转叶式液压舵机的制作方法

本发明涉及舵机领域，特别涉及一种转叶式液压舵机。

背景技术：

以液压油为工作介质，能够使船舶转舵并保持舵位的装置称为液压舵机。液压舵机的工作原理为，泵在电机驱动下输出高压油驱动舵叶转动。按照舵机转向控制方式的不同，液压舵机可以分为阀控液压舵机和闭式液压舵机。两者的区别在于，阀控液压舵机是通过换向阀控制泵输出的高压油的方向，进而实现舵叶的换向操作；闭式液压舵机是通过电机控制小泵正反转调整小泵输出的高压油的方向，进而实现舵叶的换向操作。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：闭式液压舵机中，因为其泵自吸能力较差，排量较小，仅适用于小型舵机，而且该闭式液压舵机整个液压系统是闭环，舵机产生的热量逐渐积累，影响舵机的性能。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种转叶式液压舵机，能够满足大扭矩转叶式舵机(大型舵机)需求且能减少舵机工作时产生的热量。所述技术方案如下：

本发明提供了一种转叶式液压舵机，所述转叶式液压舵机包括：

第一电机、控制单元、第一液压泵、第一驱动回路、第一补油回路、更油单元、油箱、舵机油缸、以及舵叶，

所述第一电机用于，双向旋转，

所述控制单元用于，控制所述第一电机的旋转方向和转速，

所述第一液压泵用于，根据所述第一电机的旋转方向及转速调整液压油的输出方向和排量，

所述第一驱动回路分别与所述第一液压泵和所述舵机油缸连接，用于将所述第一液压泵排出的液压油输送至所述舵机油缸以驱动舵叶朝第一方向或第二方向转动、以及将驱动所述舵叶转动时所述舵机油缸排出的液压油返回至所述第一液压泵，所述第一方向与所述第二方向相反，

所述第一补油回路包括第一补油支路和第一返回支路，所述第一补油支路分别与所述第一液压泵和所述油箱连接，用于将所述油箱中第一流量的油补入所述第一液压泵，

所述更油单元分别与所述舵机油缸和所述第一返回支路连接，用于将驱动所述舵叶转动时所述舵机油缸排出的第一流量液压油返回至所述第一返回支路，

所述第一返回支路与所述油箱连接，用于将所述更油单元返回的油返回至所述油箱。

可选地，所述第一驱动回路包括第一驱动支路和第二驱动支路，

所述第一驱动支路和所述第二驱动支路均分别与所述第一液压泵和所述舵机油缸连接，当所述第一驱动支路将所述第一液压泵输出的液压油输送至所述舵机油缸以驱动所述舵叶向所述第一方向转动时，所述第二驱动支路用于，将驱动所述舵叶转动时所述舵机油缸排出的第二流量液压油返回至所述第一液压泵，当所述第二驱动支路将所述第一液压泵输出的液压油输送至所述舵机油缸以驱动所述舵叶向所述第二方向转动时，所述第一驱动支路用于，将驱动所述舵叶转动时所述舵机油缸排出的第二流量液压油返回至所述第一液压泵，所述第一驱动支路或者所述第二驱动支路输送至所述舵机油缸中的液压油的流量等于第二流量与第一流量之和。

可选地，所述更油单元包括更油阀，所述更油阀包括更油阀本体、第一工作油口、第二工作油口、和第三工作油口，所述第一工作油口和所述第二工作油口分别与所述第三工作油口连接，

所述第一工作油口分别与所述第一驱动支路和所述舵机油缸的第一油口连接，所述第二工作油口分别与所述第二驱动支路和所述舵机油缸的第二油口连接，所述第三工作油口与所述第一返回支路连接，

当所述第一驱动支路将所述第一液压泵输出的液压油输送至所述舵机油缸时，所述舵机油缸的第一油口进油且所述舵机油缸的第二油口出油，所述第二工作油口分别与所述舵机油缸的第二油口和所述第三工作油口连通，当所述第二驱动支路将所述第一液压泵输出的液压油输送至所述舵机油缸时，所述舵机油缸的第一油口出油且所述舵机油缸的第二油口进油，所述第一工作油口分别与所述舵机油缸的第一油口和所述第三工作油口连通。

可选地，所述第一返回支路上设有背压单向阀，

所述背压单向阀用于，当所述更油单元返回的油的压力在目标范围时，保持所述第一返回支路连通。

可选地，所述第一返回支路上还设有过滤器，所述背压单向阀位于所述过滤器与所述油箱之间。

可选地，所述油箱为开式油箱。

可选地，所述第一液压泵为齿轮泵，所述油箱的安装位置高于所述第一液压泵的吸口位置。

可选地，所述第一驱动支路上设有第一液压单向阀，所述第二驱动支路上设有第二液压单向阀，

所述第一液压单向阀的第一工作油口分别与所述第一液压泵的第一油口和所述第二液压单向阀的先导口连通，所述第一液压单向阀的第二工作油口与所述舵机油缸的第一油口连通，

所述第二液压单向阀的第一工作油口分别与所述第一液压泵的第二油口和所述第一液压单向阀的先导口连通，所述第二液压单向阀的第二工作油口与所述舵机油缸的第二油口连通。

可选地，所述第一驱动支路上设有第一安全阀，所述第二驱动支路上设有第二安全阀，所述第一安全阀和所述第一安全阀均与所述控制单元连接，所述第一安全阀和第二安全阀均与所述第一返回支路连接。

可选地，所述转叶式液压舵机还包括：第二驱动回路、第二补油回路、第二电机、第二液压泵，

所述控制单元还用于，控制所述第二电机的旋转方向和转速，

所述第二液压泵用于，根据所述第二电机的旋转方向及转速调整液压油的输出方向和排量，

所述第二驱动回路分别与所述第一液压泵和所述舵机油缸连接，用于将所述第一液压泵排出的液压油输送至所述舵机油缸以驱动舵叶朝所述第一方向或所述第二方向转动、以及将驱动所述舵叶转动时所述舵机油缸排出的液压油返回至所述第一液压泵，

所述第二补油回路包括第二补油支路和第二返回支路，所述第二补油支路分别与所述第一液压泵和所述油箱连接，用于将所述油箱中第一流量的油补入所述第一液压泵，

所述更油单元还与所述第二返回支路连接，用于将驱动所述舵叶转动时所述舵机油缸排出的第一流量液压油返回至所述第二返回支路，

所述第二返回支路与所述油箱连接，用于将所述更油单元返回的油返回至所述油箱。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过第一电机、控制单元、第一液压泵、第一驱动回路、舵机油缸和舵叶，第一液压泵根据第一电机的旋转方向及转速调整液压油的输出方向和排量，第一驱动回路分别与所述第一液压泵和所述舵机油缸连接，用于将所述第一液压泵排出的液压油输送至所述舵机油缸以驱动舵叶朝第一方向或第二方向转动、以及将驱动所述舵叶转动时所述舵机油缸排出的液压油返回至所述第一液压泵，所述第一方向与所述第二方向相反，这样实现了闭式液压舵机的功能；第一补油回路包括第一补油支路，第一补油支路将油箱中第一流量的油补入第一液压泵，这样，第一补油回路作为第一液压泵专用补油通道，第一液压泵的排量可以选择足够大，同样转速下，泵的输出流量就会足够多，根据等式泵的输出压力*泵输出流量＝泵的输出功率，则完全可以满足大扭矩转叶式舵机需求；同时，第一补油回路还包括第一返回支路，更油单元将驱动舵叶转动时舵机油缸排出的第一流量液压油返回至第一返回支路，第一返回支路将更油单元返回的油返回至油箱进行冷却，这样，增加了更油单元对热油进行更换，保证了系统热油置换，能够为闭式液压舵机散热，改善舵机工作情况，提高舵机性能。

附图说明

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。

图1是本发明实施例提供的一种转叶式液压舵机的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的更油阀的结构示意图。

附图中，1第一电机、3第一液压泵、4第一驱动回路、41第一驱动支路、41a第一液压单向阀、41b第一安全阀、42第二驱动支路、42a第二液压单向阀、42b第二安全阀、5第一补油回路、51第一补油支路、52第一返回支路、52a背压单向阀、52b过滤器、6更油单元、7油箱、8舵机油缸、9舵叶、10第二驱动回路、101第三驱动支路、102第四驱动支路、11第二补油回路、111第二补油支路、112第二返回支路、12第二电机、13第二液压泵。

具体实施方式

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。

前述阀控液压舵机在待机的时候(不需要进行舵机操作时)，主系统(包括舵机油缸在内的推舵机构)不需要供油，但泵一直在输出，泵输出的大流量的液压油必须溢流掉，这样造成了大量的能量损失和发热。阀控液压舵机属于开式液压系统。闭式系统相对于开式系统更为节能，一是因为其主油路除液压锁以外，没有换向阀等其它阀，减小压损。二是因为可以采用双向变频电机，可以频繁启停不会产生电流冲击，在不需要操作的情况下可以停机，而开式系统需要电机需要一直开着，频繁启停会造成电网冲击。

图1示出了本发明实施例提供的一种转叶式液压舵机。参见图1，该转叶式液压舵机包括：第一电机1、控制单元(图未示出)、第一液压泵3、第一驱动回路4、第一补油回路5、更油单元6、油箱7、舵机油缸8、以及舵叶9。

第一电机1用于，双向旋转。

控制单元用于，控制第一电机1的旋转方向和转速。

第一液压泵3用于，根据第一电机1的旋转方向及转速调整液压油的输出方向和排量。

第一驱动回路4分别与第一液压泵3和舵机油缸8连接，用于将第一液压泵3排出的液压油输送至舵机油缸8以驱动舵叶9朝第一方向或第二方向转动、以及将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的液压油返回至第一液压泵3，第一方向与第二方向相反。

其中，第一补油回路5包括第一补油支路51和第一返回支路52。第一补油支路51分别与第一液压泵3和油箱7连接，用于将油箱7中第一流量的油补入第一液压泵3。

更油单元6分别与舵机油缸8和第一返回支路52连接，用于将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的第一流量液压油返回至第一返回支路52。

第一返回支路52与油箱7连接，用于将更油单元6返回的油返回至油箱7。

通过第一电机1、控制单元、第一液压泵3、第一驱动回路4、舵机油缸8和舵叶9，第一液压泵3根据第一电机1的旋转方向及转速调整液压油的输出方向和排量，第一驱动回路4分别与第一液压泵3和舵机油缸8连接，用于将第一液压泵3排出的液压油输送至舵机油缸8以驱动舵叶9朝第一方向或第二方向转动、以及将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的液压油返回至第一液压泵3，第一方向与第二方向相反，这样实现了闭式液压舵机的功能；第一补油回路5包括第一补油支路51，第一补油支路51将油箱7中第一流量的油补入第一液压泵3，这样，第一补油回路5作为第一液压泵3专用补油通道，第一液压泵3的排量可以选择足够大，同样转速下，泵的输出流量就会足够多，根据等式泵的输出压力*泵输出流量＝泵的输出功率，则完全可以满足大扭矩转叶式舵机需求；同时，第一补油回路5还包括第一返回支路52，更油单元6将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的第一流量液压油返回至第一返回支路52，第一返回支路52将更油单元6返回的油返回至油箱7进行冷却，这样，增加了更油单元6对热油进行更换，保证了系统热油置换，能够为闭式液压舵机散热，改善舵机工作情况，提高舵机性能。

正常工作情况下，参见图1，第一电机1顺时针转；第一液压泵3从a1口出油，b1口吸油。补油时，依靠油箱7油液自由流动从c1口进行补油。油液通过第一补油支路51(可以设有单向阀)进入到b1口。如果第一电机1逆时针转，则第一液压泵3从b1口出油，a1口吸油。从c1口的补油通过第一补油支路51进入到a1口。优选地，油箱7为开式油箱。开式油箱与大气相通。这样，返回至油箱7的液压油可以通过油箱7壁、以及油箱7与空气接触的面快速散热冷却。补入第一液压泵3的液压油为冷却油，冷却油进入闭式系统中，将有效实现系统的快速散热，提高系统性能。

基于油箱7为开式油箱，可选地，第一液压泵3为齿轮泵，并且，油箱7的安装位置高于第一液压泵3的吸口位置。齿轮泵作为主泵，其吸入口绝对压力只需要大于1bar(相当于1个大气压)，就能够维持闭式齿轮泵较好自吸能力，因此补油流量要求很小，10l/min的流量足够。这样，只要补油油箱7采用开式并与大气相通，且高度比泵吸口高，则可以满足吸口压力要求，不需要密闭压力容罐或者蓄能器进行增压。密闭压力容罐或者蓄能器需要维持一定压力要求，通常是依靠弹簧或者惰性气体来维持一定压力，涉及到充气，压力监测，自动补气等技术问题，这样会增加成本，提高制造要求。而采用普通开式油箱则不存在上述问题。

需要说明的是，由于补油油量低，油箱7可以与船舶上其它设备系统共用，这就减小了舵机装机功率，节省了成本和能量消耗。

其中，第一驱动回路4包括第一驱动支路41和第二驱动支路42。第一驱动支路41和第二驱动支路42均分别与第一液压泵3和舵机油缸8连接，当第一驱动支路41将第一液压泵3输出的液压油输送至舵机油缸8以驱动舵叶9向第一方向转动时，第二驱动支路42用于，将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的第二流量液压油返回至第一液压泵3；当第二驱动支路42将第一液压泵3输出的液压油输送至舵机油缸8以驱动舵叶9向第二方向转动时，第一驱动支路41用于，将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的第二流量液压油返回至第一液压泵3。其中，第一驱动支路41或者第二驱动支路42输送至舵机油缸8中的液压油的流量等于第二流量与第一流量之和。

示例性地，第二流量大于第一流量。第一流量的大小取决于第一液压泵3的自吸能力。第一液压泵3的自吸能力越差，第一流量越大。示例性地，第一流量为10l/min。只需要改变第一电机1转速，即改变第一液压泵3的排量，即可实现转叶式舵机输出扭矩变化，而与补油流量无关。

示例性地，参见图1，第一驱动支路41上设有第一液压单向阀41a，第二驱动支路42上设有第二液压单向阀42a。其中，第一液压单向阀41a的第一工作油口分别与第一液压泵3的第一油口和第二液压单向阀42a的先导口连通，第一液压单向阀41a的第二工作油口与舵机油缸8的第一油口连通。第二液压单向阀42a的第一工作油口分别与第一液压泵3的第二油口和第一液压单向阀41a的先导口连通，第二液压单向阀42a的第二工作油口与舵机油缸8的第二油口连通。

从第一液压泵3出来的高压油进入到第一驱动支路41上的第一液压单向阀41a或者第二液压单向阀42a。如果高压油从第一液压单向阀41a进入，则高压油同时可以进入第二液压单向阀42a的先导口，将第二液压单向阀42a打开，使得主油路可以通过第二液压单向阀42a回油。如果高压油从第二液压单向阀42a进入，则高压油同时可以进入第一液压单向阀41a先导口，将第一液压单向阀41a打开，使得主油路可以通过第一液压单向阀41a回油。当第一液压泵3不工作的时候，第一液压单向阀41a和第二液压单向阀42a均不会打开，液压油就被锁死在舵机油缸8里面，即使舵机有水流等外力作用也不会发生偏转。

进一步地，参见图1，第一驱动支路41上设有第一安全阀41b，第二驱动支路42上设有第二安全阀42b。第一安全阀41b和第一安全阀41b均与控制单元连接，第一安全阀41b和第二安全阀42b均与第一返回支路52连接。

设置第一安全阀41b和第二安全阀42b是为了保护系统，防止油压过高，当油压过高的时候，可以通过控制单元打开第一安全阀41b或第二安全阀42b，对液压油进行卸荷，返回至油箱7。

第一液压泵3出来的高压油通过第一驱动支路41或第二驱动支路42后就会进入到舵机油缸8，推动舵叶9转动。如果从第一液压泵3的a1口有100l油进入到舵机油缸8，那么就会有100l油从舵机油缸8流出，则进入到闭式系统中的补油需要从一个油口流出，而更油单元6则是为了保证多余的油从闭式系统中流出，此外，还要一个作用就是将舵机油缸8中的热油置换出来，保证系统不会过热。

示例性地，更油单元6包括更油阀。参见图2，该更油阀包括更油阀本体、第一工作油口g1、第二工作油口g2、和第三工作油口g3，第一工作油口g1和第二工作油口g2分别与第三工作油口g3连接。其中，第一工作油口g1分别与第一驱动支路41和舵机油缸8的第一油口连接，第二工作油口g2分别与第二驱动支路42和舵机油缸8的第二油口连接，第三工作油口g3与第一返回支路52连接。当第一驱动支路41将第一液压泵3输出的液压油输送至舵机油缸8时，舵机油缸8的第一油口进油且舵机油缸8的第二油口出油，第二工作油口g2分别与舵机油缸8的第二油口和第三工作油口g3连通，当第二驱动支路42将第一液压泵3输出的液压油输送至舵机油缸8时，舵机油缸8的第一油口出油且舵机油缸8的第二油口进油，第一工作油口g1分别与舵机油缸8的第一油口和第三工作油g3口连通。

具体地，更油阀中，更油阀本体上还设有阀芯、第一先导口x1和第二先导口x2。在系统不工作的时候(即电机转速为0，泵不出油时)，阀芯在弹簧力的作用下，处于中位(图2中z1所示)，此时，第一工作油口g1、第二工作油口g2和第三工作油口g3互不相通。当第一驱动支路41将第一液压泵3输出的液压油输送至舵机油缸8时，舵机油缸8的第一油口进油且舵机油缸8的第二油口出油。此时第一工作油口g1高压，第一先导口x1也是高压，使得更油阀阀芯处于左位(图2中z2所示)，进而使得第二工作油口g2和第三工作油口g3相通，第二工作油口g2通过第三工作油口g3，经过第一返回支路52回到油箱7。当第二驱动支路42将第一液压泵3输出的液压油输送至舵机油缸8时，舵机油缸8的第二油口进油且舵机油缸8的第一油口出油。此时第二工作油口g2高压，第二先导口(图2中z2所示)也是高压，使得更油阀阀芯处于右位(图2中z3所示)，进而使得第一工作油口g1和第三工作油口g3相通，第一工作油口g1通过第三工作油口g3，经过第一返回支路52回到油箱7。

在系统初运行时，管路空腔以及油液在高压情况下混杂大量气体，随着系统压力变化，这些气体会不断被压入到油液或者被释放出来，造成油液性能不稳定或者执行机构的动作不稳定，而且气体压缩会产生热量。通过加入更油阀后，可以使得这些气体随着更换出来的油一起排出闭式系统，而从开式油箱补入的新油都是低压油，不会含有气体，这样就使得闭式系统回路中含有的气体越来越少，提高系统稳定性。

示例性地，参见图1，第一返回支路52上设有背压单向阀52a。背压单向阀52a用于，当更油单元6返回的油的压力在目标范围时，保持第一返回支路52连通。当更油单元6返回的油的压力不在目标范围时，保持第一返回支路52断开。

进一步地，参见图1，第一返回支路52上还设有过滤器52b，背压单向阀52a位于过滤器52b与油箱7之间。常用的舵机闭式系统只有补油，但舵机系统经常运行，会导致系统发热，且油液中的杂质无法过滤。本系统增加更油单元6和过滤器52b，进行冲洗冷却，既保证了系统热油置换，又可以对油液进行过滤，还可以进行系统排气。

更油单元6中的原理如下：如果高压油从第一液压泵3的a1口进入，那么就会将更油单元6切换至左位，此时b1侧的低压油就会通过更油单元6流经过滤器52b以及背压单向阀52a，泄回油箱7。其中，背压单向阀52a的开启压力实际上就是更油设定背压。

示例性地，控制单元用于，在不需要进行舵机操作(即舵机待机)时，控制第一电机1的转速为0。这样，第一液压泵3的转速也为0，可实现节能，减小系统发热。

示例性地，参见图1，转叶式液压舵机还包括：第二驱动回路10、第二补油回路11、第二电机12和第二液压泵13。

控制单元还用于，控制第二电机12的旋转方向和转速。

第二液压泵13用于，根据第二电机12的旋转方向及转速调整液压油的输出方向和排量。

第二驱动回路10分别与第一液压泵3和舵机油缸8连接，用于将第一液压泵3排出的液压油输送至舵机油缸8以驱动舵叶9朝第一方向或第二方向转动、以及将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的液压油返回至第一液压泵3。

第二补油回路11包括第二补油支路111和第二返回支路112。

第二补油支路111分别与第二液压泵13和油箱7连接，用于将油箱7中第一流量的油补入第二液压泵13。

更油单元6与第二返回支路112连接，用于将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的第一流量液压油返回至第二返回支路112。

第二返回支路112与油箱7连接，用于将更油单元6返回的油返回至油箱7。

其中，第二驱动回路10包括第三驱动支路101和第三驱动支路102。第三驱动支路101和第三驱动支路102均分别与第二液压泵13和舵机油缸8连接，当第三驱动支路101将第二液压泵13输出的液压油输送至舵机油缸8以驱动舵叶9向第一方向转动时，第三驱动支路102用于，将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的第二流量液压油返回至第二液压泵13，当第三驱动支路102将第二液压泵13输出的液压油输送至舵机油缸8以驱动舵叶9向第二方向转动时，第三驱动支路101用于，将驱动舵叶9转动时舵机油缸8排出的第二流量液压油返回至第二液压泵13。

其中，第一驱动回路4与第二驱动回路10的结构及工作原理相同；第一补油回路5与第二补油回路11的结构及工作原理相同；第一驱动回路4与第一补油回路5构成一套完整液压系统，与第二驱动回路10与第二补油回路11构成的一套完整液压系统互为备用，在此不再赘述。

此外，对于闭式系统主油路中的阀(例如第一液压单向阀41a、以及第二液压单向阀42a)通径选择要大，这样压损小，因此整个系统发热量小，系统不需要增加额外散热，依靠回路油管及油箱7进行散热。选择第一液压单向阀41a、以及第二液压单向阀42a的型号时，其额定流量可以为系统流量的2～3倍，如系统流量为150l/min，阀的通径可以选择通径dn25～32，额定流量在320l/min～480l/min，这样正向和反向流通，阀的压降合起来只有7bar左右，压损比较小。

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。