CN104154068A - 一种转角自伺服阀控环形缸 - Google Patents

Abstract

一种转角自伺服阀控环形缸，包括环形液压缸缸体和连接盘(6)，环形液压缸包括上端盖(2)、下端盖(18)、圆环形活塞杆(14)、固定挡块(16)、输出轴(22)、开设在上端盖中心的阀芯轴孔(30)；环形液压缸的上端盖(2)和连接盘(6)通过螺栓(25)相连接，所述上端盖(2)内开设阀套腔(31)，阀套腔(31)内设有阀套(10)，阀套(10)通过销钉(20)与圆环形活塞杆(14)和输出轴(22)固定在一起，阀芯(12)置于阀套(10)内部，阀芯(12)的上端穿过轴孔与位于连接盘(6)内的伺服电机(11)固定连接，阀套(10)和阀芯(12)为动配合，上端盖(2)、圆环形活塞杆(14)、阀套(10)、阀芯(12)、输出轴(22)、连接盘(6)、伺服电机(11)的轴心位于同一直线上。其优点是：本发明具有便于制造、结构紧凑、故障率低、密封性好、动力特性好、寿命长、流量大的特点。

Description

一种转角自伺服阀控环形缸

技术领域

本发明涉及液压缸技术领域，具体的说是一种转角自伺服阀控环形缸。

背景技术

液压缸是液压控制系统中不可或缺的元件，它能将电机输入的小功率转化为液压输出的大功率，以便对设备进行大功率稳定输出。

目前，将传统的液压缸的直线往复运动转化为摆动运动常用的是齿条结构的摆动缸，摆动缸的原理是将液压缸的往复运动通过齿条带动齿轮，转化成齿轮轴的正反向摆动旋转，进而将往复液压缸的推力转换成齿轮轴的输出扭矩。但是齿条结构的摆动缸的故障率比较高且体积比较大，常见的故障有缸筒固定螺栓断裂、油缸内泄漏，南京梅山钢铁公司热轧板厂的罗心伟在《齿轮齿条摆动液压缸工作原理及故障分析》(罗心伟，齿轮齿条摆动液压缸工作原理及故障分析，梅山科技,2012,3:52-53)一文中通过介绍齿轮齿条摆动液压缸的工作原理，分析造成齿轮齿条摆动液压缸故障的重要原因。齿条结构的摆动缸由于是液压缸和齿条结构的组合，所以其在加工和装配上面要求很高，使齿条结构的摆动缸的使用成本较高。

转角伺服阀控缸一般为双叶片摆动缸和伺服电机配合完成伺服动作，但是一般的双叶片摆动缸存在转轴径向力不平衡，密封性能差，结构复杂。针对阀芯径向力不平衡问题，武汉科技大学的学者蒋林等设计了一种P口和T口成对垂直正交分布的伺服阀结构(蒋林，陈新元，赵慧，曾良才，金晓宏，谢臻.基于液压转角伺服的液压关节研究.机电工程, 2011,28(3): 265-268+309.)。该伺服阀阀芯径向力平衡了、阀芯阻力有所减小，但同时也存在阀芯有一端易形成死腔的问题，当工作时间较长时，因泄漏油无法流出而会对阀芯产生较大轴向力，阀芯动力特性不是很理想，伺服盲区有所改进但也不理想；P口和T口成对垂直正交分布解决了阀芯径向力不平衡问题，但同时带来了阀体内部暗油道难于制备、难于加工等难题。

发明内容

本发明旨在解决液压缸领域里直接输出力矩、密封和伺服的问题，提出一种便于制造、结构紧凑、密封性好、故障率低、动力特性好、寿命长、流量大的转角自伺服阀控环形缸。

一种转角自伺服阀控环形缸，包括环形液压缸缸体和连接盘，环形液压缸包括上端盖、圆环形活塞杆、固定挡块、输出轴、开设在上端盖中心的轴孔；环形液压缸的上端盖和连接盘通过螺栓相连接，所述上端盖内开设阀套腔，阀套腔内设有阀套，阀套通过销钉与圆环形活塞杆和输出轴固定在一起，阀芯置于阀套内部，阀芯的上端穿过轴孔与位于连接盘内的伺服电机固定连接，阀套和阀芯为动配合，上端盖、圆环形活塞杆、阀套、阀芯、输出轴、连接盘、伺服电机的轴心位于同一直线上；所述上端盖上还开有四油道，第一油道、第二油道对应的两油口对称分布在阀芯轴孔两侧，第三油道、第四油道对应的两油口分布在固定挡块的两侧且上下相错分布于液压缸油腔和阀套腔之间。

所述阀套外径名义尺寸和高度名义尺寸与阀套腔的外径名义尺寸和高度名义尺寸相同，阀套内径名义尺寸与阀芯下端直径名义尺寸相同，阀套与阀套腔为动配合；阀套外壁开有四个油槽，四个油槽的横截面都为矩形，四个油槽内分别开有四个贯穿阀套的矩形油口，第一油槽和第三油槽内的油口为一对且油口中心线在同一平面上，第二油槽和第四油槽内的油口为一对且中心线在同一平面上，第一油槽和第三油槽内的油口中心线与第二油槽和第四油槽内的油口中心线相互垂直。

所述阀芯下端直径名义尺寸与阀套内径名义尺寸相同，阀芯上端直径名义尺寸与阀芯轴孔直径名义尺寸相同，阀芯中部开有四个扇形槽，扇形槽的高度名义尺寸和第一油槽的上端面到第四油槽的下端面的距离名义尺寸相同，扇形所对应的圆心角为90°，扇形的半径为r，油槽内油口的宽度为a，阀芯下端半径为r₀，则r满足下式：

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所述环形液压缸，包括上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖通过六个均匀圆周分布的螺栓和螺母连接；所述上端盖和下端盖内部设有环形的液压缸油腔、圆环形活塞杆、活塞和固定挡块，还包括有一端与上端盖相连，另一端依次穿过圆环形活塞杆、下端盖继而伸出下端盖外部的输出轴；所述固定挡块固接在液压缸油腔的内壁上，固定挡块与圆环形活塞杆为动配合；所述活塞与圆环形活塞杆固接为一体并与液压缸油腔为动配合，活塞和固定挡块对称于上端盖中轴线的铅垂面的两侧；圆环形活塞杆与输出轴通过销钉固定在一起；阀套外径名义尺寸和高度名义尺寸与阀套腔的外径名义尺寸和高度名义尺寸相同，阀套与阀套腔为动配合，阀套与阀套腔之间设有第五密封圈。

所述连接盘的外径名义尺寸与上端盖上端直径名义尺寸相同，且开有六个均匀圆周分布的螺栓孔；连接盘中间开有伺服电机槽和轴孔，轴孔的半径名义尺寸与阀芯上端半径名义尺寸相同；伺服电机槽和螺栓孔之间开有两个油道，两个油道对称于连接盘的轴线。

所述上端盖和下端盖之间通过第一密封圈进行密封，活塞的外表面中轴线处设有第二密封圈，圆环形活塞杆与上端盖之间设有第三密封圈，圆环形活塞杆与下端盖之间设有第四密封圈。

所述圆环形活塞杆的半径名义尺寸为液压缸油腔的外径名义尺寸和内径名义尺寸的平均值。

所述活塞的中心线为一段圆弧，活塞的轴向截面为圆形。所述活塞的径向截面半径名义尺寸与液压缸油腔的径向截面半径名义尺寸相同，活塞的外表面设有第二密封圈槽。

所述上端盖从外到内分别设有同轴的第一密封圈槽、液压缸油腔的上半腔、第三密封圈槽、阀套腔；液压缸油腔的上半腔和阀套腔之间设有圆环形活塞杆腔的上半腔；所述下端盖与上端盖的外径名义尺寸相同，下端盖从外到内分别设有同轴的第一密封圈槽、液压缸油腔的下半腔、第四密封圈槽、输出轴孔；液压缸油腔的下半腔和输出轴孔之间设有圆环形活塞杆腔的下半腔。

所述固定挡块的径向截面半径名义尺寸与液压缸油腔的径向截面半径名义尺寸相同；沿固定挡块与圆环形活塞杆接触面的对称线开有密封条槽，密封条槽的长度名义尺寸与对称线长度名义尺寸相同。

本发明转角自伺服阀控环形缸的优点是：

1)本发明在密封上采用的是密封圈，密封圈相对于密封条有更好的密封特性和运动特性，使液压缸在高压运行情况下液压油的泄漏得到了很好的控制；

2)本发明没有齿条组合，结构简单紧凑，体积小，输出力矩大，可用领域广；与此同时降低了成本，减少了故障率；

3)本发明的阀套和阀芯结构简单，易于加工阀芯径向力平衡，减少故障率，增加系统的稳定性，延长阀芯阀套使用寿命，与此同时还有效的增大了阀套阀芯的流量；

4)本发明所涉及的油道结构简单，最多由两段组成，大幅降低加工难度和成本。

因此，本发明具有便于制造、结构紧凑、故障率低、密封性好、动力特性好、寿命长、流量大的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为连接盘结构示意图；

图4为图3的B-B剖面结构示意图；

图5为上端盖的结构示意图；

图6为图5的C-C剖面结构示意图；

图7为图5的D-D剖面结构示意图；

图8为下端盖的结构示意图；

图9为图8的E-E剖面结构示意图；

图10为圆环形活塞杆的结构示意图；

图11为图10的F-F剖面结构示意图；

图12为输出轴的结构示意图；

图13为图12的仰视图；

图14为阀芯和阀套装配结构示意图；

图15为图14的左视图；

图16为图14的仰视图；

图17为图14的俯视图；

图18为图14的G-G剖面结构示意图；

图19为图15的H-H剖面结构示意图；

图20为图19的I-I剖面结构示意图；

图21为活塞的结构示意图；

图22为图21的J-J剖面结构示意图；

图23为固定挡块的结构示意图；

图24为图23的K-K剖面结构示意图；

图25为活塞的立体结构示意图。

图中，1为螺栓，2为上端盖，3为第二密封圈，4为活塞，5为第三密封圈，6为连接盘，7为第六密封圈，8为第一油道，9为第五密封圈，10为阀套，11为伺服电机，12为阀芯，13为第二油道，14为圆环形活塞杆，15为密封条，16为固定挡块，17为第一密封圈，18为下端盖，19为第四密封圈，20为销钉，21为深沟球轴承，22为输出轴，23为螺母，24为液压缸油腔，25为螺栓，26螺栓孔，27、30为阀芯轴孔，28、36为螺栓孔，29、37为第一密封圈槽， 31为阀套腔，32、41为第三密封圈槽，33为第三油道，34为第四油道，35为螺栓孔，38、43为第四密封圈槽，39为输出轴孔，40为活塞槽，42为工艺孔，44、45为销钉孔，46、47、48、53为导油口，49为第一油槽，50为第二油槽，51为第三油槽，52为第四油槽，54为第二密封圈槽，55为密封条槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图1-25所示，一种转角自伺服阀控环形缸，由上端盖2、下端盖18、阀套10、阀芯12、圆环形活塞杆14、活塞4、固定挡块16和输出轴22组成；

如图1和图2所示，上端盖2和下端盖18由六个均匀圆周分布的螺栓1和螺母23连接。液压缸油腔24是由上端盖2和下端盖18组合而成，上端盖2和下端盖18之间用第一密封圈17进行密封。如图3和图4所示，连接盘6和上端盖2由六个均匀圆周分布的螺栓25连接。

如图1所示，固定挡块16固接在液压缸油腔24的内壁上，固定挡块16与圆环形活塞杆14为动配合，活塞4与圆环形活塞杆14固接，活塞4和圆环形活塞杆14一起与液压缸油腔24为动配合，活塞4径向对称面装有第二密封圈3，活塞4和固定挡块16对称于轴线的铅垂面的两侧，上端盖2开有两油口8、13，两油道32、33，两油口8、13对称分布在轴孔30两侧，两油道32、33分布在固定挡块16的两侧；阀套10、圆环形活塞杆14与输出轴22通过销钉20固定在一起，阀套10装配在上端盖2的阀套腔31中，圆环形活塞杆14和输出轴22的轴心在同一直线上，圆环形活塞杆14与上端盖2之间设有第三密封圈5，圆环形活塞杆14与下端盖18之间设有第四密封圈19。

如图5、图6和图7所示，上端盖2从外到内分别设有六个均匀分布的螺栓孔28、第一密封圈槽29、液压缸油腔24的上半腔、第三密封圈槽32、阀套腔腔31，且它们的轴线在同一直线上。液压缸油腔24的上半腔和阀套腔腔31之间设有活塞杆腔上半腔。上端盖2开有第一油道8、第二油道13，第三油道32和第四油道33，第一油道8和第二油道13对应的油口对称分布在轴孔30两侧，第三油道32和第四油道33对应的油口分布在固定挡块16的两侧且上下相错分布于液压缸油腔24和阀套腔31之间。

所述的液压缸油腔24是环形的，液压缸油腔24是由位于上端盖2的液压缸油腔24的上半腔和位于下端盖18的液压缸油腔24的下半腔组成。液压缸油腔24的上半腔位于第一密封圈槽29和第三密封圈槽32之间，液压缸油腔24的下半腔位于第一密封圈槽37和第四密封圈槽38之间。

如图8和图9所示，所述的下端盖18与上端盖2的外径名义尺寸相同。下端盖18从外到内分别设有六个均匀分布的螺栓孔36、第一密封圈槽37、液压缸油腔24的下半腔、第四密封圈槽38、输出轴孔39，且它们的轴线在同一直线上。液压缸油腔24的下半腔和输出轴孔39之间设有圆环形活塞杆腔的下半腔。

如图10和图11所示，所述的圆环形活塞杆14的半径名义尺寸为a，液压缸油腔24的外径名义尺寸为b，液压缸油腔24的内径名义尺寸为c，且a、b、c满足：

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圆环形活塞杆14位于上端盖2和下端盖18组成的活塞杆腔中，且圆环形活塞杆14的轴线与液压缸油腔24的轴线在同一条直线上。圆环形活塞杆14中间开有工艺孔42。圆环形活塞杆14的边缘开有活塞槽40。圆环形活塞杆14与上端盖2之间设有第三密封圈5，圆环形活塞杆14与下端盖18之间设有第四密封圈19，相应地，圆环形活塞杆14上表面开设有第三密封圈槽41，下表面设有第四密封圈槽43。

如图12和图13所示，输出轴22的下端半径名义尺寸和输出轴孔39的半径名义尺寸相同，输出轴22的上端设有六个均匀分布的销钉孔44，输出轴22的轴线和圆环形活塞杆14的轴线在同一直线上。

如图14和图15所示，阀芯12下端的半径名义尺寸与阀套10的内径名义尺寸相同，阀芯12和阀套10为动配合，阀套10和阀套腔31为动配合；如图16和图17所示，阀套10的下端设有六个均匀分布的销钉孔45，阀芯12的上端半径名义尺寸与上端盖2的阀芯轴孔30的半径名义尺寸相同，阀芯12的上端开有伺服电机输出轴孔和键槽；如图18、图19和图20所示，阀套10开有四对导油口46、47、48、53，导油口46和导油口47呈90°圆周分布，导油口47和导油口48呈90°圆周分布，导油口48和导油口53呈90°圆周分布；

所述阀芯12下端直径名义尺寸与阀套10内径名义尺寸相同，阀芯12中部开有四个扇形槽，扇形槽的高度名义尺寸和第一油槽49的上端面到第四油槽52的下端面的距离名义尺寸相同，扇形所对应的圆心角为90°，扇形的半径为r，油槽内油口的宽度为a，阀芯下端半径为r₀，则r满足下式：

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如图21和图22所示，所述活塞4的中心线为一段圆弧、轴向截面为圆形，活塞4的径向截面半径名义尺寸与液压缸油腔24的径向截面半径名义尺寸相同。活塞4的外表面设有第二密封圈槽54，活塞4与圆环形活塞杆14固接。活塞4与液压缸油腔24为动配合。

如图23和图24所示，所述的固定挡块16的径向截面半径名义尺寸与液压缸油腔24的径向截面半径名义尺寸相同。活塞4和固定挡块16位于圆环形活塞杆14的轴线的两侧且径向对称面在同一平面上，固定挡块16固接在液压缸油腔24的内壁上，固定挡块16与圆环形活塞杆14为动配合。固定挡块16与圆环形活塞杆14接触面有对称线，沿对称线开有密封条槽55，密封条槽55的长度名义尺寸与对称线长度名义尺寸相同。

本发明是这样实现的：第一油道8和第二油道13分别接入高压油道和低压油道，环形液压缸油腔24被固定挡块16和活塞4分为高压油腔和低压油腔，阀芯12通过伺服电机11带动旋转，使阀套10上的导油口全部打开，阀套10内部被阀芯12分成两个高压油腔和两个低压油腔，高压油通过高压油道经第一油道8进入阀套10的导油口47，再通过导油口46和油道34进入液压缸油腔24，高压油腔和低压油腔之间形成压力差，使得活塞4向低压油腔运动，活塞4带动圆环形活塞杆14运动，圆环形活塞杆14带动输出轴22和阀套10做旋转运动，低压油通过油道33和导油口53进入阀套10内部的低压油腔，继而通过导油口48进入第二油道13回到油箱，阀套10旋转至阀套10上的油口全部被阀芯12关闭，整个过程实现了转角伺服阀控环形缸输出力矩。

Claims (10)

1.一种转角自伺服阀控环形缸，包括环形液压缸缸体和连接盘(6)，环形液压缸包括上端盖(2)、下端盖(18)、圆环形活塞杆(14)、固定挡块(16)、输出轴(22)、开设在上端盖中心的阀芯轴孔(30)；其特征在于：环形液压缸的上端盖(2)和连接盘(6)通过螺栓(25)相连接，所述上端盖(2)内开设阀套腔(31)，阀套腔(31)内设有阀套(10)，阀套(10)通过销钉(20)与圆环形活塞杆(14)和输出轴(22)固定在一起，阀芯(12)置于阀套(10)内部，阀芯(12)的上端穿过轴孔与位于连接盘(6)内的伺服电机(11)固定连接，阀套(10)和阀芯(12)为动配合，上端盖(2)、圆环形活塞杆(14)、阀套(10)、阀芯(12)、输出轴(22)、连接盘(6)、伺服电机(11)的轴心位于同一直线上；所述上端盖(2)上还开有四油道(8、13、33、34)，第一油道(8)、第二油道(13)对应的两油口对称分布在阀芯轴孔(30)两侧，第三油道(33)、第四油道(34)对应的两油口分布在固定挡块(16)的两侧且上下相错分布于液压缸油腔和阀套腔之间。

2.如权利要求1所述的转角自伺服阀控环形缸，其特征在于：所述阀套(10)外径名义尺寸和高度名义尺寸与阀套腔(31)的外径名义尺寸和高度名义尺寸相同，阀套(10)内径名义尺寸与阀芯(12)下端直径名义尺寸相同，阀套(10)与阀套腔(31)为动配合；阀套(10)外壁开有四个油槽(49、50、51、52)，四个油槽(49、50、51、52)的横截面都为矩形，四个油槽(49、50、51、52)内分别开有四个贯穿阀套(10)的矩形导油口(46、47、48、53)，第一油槽(49)和第三油槽(51)内的油口为一对且油口中心线在同一平面上，第二油槽(50)和第四油槽(52)内的油口为一对且中心线在同一平面上，第一油槽(49)和第三油槽(51)内的油口中心线与第二油槽(50)和第四油槽(52)内的油口中心线相互垂直。

3.如权利要求2所述的转角自伺服阀控环形缸，其特征在于：所述阀芯(12)上端直径名义尺寸与阀芯轴孔(30)直径名义尺寸相同，阀芯(12)中部开有四个扇形槽，扇形槽的高度名义尺寸和第一油槽(49)的上端面到第四油槽(52)的下端面的距离名义尺寸相同，扇形所对应的圆心角为90°，扇形的半径为r，油槽内油口的宽度为a，阀芯(12)下端半径为r₀，则r满足下式：

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4.如权利要求1所述的转角自伺服阀控环形缸，其特征在于：所述环形液压缸，包括上端盖(2)和下端盖(18)，所述上端盖(2)和下端盖(18)通过六个均匀圆周分布的螺栓和螺母连接；所述上端盖(2)和下端盖(18)内部设有环形的液压缸油腔(24)、圆环形活塞杆(14)、活塞(4)和固定挡块(16)，还包括有一端与上端盖(2)相连，另一端依次穿过圆环形活塞杆(14)、下端盖(18)继而伸出下端盖(18)外部的输出轴(22)；所述固定挡块(16)固接在液压缸油腔(24)的内壁上，固定挡块(16)与圆环形活塞杆(14)为动配合；所述活塞(4)与圆环形活塞杆(14)固接为一体并与液压缸油腔(24)为动配合，活塞(4)和固定挡块(16)对称于上端盖中轴线的铅垂面的两侧；圆环形活塞杆(14)与输出轴(22)通过销钉固定在一起；阀套(10)与阀套腔(31)之间设有第五密封圈(9)。

5.如权利要求1所述的转角自伺服阀控环形缸，其特征在于：所述连接盘(6)的外径名义尺寸与上端盖(2)上端直径名义尺寸相同，且开有六个均匀圆周分布的螺栓孔；连接盘(6)中间开有伺服电机槽和轴孔；伺服电机槽和螺栓孔之间开有两个油道，两个油道对称于连接盘(6)的轴线。

6.如权利要求1所述的转角自伺服阀控环形缸，其特征在于：所述上端盖(2)和下端盖(18)之间通过第一密封圈(17)进行密封，活塞(4)的外表面中轴线处设有第二密封圈(3)，圆环形活塞杆(14)与上端盖(2)之间设有第三密封圈(5)，圆环形活塞杆(14)与下端盖(18)之间设有第四密封圈(19)。

7.如权利要求1所述的转角自伺服阀控环形缸，其特征在于：所述圆环形活塞杆(14)的半径名义尺寸为液压缸油腔(24)的外径名义尺寸和内径名义尺寸的平均值。

8.如权利要求1所述的转角自伺服阀控环形缸，其特征在于：所述活塞(4)的中心线为一段圆弧，活塞(4)的轴向截面为圆形；所述活塞(4)的径向截面半径名义尺寸与液压缸油腔(24)的径向截面半径名义尺寸相同，活塞(4)的外表面设有第二密封圈槽(54)。

9.如权利要求1所述的转角自伺服阀控环形缸，其特征在于：所述上端盖(2)从外到内分别设有同轴的第一密封圈槽(29)、液压缸油腔(24)的上半腔、第三密封圈槽(32)、阀套腔(31)；液压缸油腔(24)的上半腔和阀套腔(31)之间设有圆环形活塞杆腔的上半腔；所述下端盖(18)与上端盖(2)的外径名义尺寸相同，下端盖(18)从外到内分别设有同轴的第一密封圈槽(37)、液压缸油腔(24)的下半腔、第四密封圈槽(38)、输出轴孔(39)；液压缸油腔(24)的下半腔和输出轴孔之间设有圆环形活塞杆腔的下半腔。

10.如权利要求1所述的转角自伺服阀控环形缸，其特征在于：所述固定挡块(16)的径向截面半径名义尺寸与液压缸油腔(24)的径向截面半径名义尺寸相同；沿固定挡块(16)与圆环形活塞杆(14)接触面的对称线开有密封条槽(55)，密封条槽(55)的长度名义尺寸与对称线长度名义尺寸相同。