无阀换向装置及方法与流程

1.本发明涉及液压系统，尤其涉及一种无阀换向装置及方法。


背景技术：

2.在液压系统中，管路内流动的液压油常常存在换向很快的情形，而在该情形下，可在管路内形成一个很高的压力峰值，冲击压力可高达正常工作压力的3
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4倍，极易使液压系统中的元件、管道、仪表等遭到破坏，如液压冲击可引起的震动、噪声、连接件松动，造成漏油、压力阀调节压力改变。
3.由于超高压方向控制元件性能的限制，国内产品往往在实现自动控制方面遇到很多困难，如大推力的电磁铁质量不可靠，影响了阀芯的动作，方向控制阀的中位机能也会在实际使用过程中出现卡阀等问题，而从国外购买方向控制阀的成本太高，存在不足。


技术实现要素：

4.本发明针对现有液压系统中采用传统方向控制阀应对高压液压油冲击情形存在相对不稳定且成本高的问题，提供了一种无阀换向装置及方法。
5.本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：
6.一方面，本发明提供了一种无阀换向装置，应用于液压系统，所述装置包括：
7.用于容纳液压油的油箱；
8.阀块，所述阀块包括柱塞泵、第一单向阀、第二单向阀，所述第一单向阀的输入端与所述柱塞泵的输出端连通，所述第二单向阀为液控单向阀，所述液控单向阀的输出端与所述第一单向阀的输出端所在一侧的管路连通、输入端与所述油箱连通；
9.用于执行伸缩动作的执行机构，所述执行机构包括活塞杆及分别位于所述活塞杆的活塞件两侧的第一腔室、第二腔室，所述第一腔室的连通端与所述第一单向阀的输出端、所述第二单向阀的输出端所在的管路连通；
10.用于泵送液压油的油泵，所述油泵包括第三单向阀、第四单向阀、第五单向阀及双向泵，其中，所述第三单向阀的输入端与所述油箱连通、输出端与所述双向泵的输入端；所述第四单向阀的输入端与所述双向泵的第一输出端连通、输出端与所述柱塞泵的输入端连通；所述第五单向阀的输入端与所述双向泵的第二输出端连通、输出端所述第二腔室的连通端连通；所述双向泵在正转时通过所述第一输出端输出液压油、在反转时通过所述第二输出端输出液压油；
11.用于驱动所述柱塞泵的柱塞泵轴、所述油泵的双向泵轴至少在两个旋转方向上旋转的旋转驱动器。
12.根据上述的无阀换向装置，所述柱塞泵包括柱塞泵体及设于所述柱塞泵体中的低压通道和高压通道，所述低压通道的输入端与所述第四单向阀的输出端连通，所述高压通道的输出端与所述第一单向阀的输入端连通；其中，所述低压通道用于输入低压液压油；所述高压通道用于输出高压液压油。
13.根据上述的无阀换向装置，所述柱塞泵体中还设有偏心轮、柱塞、吸油单向阀、加压腔及出油单向阀，所述偏心轮与所述柱塞泵轴连接以在所述柱塞泵轴的带动下转动；所述低压通道的输出端与所述吸油单向阀的输入端连通；
14.所述加压腔的输入端与所述吸油单向阀的输出端连通；所述加压腔中还设有供所述柱塞进行往复活动的滑腔结构，所述偏心轮的圆柱表面至少一部分在所述柱塞的往复活动路径上；所述加压腔的输出端与所述出油单向阀的输入端连通；
15.所述出油单向阀的输出端与所述高压通道的输入端连通。
16.根据上述的无阀换向装置，所述低压通道包括一用于通入低压液压油的低压主通道和用于将低压液压油分成两股油路的两低压分通道，
17.所述柱塞泵体的两侧部均设有一组由所述吸油单向阀、所述加压腔、所述柱塞及所述出油单向阀构成的加压结构，两所述低压分通道的输出端分别与相应一侧的所述吸油单向阀的输入端连通；
18.所述高压通道包括两高压分通道和用于将两所述高压分通道输出的高压液压油汇成一股油路的一高压主通道，两所述高压分通道的输入端分别与相应一侧的所述出油单向阀的输出端连通。
19.根据上述的无阀换向装置，所述旋转驱动器为双向电机。
20.根据上述的无阀换向装置，所述阀块还包括用于感应所述第一单向阀的输出端一侧所在的管路压力的压力传感器。
21.根据上述的无阀换向装置，所述阀块还包括第一溢流阀、第二溢流阀及第三溢流阀，其中，
22.所述第一溢流阀的输入端与所述第四单向阀的输出端一侧所在的管路连通；
23.所述第二溢流阀的输入端与在所述柱塞泵的输出端与所述第一单向阀的输入端之间的管路连通；
24.所述第三溢流阀的输入端与所述第五单向阀的输出端一侧所在的管路连通。
25.根据上述的无阀换向装置，所述第一溢流阀、所述第二溢流阀及所述第三溢流阀的输出端均与所述油箱连通。
26.另一方面，本发明还提供一种应用如上所述无阀换向装置的无阀换向方法，所述方法包括：
27.控制所述旋转驱动器正转，以驱动所述柱塞泵轴、所述双向泵转动以使得所述第三单向阀的输入端所在管路从所述油箱中吸油；
28.吸入的液压油经所述双向泵输入并通过所述第一输出端输出至所述第四单向阀的输入端；
29.液压油经所述第四单向阀输出，且在所述第四单向阀的输出端所在管路的压力达到第一压力设定值时，液压油进入所述柱塞泵进行加压以得到高压液压油；在所述柱塞泵的输入端所在管路的压力达到第二压力设定值时，所述高压液压油经所述第一单向阀进入所述第一腔体。
30.根据上述的无阀换向方法，所述方法还包括：
31.控制所述旋转驱动器反转，以驱动所述柱塞泵轴、所述双向泵转动以使得所述第三单向阀的输入端所在管路从所述油箱中吸油；
32.吸入的液压油经所述双向泵输入并通过所述第二输出端输出至所述第五单向阀；
33.液压油经所述第五单向阀输出，且所述第五单向阀的输出端所在的管路的压力达到第三压力设定时，液压油进入所述第二腔体。
34.本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
35.本发明所提供的无阀换向装置采用柱塞泵和油泵的双泵串联的结构方式，两者均由同一旋转驱动器驱动。在旋转驱动器正转时，即可输出超高压液压油。在旋转驱动器反转时，柱塞泵空转不消耗旋转驱动器功率，而油泵所输出的液压油的压力、流量增大，可提升执行机构的活塞杆的收缩速度，提升工作效率。与此同时，通过旋转驱动器的正反转，可由液压控制的执行机构实现无阀换向，整个装置可对液压油的快速换向进行有效应对且适应超高压液压油的运行特性，取代传统采用价格昂贵的方向控制阀的控制方式，降低制造成本。此外，本发明减少液压系统中液压元件数量，保养维护方便。在超高压力情况下，可减少液压油泄漏，换向效率增大，增强可靠性。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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他的附图。
37.图1为本发明提供的无阀换向装置在一实施方式下的单元结构框图；
38.图2为本发明提供的柱塞泵的剖面具体结构示意图；
39.图3为本发明提供的旋转驱动器、阀块及油泵在第一视角下的结合结构示意图；
40.图4为本发明提供的旋转驱动器、阀块及油泵在第二视角下的结合结构示意图；
41.图5为本发明提供应用于无阀换向装置的无阀换向方法在第一实施方式下的流程图；
42.图6为本发明提供应用于无阀换向装置的无阀换向方法在第二实施方式下的流程图。
43.图中标识说明：
44.100、无阀换向装置；
45.1、油箱；2、旋转驱动器；
46.3、阀块；31、柱塞泵；311、柱塞泵体；312、柱塞泵轴；313、偏心轮；314、柱塞；315、低压通道；316、吸油单向阀；317、加压腔；318、出油单向阀；319、高压通道；32、第一溢流阀；33、第二溢流阀；34、第一单向阀；35、压力传感器；36、第二单向阀；37、第三溢流阀；
47.4、执行机构；41、第一腔室；42、第二腔室；43、活塞杆；
48.5、油泵；51、第三单向阀；52、第四单向阀；53、第五单向阀；54、双向泵。
具体实施方式
49.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
50.参见图1至图4，其中，图1为本发明提供的无阀换向装置在一实施方式下的单元结
构框图；图2为本发明提供的柱塞泵31的剖面具体结构示意图；图3为本发明提供的旋转驱动器、阀块及油泵在第一视角下的结合结构示意图；图4为本发明提供的旋转驱动器、阀块及油泵在第二视角下的结合结构示意图。所述无阀换向装置100主要应用于液压系统中，可包括油箱1、旋转驱动器2、阀块3、执行机构4及油泵5，其中，油箱1用于容纳液压油，旋转驱动器2用于带动阀块3、油泵5中的泵体活动，而执行机构4则用于在液压油作用下执行伸缩动作如对目标物进行抵顶、回拉等。此处，所述旋转驱动器2优先采用双向电机。此处，旋转驱动器2的旋转轴与所述阀块3的柱塞泵轴、双向泵泵轴同心装配连接。旋转驱动器2、阀块3及油泵5可通过螺栓方式连接固定，其中，阀块3位于旋转驱动器2与油泵5之间。
51.如图1中，阀块3主要包括柱塞泵31、第一单向阀34及第二单向阀36，其中，第一单向阀34的输入端与柱塞泵31的输出端连通，也即由柱塞泵31输出的液压油经管路流入第一单向阀34的输入端，且在第一单向阀34的仅允许单向流通作用下从其的输出端流出。本发明中，第二单向阀36采用液控单向阀，其的输出端与第一单向阀34的输出端所在一侧的管路连通，而输入端则可与油箱1连通，此处，液控单向阀是依靠控制流体压力，可以使单向阀反向流通的阀，也即在一定压力条件下，液控单向阀可将其输出端输入的液压油反向流通至油箱1中。
52.执行机构4可包括第一腔室41、第二腔室42及可伸缩活动的活塞杆43，其中，活塞杆43的活塞件的两侧分别为第一腔室41、第二腔室42，通过向第一腔室41或第二腔室42中注入液压油，以推动活塞件活动并改变第一腔室41和第二腔室42的体积，同时活塞件带动活塞杆43进行伸缩活动。此处，第一腔室41的连通端与第一单向阀34的输出端所在的管路连通。因此，经第一单向阀34流出的液压油进入第一腔室41后，可推定活塞杆43的活塞件活动，使得活塞杆43伸出。与此同时，在第一单向阀34的输出端所在一侧的管路压力大于安全值时，可通过设置的液控单向阀将液压油释放出去，防止压力过大造成管路或者设备损坏。
53.油泵5主要包括第三单向阀51、第四单向阀52、第五单向阀53及双向泵54，其中，第三单向阀51的输入端与油箱1连通、输出端与双向泵54的输入端，因而，双向泵54在旋转驱动器2的旋转带动下，利用第三单向阀51的输入端一侧所在的管路从油箱1中抽出液压油。
54.双向泵54包括第一输出端和第二输出端，其中，在正转时通过第一输出端输出液压油、在反转时通过第二输出端输出液压油。第四单向阀52的输入端与双向泵54的第一输出端连通、输出端与柱塞泵31的输入端连通。而第五单向阀53的输入端与双向泵54的第二输出端连通、输出端第二腔室42的连通端连通。
55.在旋转驱动器2带动双向泵54正转时，液压油被双向泵54输向第四单向阀52方向，后经柱塞泵31加压输送至第一腔室41中，与此同时，由于第二腔室42内液压油的压力较小，因而活塞件可在第一腔室41内压力增大的情形下压缩第二腔室42的体积，相应地，第二腔室42内的液压油可流至第五单向阀53的输出端一侧所在的管路上，且在管路压力大于安全值时，可通过将一部分液压油输出的方式进行泄压。
56.在旋转驱动器2带动双向泵54反转时，液压油被双向泵54输向第五单向阀53方向，后经相应管路进入第二腔室42中，与此同时，由于第一腔室41内液压油的压力较小，因而活塞件可在第二腔室42内压力增大的情形下压缩第一腔室41的体积，相应地，第一腔室41内的液压油可流至第以单向阀34的输出端一侧所在的管路上，且在管路压力大于安全值时，可利用液控单向阀将一部分油压输出至油箱1的方式进行泄压。
57.本实施方式中，由于第一单向阀34的存在，可阻止第二腔室42中的液压油往柱塞泵31回流。与此同时，旋转驱动器2在反转时，油泵5的输出液压油不再经过第四单向阀52进入柱塞泵31的低压通道中，柱塞泵31空转因而柱塞泵31也不再输出高压液压油。
58.本发明所提供的无阀换向装置100采用柱塞泵31和油泵5的双泵串联的结构方式，两者均由同一旋转驱动器2驱动。在旋转驱动器2正转时，输出超高压液压油。在旋转驱动器2反转时，柱塞泵31空转不消耗旋转驱动器2功率，而油泵5所输出的液压油的压力、流量增大，可提升执行机构4的活塞杆43的收缩速度，提升工作效率。与此同时，通过旋转驱动器的正反转，可由液压控制的执行机构4实现无阀换向，整个装置可对液压油的快速换向进行有效应对且适应超高压液压油的运行特性，取代传统采用价格昂贵的方向控制阀的控制方式，降低制造成本。此外，本发明减少液压系统中液压元件数量，保养维护方便。在超高压力情况下，可减少液压油泄漏，换向效率增大，增强可靠性。
59.在一些具体应用例中，阀块3还可包括第一溢流阀32、第二溢流阀33及第三溢流阀37，其中：
60.第一溢流阀32的输入端与第四单向阀52的输出端一侧所在的管路连通，因而第一溢流阀32可对第四单向阀52与柱塞泵31之间管路中的液压油进行压力调节。第二溢流阀33的输入端与在柱塞泵31的输出端与第一单向阀34的输入端之间的管路连通，因而第二溢流阀33可对柱塞泵31与第一单向阀34之间管路中的液压油进行压力调节。第三溢流阀37的输入端与第五单向阀53的输出端一侧所在的管路连通，因而第三溢流阀37可对第五单向阀53与第二腔室42之间管路中的液压油进行压力调节。此处，当且仅当相应溢流阀将对应管路中的液压油的压力调节值相应值时，液压油才流至相应部件的输入端。
61.可以理解的是，第一溢流阀32、第二溢流阀33及第三溢流阀37的输出端均可以与油箱1连通，因而在进行溢流调节时，可将管路中的一部分液压油排至油箱1中。
62.此外，阀块3还可包括用于感应第一单向阀34的输出端一侧所在的管路压力的压力传感器35，以便实时获取管路中液压油的压力值，利于实现生产监控及/或安全监控。
63.如图2，结合图1，柱塞泵31可具体包括柱塞泵体311及设于柱塞泵体311中的低压通道315和高压通道319，低压通道315的输入端与第四单向阀52的输出端连通，高压通道319的输出端与第一单向阀34的输入端连通。其中，低压通道315用于输入低压液压油，而高压通道319则用于输出高压液压油。
64.柱塞泵体311中还设有偏心轮313、柱塞314、吸油单向阀316、加压腔317及出油单向阀318，偏心轮313与柱塞泵轴312连接以在柱塞泵轴312的带动下转动。而低压通道315的输出端与吸油单向阀316的输入端连通，因而经第四单向阀52输出的液压油可通过低压通道315进入吸油单向阀316。
65.加压腔317的输入端与吸油单向阀316的输出端连通，此外，加压腔317中还设有可供柱塞314进行往复活动的滑腔结构，而偏心轮313的圆柱表面至少一部分在柱塞314的往复活动路径上，加压腔317的输出端与出油单向阀318的输入端连通，而出油单向阀318的输出端与高压通道319的输入端连通。因此，液压油依次经低压通道315、吸油单向阀316进入加压腔317后，可将柱塞314抵至偏心轮313的转动区域以内，由于旋转驱动器2带动柱塞泵轴312转动，而转动的柱塞泵轴312可进一步带动偏心轮313转动，转动的偏心轮313可将伸出至其转动区域中的柱塞314回抵向加压腔317中，也即将柱塞314推向远离柱塞泵轴312的
方向，从而实现对液压油的加压。加压后的液压油可经出油单向阀318流至高压通道319中。
66.此处，低压通道315可包括一用于通入低压液压油的低压主通道和用于将低压液压油分成两股油路的两低压分通道，相应地，在柱塞泵体311的两侧部均设有一组由吸油单向阀316、加压腔317、柱塞314及出油单向阀318构成的加压结构，两低压分通道的输出端分别与相应一侧的吸油单向阀316的输入端连通。高压通道319包括两高压分通道和用于将两高压分通道输出的高压液压油汇成一股油路的一高压主通道，两高压分通道的输入端分别与相应一侧的出油单向阀318的输出端连通。更具体地，低压主通道分别与两低压分通道垂直，同理，高压主通道分别与两高压分通道垂直，所述高压主通道在低压主通道的延长线上，而高压分通道与低压分通道平行。加压腔317包括与低压主通道平行的主腔体、与主腔体垂直的滑腔结构。柱塞泵轴312设置在柱塞泵体311的中部位置处。
67.在此结构下，液压油进入低压主通道后分成两股液压油分别流向相应一侧的吸油单向阀316，在加压腔317及柱塞314、偏心轮313、柱塞泵轴312的共同作用下，实现对液压油的加压，其后，自相应的出油单向阀318流出，并经相应的高压分通道流出，最后由高压主通道汇聚超高压液压油并输出。
68.可以理解的是，在该具体结构的一变体结构中，柱塞泵体311上可仅包括一组有吸油单向阀316、加压腔317、柱塞314及出油单向阀318构成的加压结构，相应地，此时的低压通道315可直接与吸油单向阀316连通，高压通道319可直接与出油单向阀318连通。因此，在此结构下，液压油进入低压通道315后，可直接流向吸油单向阀316，在加压腔317及柱塞314、偏心轮313、柱塞泵轴312的共同作用下，实现对液压油的加压，其后，自出油单向阀318流出并直接有高压通道319输出。
69.可以理解的是，在旋转驱动器2停止工作时，第一腔室41内的高压油可被第一单向阀34和第二单向阀36锁住，从而实现对第一腔室41的保压功能。
70.参见图5，为本发明提供应用于无阀换向装置的无阀换向方法在第一实施方式下的流程图。本实施方式的无阀换向方法通过控制上述提及的无阀换向装置中的各个元件或组件进行动作，以实现相应功能，具体地，可包括如下步骤：
71.s101：控制旋转驱动器正转，以驱动柱塞泵轴、双向泵转动以使得第三单向阀的输入端所在管路从油箱中吸油。
72.s102：吸入的液压油经双向泵输入并通过第一输出端输出至第四单向阀的输入端。
73.s103：液压油经第四单向阀输出，且在第四单向阀的输出端所在管路的压力达到第一压力设定值时，液压油进入柱塞泵进行加压以得到高压液压油；在柱塞泵的输入端所在管路的压力达到第二压力设定值时，高压液压油经第一单向阀进入第一腔体。此处，所述第一压力设定值可根据前述的第一溢流阀所允许的管路压力值确定；所述第二压力设置可根据前述的第二溢流阀所允许的管路压力值确定。
74.本实施方式中，通过控制旋转驱动器正转，将高压液压油输送至第一腔体中，从而将活塞杆抵向最大行程方向，也即使活塞杆伸出。
75.参见图6，为本发明提供应用于无阀换向装置的无阀换向方法在第二实施方式下的流程图。本实施方式可在第一实施方式的基础上，包括控制旋转驱动器反转的步骤，具体可包括如下步骤：
76.s201：控制旋转驱动器反转，以驱动柱塞泵轴、双向泵转动以使得第三单向阀的输入端所在管路从油箱中吸油；
77.s202：吸入的液压油经双向泵输入并通过第二输出端输出至第五单向阀；
78.s203：液压油经第五单向阀输出，且第五单向阀的输出端所在的管路的压力达到第三压力设定值时，液压油进入第二腔体。此处，所述第三压力设定值可根据第三溢流阀所允许的管路压力值确定。
79.本实施方式中，通过控制旋转驱动器反转，将液压油输送至第二腔体中，从而将活塞杆抵向最小行程方向，也即活塞杆回缩。
80.结合图5和图6，本发明所提供的无阀换向方法采用柱塞泵和油泵的双泵串联的结构方式，两者均由同一旋转驱动器驱动。通过控制旋转驱动器正转，输出超高压液压油。通过控制旋转驱动器反转，柱塞泵空转不消耗旋转驱动器功率，而油泵所输出的液压油的压力、流量增大，可提升执行机构的活塞杆的收缩速度，提升工作效率。与此同时，通过旋转驱动器的正反转，可由液压控制的执行机构实现无阀换向，整个装置可对液压油的快速换向进行有效应对且适应超高压液压油的运行特性，取代传统采用价格昂贵的方向控制阀的控制方式，降低制造成本。此外，本发明减少液压系统中液压元件数量，保养维护方便。在超高压力情况下，可减少液压油泄漏，换向效率增大，增强可靠性。
81.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。