱塞式进出油等流量四通液压变压器的工作过程为：

(1)当a接高压油时，从a流入的高压油通过通路流入与a”'相连通的柱塞孔(为了便于说明下文以柱塞孔x0表示，柱塞孔x0内的柱塞以柱塞x表示)内，高压油对柱塞x的作用力使得柱塞x开始向柱塞孔x0外伸出，柱塞x的球形端头紧紧压在斜盘上，由于斜盘对柱塞x有反作用力，该反作用力垂直于缸体中心轴线方向的分力使得柱塞x侧面对缸体产生扭矩，迫使缸体按逆时针旋转，液压能转换为机械能，a”'完成液压马达的作用。

(2)当柱塞孔x0转过上死点与o”'相连通时，斜盘对柱塞x的作用力使柱塞x缩回柱塞孔x0，液压油从通路排出，o”'完成液压泵的排油作用。

(3)随着缸体的旋转，当柱塞孔x0与b”'相连通时，通过通路排油，b”'完成液压马达排油作用。

(4)当柱塞孔x0转过下死点与t”'相连通时，柱塞x在斜盘的作用下开始向柱塞孔x0外伸出，柱塞孔x0就通过通路吸油，t”'完成液压泵的吸油作用。

(5)随着缸体的旋转，柱塞孔x0又与a”'相连通，缸体完成一周的转动。

缸体转动一周，所有柱塞都从配流盘上的四个腰形槽中吸油或排油一次，如果忽略泄漏，从通路流入的高压油和从通路流出的低压油流量相同，从通路吸入的低压油和从通路流出的高压油流量相同。该柱塞式进出油等流量四通液压变压器相当于一台液压马达和一台液压泵的结合，这种工况可以回收a油口和b油口之间的压差液能，回收的高压油从o油口排出并可再利用。

依然采用图2的位置设置：如果b作为高压进油口，a作为低压出油口(接负载)，t作为回收出油口，o作为低压吸油口，则缸体会按照顺时针旋转，我们依然可以回收b油口和a油口之间的压差液能；如果o作为高压进油口，a作为低压出油口(接负载)，t和b接油箱，则缸体顺时针转动释放回收的液压能；如果a作为高压进油口，o作为低压出油口(接负载)，t和b接油箱，则缸体逆时针转动释放回收的液压能。所以本案的柱塞式进出油等流量四通液压变压器可以四象限运行。

如图2所示，定义配流盘控制角δ为a”'的对称中心线与配流盘上死点tdc和下死点bdc所在直径的夹角。伺服电机1通过减速器2驱动配流盘3转动，调节配流盘控制角δ的大小，就改变了柱塞5对应配流盘3上的四个腰形槽的行程，也就调节了a油口和o油口的流量比，从而调节了a油口和b油口的压差，由能量守恒定律推到得到压力比为λ＝po/(pa-pb)＝po/pl＝tanδ，其中pa为a油口压力，pb为b油口压力，po为o油口压力(即回收的油液压力)，pl为a油口和b油口的压差，且0≤δ≤π/2，0≤λ≤∞。

假如a油口和b油口的压差pl不变，当δ＝0时，配流盘的腰型槽a”'对于上死点是对称的，即腰型槽a”'上死点左右的长度相等，柱塞通过腰型槽a”'时吸油和排油行程相等，相当于做功行程为零，没有流量输入，输入功率为零，此时配流盘的腰型槽o”'全部位于排油侧，柱塞通过腰型槽o”'时的排量行程最大，输出的油液流量最大压力为零，即变压比为零；当0<δ<π/4时，配流盘的腰型槽a”'在吸油侧的长度小于排油侧的长度，柱塞通过腰型槽a”'时吸油行程小和排油行程大，有流量和功率输入，此时配流盘的腰型槽o”'还是全部位于排油侧，输出的流量大于腰型槽a”'输入的流量，由能量守恒定律可知，输出的油液有压力但小于压差pl，即变压比小于1；同理分析可知，当π/4<δ<π/2时，腰型槽o”'输出的流量小于腰型槽a”'输入的流量，输出的油液压力大于压差pl，即变压比大于1；当δ＝π/2时，腰型槽o”'输出的流量为零，输出的油液压力为∞，即变压比这∞。实际工况δ＝0(λ＝0)和δ＝π/2(λ＝∞)没有意义，一般48°<δ<132°，0.2<λ<5。

定义柱塞式进出油等流量四通液压变压器职能符号如图3(a)所示，椭圆代表液压变压器的壳体8，pa、pb、po和pt分别表示高压进油口、低压出油口、回收出油口和低压吸油口，箭头代表配流盘的角度可调，内部的黑三角代表油液的方向，每个油口都有两个三角(说明每个油口在不同的工况下进油或出油)，对角油口之间的连线表示对角两个油口的流量相等。油口关系：左右同侧两油口都是进油或都是出油，上下同侧两油口都是低压(低压出油口和低压吸油口)或高压(高压进油口和回收出油口)，对角油口一进一出流量相等。图3(b)是液能回收工况不同进出油连接的四种职能符号，图3(c)是液能释放工况不同进出油连接的四种职能符号。

图4是基于本案柱塞式进出油等流量四通液压变压器的单泵双负载阀控调速液压系统原理图，通过图4来说明本案的液压变压器在两负载液压系统中是如何回收压差液能的。

图4的液压系统由一个负载敏感液压泵11供油，由三个梭阀15选择负载马达16和负载油缸17的四个油口的最大压力，作为液压泵11的ls控制压力，调节液压泵11的输出压力稍高于负载所需的最高压力。由比例换向阀12a和12b分别控制马达16和油缸17的运行方向和速度，在系统工作时，控制器22通过压力传感器18a～18e检测比例换向阀12a和12b的进口和出口压力，计算比例换向阀12a和12b的阀口压差，压差最大的阀对应的负载压力小，相应的比例换向阀阀口就节流降掉了这个压差，产生热能使油液温度升高，浪费了液压能。

当比例换向阀12的控制信号不变时，随着负载压力的变化，供给负载的流量将变化，负载的操纵性不好，特别是两个负载需要配合动作时(如挖掘机的回转马达和大臂油缸)，可能引起不协调甚至发生事故。

图4是在单泵双负载阀控调速液压系统中增加了液压变压器13和几个电磁阀14和19，假如比例换向阀12b右比例电磁铁得电，比例换向阀12b给油缸17的有杆腔供油，使油缸17活塞杆缩入，控制器22检测到比例换向阀12b的阀口压差大于比例换向阀12a的阀口压差某一数值时，控制器22发出do控制信号让电磁阀14b、14d和19h得电，比例换向阀12b输出的油液不能直接进入油缸17，而是先进入液压变压器13的pa口，控制器22发出da控制信号调节能转换器13的配流盘控制角，经过液压变压器13降掉高于比例换向阀12a的压力差后，从pb口输出流量不变的油液再进入油缸的有杆腔驱动活塞杆缩入。这样就保证了比例换向阀12b阀口压差为一定值，不随负载压力和系统供液压力变化，比例换向阀12b输出的流量和油缸17的速度只受比例换向阀12b电磁铁的信号控制，液压变压器13相当于一个压力补偿器，与比例换向阀12b组成比例调速换向阀，不受负载压力和系统供液压力的干扰，负载的操纵性好。而且液压变压器13回收的压差液能从po口输出经单向阀20与液压泵11的输出油汇合，直接供给系统使用，这样也减少了系统发热，提高了效率，节约了能源，降低了设备的使用费用。

比例换向阀12a和12b其它电磁铁得电，油路切换与上述过程类似，转换器13都能实现低压负载回路中压差能的回收。

如果回收的能量直接利用不完，系统中可以增加蓄能器，先把能量回收到蓄能器，等系统需要时转换器13再把储存的能量释放出来。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。