能量转换模块及其旋转液压变换器

1.本发明涉及液压系统节能技术领域，特别是一种能量转换模块及其旋转液压变换器。


背景技术：

2.液压驱动具有更高的功率密度，已经成功应用在大量移动机械系统。然而，由于传统伺服阀控单元的节流损失，当液压执行器负载波动较大，传统液压系统就会呈现低效高能耗：低效导致系统发热，需要配备复杂冷却系统；高能耗导致能源需求变大，以上现象不利液压系统正常运转以及小型化升级。
3.降低节流损失是提升液压系统效率的关键问题，目前，大多数方法采用高速开关阀代替伺服阀，结合惯性元件组成液压变换器，利用脉宽调制技术实现输出压力与液压系统负载匹配控制。一类液压变换器基于直线惯性元件，模拟电子变压器原理，采用细长油管作为惯性元件，这是一种非常简单和经济的方法，但过长油管会增加沿程压力损失，影响输出效率。另外，细长油管需要较大安装空间，很难应用在高度集成的中小型液压系统。另一类液压变换器基于转动惯性元件，主要由液压马达连接惯性飞轮组成，采用液压马达作为惯性元件，输出压力通过高速开关阀控制信号占空比调节，由于其大尺寸与大重量，加之高速开关阀动作的延迟性，此类液压变换器动态性能不足。
4.上述液压变换器在一定程度上实现了液压驱动变压，提高液压系统的效率，然而，存在体积大、重量大、制造成本高以及控制性能差等问题，限制其在负载波动较大的液压系统中的实用发展。


技术实现要素：

5.本发明为了有效的解决上述背景技术中的问题，提出了一种能量转换模块及其旋转液压变换器。
6.具体技术方案如下；
7.一种能量转换模块，包括底座、壳体、惯性转子、被动叶片、盖板和控制转盘；所述惯性转子位于壳体的中部，所述壳体、惯性转子和盖板装配后形成环形油腔，惯性转子绕自身旋转，惯性转子内上下贯通有内油路，所述被动叶片安装在壳体一侧，具有惯性转子径向方向的平动自由度，并在弹簧的作用下紧贴惯性转子，在惯性转子的圆柱凸台处安装有固定叶片，被动叶片与固定叶片将环形油腔隔离为两个油腔，在被动叶片两侧的壳体上分别设有与环形油腔连通的输出压力油通道和低压油通道；所述底座的上方设有环形凹槽，控制转盘安装在环形凹槽的中部，控制转盘与底座相配合形成可控入口，所述底座上设有与可控入口连通的高压油通道，高压油通过可控入口经过内油路进入环形油腔。通过控制惯性转子与液压油的能量转化过程实现液压变换器对液压系统负载供给压力的控制。所述旋转液压变换器可以匹配的最大负载压力仅略低于输入高压油的压力，通过控制可控入口角度改变输出压力，通过减少节流损耗提升液压系统效率，较飞轮型液压变换器和直线型液
压变换器等装置结构更简单，同时，去除高速开关阀控制，利用微小型旋转惯性转子，不仅节约成本，还能保证液压变换器良好的动态性能。
8.优选地，所述惯性转子由底柱、圆柱凸台、固定叶片和导向板构成，所述圆柱凸台与底柱一体成型且直径小于底柱的直径，固定叶片与圆柱凸台侧部一体成型，且固定叶片的外侧与底柱侧壁一体成型，两块导向板连接与圆柱凸台与固定叶片之间，导向板外表面与圆柱凸台以及固定叶片侧壁平滑连接在一起。独特的惯性转子结构，具有体积小、惯量轻等特点，提升液压变换器动态性能。
9.优选地，所述被动叶片形状为t字形，与壳体侧部的导向槽滑动配合，弹簧置于导向槽与被动叶片之间，被动叶片的中部设有压力平衡通道，被动叶片的外侧为弧形，与固定叶片、导向板和圆柱凸台外侧配合。
10.优选地，所述内油路从底柱底部向上延伸到圆柱凸台、固定叶片和导向板的交汇处。
11.优选地，所述固定叶片外侧固定有密封胶条，与环形油腔的侧壁紧密配合。
12.优选地，所述盖板与所述壳体之间设有密封圈。
13.优选地，通过步进电机直接驱动控制转盘旋转角度。
14.一种旋转液压变换器，包括能量转换模块、高压油端口、低压油端口、第一单向阀、第二单向阀和蓄能器，高压油端口接能量转换模块中的高压油通道，低压油端口接能量转换模块中的低压油通道，能量转换模块设有输出压力油通道通向液压系统负载，第一单向阀放置于低压油端口与能量转换模块之间，用于控制低压油的流向，第二单向阀放置于能量转换模块的输出通道与液压系统负载之间，以避免液压油回流，所述蓄能器接在第二单向阀与液压系统负载之间。所述旋转液压变换器可运用于各类装备及平台的液压驱动系统，尤其在单泵源
‑
多执行器的微小型液压系统优势明显，通过控制液压驱动输出压力与负载有效匹配，大幅提升液压系统的能量利用效率，节约能源，减少污染排放，具有很好的经济价值和社会效益。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、通过改变可控入口角度，改变液压变换器能量存储时间，改变液压变换器输出压力，匹配液压系统负载，提升液压系统效率；2、动态特性好。通过电机直接控制可控入口的开口角度，驱动微小惯性转子，具有体积小、惯量轻等特点，提升了液压变换器动态的响应；3、结构简单，成本低廉。去除昂贵的高速开关阀，降低安装成本，同时采用转动直接变压，结构布置更加简单；4、可扩展性强。单个液压变换器，可以适应微小型液压系统负载需求，若系统流量和压力增大，可增加液压变换器数量以满足需求。
附图说明
16.图1是本发明的立体图；
17.图2是本发明去除盖板的内部图；
18.图3是本发明的中控制转盘的结构示意图；
19.图4是本发明的控制转盘的安装位置图；
20.图5是本发明中惯性转子的立体图；
21.图6是本发明中惯性转子与被动叶片配合图；
22.图7是本发明中惯性转子的俯视方向立体图；
23.图8是本发明中去除惯性转子的壳体内部图；
24.图9是本发明旋转液压变换器的原理图；
25.图10a
‑
图10e为被动叶片工作过程图；
26.图11是旋转液压变换器中能量存储阶段原理图；
27.图12是旋转液压变换器中能量释放阶段原理图；
28.图13是旋转液压变换器中滑行阶段原理图；
具体实施方式
29.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
30.下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1
‑
8所示，一种能量转换模块，包括底座1、壳体2、惯性转子3、被动叶片4、盖板5和控制转盘6；所述惯性转子位于壳体的中部，所述壳体、惯性转子和盖板装配后形成环形油腔7，惯性转子绕自身旋转，惯性转子内上下贯通有内油路8，所述被动叶片安装在壳体一侧，具有惯性转子径向方向的平动自由度，并在弹簧9的作用下紧贴惯性转子，在惯性转子的圆柱凸台处安装有固定叶片10，被动叶片与固定叶片将环形油腔隔离为两个油腔(第一油腔11和第二油腔12)，在被动叶片两侧的壳体上分别设有与环形油腔连通的输出压力油通道13和低压油通道14；
31.所述底座的上方设有环形凹槽15，控制转盘安装在环形凹槽的中部，控制转盘与底座相配合形成可控入口16，控制转盘是不规则形状的金属板，控制转盘可相对于底板转动，从而改变可控入口尺寸，控制转盘的旋转位置可以通过多种形式实现，本实例中为步进电机控制转盘旋转。所述底座上设有与可控入口连通的高压油通道17，高压油通过可控入口经过内油路进入环形油腔。通过控制惯性转子与液压油的能量转化实现液压变换器对负载供给压力控制。
32.如图5所示，所述惯性转子3由底柱31、圆柱凸台32、固定叶片33和导向板34构成，所述圆柱凸台与底柱一体成型且直径小于底柱的直径，固定叶片与圆柱凸台侧部一体成型，且固定叶片的外侧与底柱侧壁一体成型，两块导向板连接与圆柱凸台与固定叶片之间，导向板的外表面与圆柱凸台以及固定叶片的侧壁平滑连接在一起。所述固定叶片的外侧固定有密封胶条35，与环形油腔的侧壁紧密配合。所述内油路从底柱底部向上延伸到圆柱凸台、固定叶片和导向板的交汇处。独特的惯性转子结构，具有体积小、惯量轻的特点，提升了液压变换器动态性能。
33.所述被动叶片形状为t字形，与壳体侧部的导向槽滑动配合，弹簧置于导向槽与被动叶片之间，被动叶片的中部设有压力平衡通道41，被动叶片的外侧为弧形，与固定叶片、
导向板和圆柱凸台外侧配合。有许多方法可以控制被动叶片的状态切换。本实例中，液压变换器进入滑行阶段，惯性转子通过导向板开始将被动叶片推离自身，如图10a
‑
10e所述。当惯性转子上穿过被动叶片所在的区域后，被动叶片将在弹簧力的作用下返回其原始位置。
34.为了保证壳体与盖板之间的密封性，防止液压油泄漏，所述盖板与所述壳体之间设有密封圈18。
35.如图9所示，一种旋转液压变换器，包括能量转换模块、高压油端口ps、低压油端口pt、第一单向阀19、第二单向阀20和蓄能器21，高压油端口接能量转换模块中的高压油通道，低压油端口接能量转换模块中的低压油通道，能量转换模块设有输出压力油通道通向液压系统负载pl，第一单向阀放置于低压油端口与能量转换模块之间，用于控制低压油的流向，第二单向阀放置于能量转换模块的输出通道与液压系统负载之间，以避免液压油回流，所述蓄能器接在第二单向阀与液压系统负载之间。
36.旋转液压变换器的每个工作循环可分为三个阶段：能量存储阶段、能量释放阶段和滑行阶段。
37.能量存储阶段图11所示，两个叶片将环形油腔分成两部分：油腔11和油腔12。在此阶段，可控入口与惯性转子内油路连通，高压油可以通过可控入口通过转子内油路进入油腔11，推动惯性转子加速旋转。在此阶段，高压油中部分液压能推动惯性转子排出油腔12液压油流向负载，过剩的能量则被转换成惯性转子动能。在能量存储阶段，进入能量转换模块的所有能量都由高压油源供应。由于油腔11的压力高于低压油压力，单向阀1处于断开
‑‑
反向截止状态。
38.当惯性转子转过一定角度，惯性转子内油路与可控入口分离，高压油不能再通过惯性转子内油路进入油腔11，即高压油与油腔11不再连通，旋转液压变换器从能量存储阶段进入能量释放阶段，如图12所示。在这个阶段，没有高压油推动惯性转子，但惯性转子的转动惯性会驱使转子继续逆时针转动，油腔11的压力迅速下降甚至形成负压，低压油压力高于油腔11的压力，单向阀1处于连通状态，低压油进入能量转换模块的油腔11。在此阶段，惯性转子转速降低，依靠惯性转子动能推动油腔12液压油供给负载。
39.进入滑行阶段，被动叶片在惯性转子导向板的推动下向外移动，被动叶片与环形油腔内壁分离，油腔12消失。当惯性转子到达能量释放阶段和滑行阶段的交界处时，惯性转子导向板将推动被动叶片径向移动退出环形油腔，如图13所示。在这个阶段，没有液压油进入旋转液压变换器，需要蓄能器进行补偿才能保证输出液压油的不断输出。
40.三个工作阶段依次运行构成了整个工作循环。改变各个阶段在循环中的占比调整液压变换器的输入液压能。滑行阶段的占比与惯量转子导向板结构参数有关，可根据需求进行设计，但加工完成后不能调整。由于能量存储阶段和能量释放阶段的总占比是一定的，增加能量存储阶段将导致能量释放阶段减少，能量存储阶段的比例越高，则输入的液压能越多。
41.在旋转液压变换器中，惯性转子在每个循环中所转过的角度是一定的，各工作阶段对应的角度范围决定了不同阶段在整个循环中的占比。因此，设计角度可调的可控入口就能控制能量存储阶段的占比，可控入口对应的角度范围就是能量存储阶段所对应的角度范围。设θ1是可控入口的开口角度范围，当转子内油路口位于可控入口开口角度范围内，高压油通过可控入口进入能量转换模块，高压油压力高于输出口的负载所需压力，惯性转子
能够加速旋转。
42.由于滑行阶段的时间在整个循环是固定的，可以将能量存储阶段与能量释放阶段的比例作为旋转液压变换器的重要参数。θ1是可控入口的开口角度范围，即能量存储阶段对应的角度范围；θ2是能量释放阶段对应的角度范围；θ3是滑行阶段对应的角度范围。
43.θ1+θ2+θ3＝2π
44.k＝θ1/(θ1+θ2)
45.将k定义为旋转液压变换器的控制量，k仅与角度有关，不同k值对应可控入口的不同开口大小及位置。当控制信号的值为0时，可控入口关闭，当控制信号的值为1时，可控入口打开到最大位置。因此k能够代表能量存储阶段与能量释放阶段的比例。当k变化时，能量存储阶段与能量释放阶段的比例改变，从而实现液压能转换调整。因此，通过控制高压油区所占的比例k可以实现对输出压力的调节，通过电机驱动转盘转动实现对开口角度范围的控制。
46.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。