阅读说明：本技术 一种连续变压的大变压范围高速阀控液压缸液压变压器 (Continuous-transformation large-transformation-range high-speed valve control hydraulic cylinder hydraulic transformer ) 是由 周连佺 薄晓楠 张楚 刘强 杜文芳 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：一种连续变压的大变压范围高速阀控液压缸液压变压器,包括液压油缸,液压油缸的活塞杆两端具有质量块,活塞杆和质量块组成质量块活塞杆,质量块活塞杆左右两边的行程尽头处分别布置有行程开关。本发明通过单向阀和高速开关阀的结合,对油液流向进行控制,外加蓄能器,使得经单向阀流向负载的流量连续。整体结构左右对称,增压过程和减压过程的功能原理对称,增压过程中正向增压和反向增压的功能原理对称,减压过程中正向减压和反向减压的功能原理对称；通过液压能和质量块活塞杆动能的相互转化,可在不改变液压缸结构的前提下,实现连续无级变压,且仅需调节PWM信号的占空比,即可得到所需液压变压比,控制方便,结构简单,无振动和噪声。(The hydraulic transformer comprises a hydraulic oil cylinder, mass blocks are arranged at two ends of a piston rod of the hydraulic oil cylinder, the piston rod and the mass blocks form a mass block piston rod, and travel switches are respectively arranged at the travel ends of the left side and the right side of the mass block piston rod. The invention controls the flow direction of oil through the combination of the one-way valve and the high-speed switch valve, and is additionally provided with the energy accumulator, so that the flow flowing to the load through the one-way valve is continuous. The integral structure is bilaterally symmetrical, the functional principles of the pressurization process and the decompression process are symmetrical, the functional principles of forward pressurization and reverse pressurization in the pressurization process are symmetrical, and the functional principles of forward decompression and reverse decompression in the decompression process are symmetrical; through the interconversion of hydraulic energy and quality piece piston rod kinetic energy, can realize continuous stepless vary voltage under the prerequisite that does not change the pneumatic cylinder structure, and only need adjust the duty cycle of PWM signal, can obtain required hydraulic pressure transformation ratio, control is convenient, simple structure, no vibration and noise.)

一种连续变压的大变压范围高速阀控液压缸液压变压器

技术领域

本发明涉及液压传动与控制领域，特别是液压工程机械领域，具体涉及一种连续变压的大变压范围高速开关阀控液压缸液压变压器。

背景技术

增压液压缸是现有液压技术中常用的液压元件，增压液压缸利用同轴串联的两缸中活塞或柱塞截面积的不同，可达到增压或降压的效果。增压液压缸的自身结构决定不足之处在于，其活塞面积比是固定的，即其变压比不变，从而不能实现连续无级变压效果，导致其应用受到了严重的限制。

当前，液压变压技术中另一种被广泛研究的变压元件是新型液压变压器，其通过配流盘这一部件的旋转实现变压，能实现增压和减压，也能实现变压比可变。但是其存在诸多缺陷：变压范围小；由于新型液压变压器结构是根据液压泵修改的，因此体积大、效率较低；存在旋转部件，引起的噪声和振动较大；新型液压变压器属于非线性系统，很难实现精确控制；其负载压力和负载流量对应，无法实现固定负载压力下的流量可控，这一缺陷是其结构决定的。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续变压的大变压范围高速开关阀控液压缸液压变压器，不仅能实现变压比可变，且可通过行程开关和控制高速开关阀实现连续无级变压的功能，以克服现有的增压液压缸所存在的缺陷。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种连续变压的大变压范围高速阀控液压缸液压变压器，包括液压油缸，液压油缸分为左腔和右腔，液压油缸的活塞杆两端具有质量块，活塞杆和质量块组成质量块活塞杆，质量块活塞杆左右两边的行程尽头处分别布置有行程开关，当质量块活塞杆到达左边或右边的行程尽头处时触发行程开关；

高速开关阀四的出油口与左腔相连，高速开关阀五的出油口与右腔相连，高速开关阀四和高速开关阀五的进油口相连后与液压源相连；

高速开关阀七的进油口与左腔相连，高速开关阀八的进油口与右腔相连，高速开关阀七和高速开关阀八的出油口相连后与单向阀的进油口相连，单向阀的出油口与负载相连，连接单向阀出油口与负载的油路上还连接有蓄能器一；

连接高速开关阀四的出油口与左腔的管路还通过高速开关阀三与油箱相连，连接高速开关阀五的出油口与右腔的管路还通过高速开关阀六与油箱相连。

高速开关阀三和高速开关阀六得电关闭，失电打开；高速开关阀四、高速开关阀五、高速开关阀七和高速开关阀八得电打开，失电关闭。

作为优选的技术方案，连接所述液压源与高速开关阀四和高速开关阀五的管路上还连接有蓄能器二。

本发明还提供了上述液压变压器的增压方法，包括以下步骤：

A1：使高速开关阀三和高速开关阀四得电，保持高速开关阀五、高速开关阀六、高速开关阀七和高速开关阀八失电，液压源的油液经过高速开关阀四进入液压油缸左腔，质量块活塞杆加速右行，右腔中的油液经过高速开关阀六流入油箱，使液压能转化成质量块活塞杆的动能；负载由蓄能器一供液；

A2：保持高速开关阀三和高速开关阀四得电，使高速开关阀六和高速开关阀八得电，液压源的油液经过高速开关阀四进入左腔，推动质量块活塞杆右行，右腔油液通过高速开关阀八供给负载，质量块活塞杆减速右行，使质量块活塞杆的动能和液压源的液压能同时供给负载，实现增压；同时蓄能器一作为辅助动力源，当瞬时流量低于平均流量时由蓄能器一供油，保证给负载平稳供液；

A3：重复步骤A1-A2，直至质量块活塞杆触发右侧行程开关，当质量块活塞杆触发右侧行程开关后，右侧行程开关动作，使高速开关阀五和高速开关阀六处于得电状态，并使其余高速开关阀处于失电状态；

A4：高速开关阀五和高速开关阀六处于得电状态，其余高速开关阀处于失电状态，液压源的油液通过高速开关阀五进入右腔，左腔的油液经过高速开关阀三进入油箱，质量块活塞杆加速左行，使液压源油液的液压能转化成质量块活塞杆的动能，负载由蓄能器一供液；

A5：保持高速开关阀五和高速开关阀六得电，使高速开关阀三和高速开关阀七得电，液压源的油液通过高速开关阀五进入右腔推动质量块活塞杆左行，左腔油液通过高速开关阀七供给负载，质量块活塞杆减速左行；使质量块活塞杆的动能和液压源的液压能同时供给负载；

A6：重复步骤A4-A5，直至质量块活塞杆触发左侧行程开关；

A7：当质量块活塞杆触发右侧行程开关后，右侧行程开关动作，使高速开关阀三和高速开关阀四得电，之后重复步骤A1-A6。

作为优选的技术方案，本发明还提供了上述液压变压器的减压方法，包括以下步骤：

B1：使高速开关阀三、高速开关阀四、高速开关阀六、高速开关阀八得电，高速开关阀五和高速开关阀七处于失电状态，液压源的油液经过高速开关阀四进入左腔，推动质量块活塞杆加速右行，右腔中的油液经过高速开关阀八供给负载，液压源的液压能的一部分转变成质量块活塞杆的动能，蓄能器一作为辅助动力源，当瞬时流量低于平均流量时由蓄能器一供油以保证给负载平稳供液；

B2：保持高速开关阀六、高速开关阀八得电，其余高速开关阀失电，由于惯性，质量块活塞杆减速右行，左腔通过高速开关阀三吸油，右腔的油液经过高速开关阀八供给低压负载，质量块活塞杆的动能转化为液压能；

B3：使高速开关阀三、高速开关阀四、高速开关阀六、高速开关阀八得电，高速开关阀五和高速开关阀七处于失电状态，重复步骤B1-B2，直至质量块活塞杆触发右侧行程开关；右侧行程开关动作，使高速开关阀三、高速开关阀五、高速开关阀六、高速开关阀七得电，并使高速开关阀四和高速开关阀八失电；

B4：高速开关阀三、高速开关阀五、高速开关阀六、高速开关阀七处于得电状态，高速开关阀四和高速开关阀八处于失电状态，液压源的油液通过高速开关阀五进入右腔，活塞杆质量块加速左行，左腔中的液压油通过高速开关阀七供给负载，使液压源提供的液压能的一部分转化成质量块活塞杆的动能，另一部分液压能供给负载；

B5：使高速开关阀三、高速开关阀七得电，其余高速开关阀失电，由于惯性，质量块活塞杆继续减速左行，左腔中的液压油通过高速开关阀七供给负载，右腔通过高速开关阀六从油箱中吸油，质量块活塞杆的动能转化为供给负载的液压能；

B6：重复步骤B4-B5，直至质量块活塞杆全部伸出触发左侧行程开关，左侧行程开关动作，使高速开关阀三、高速开关阀四、高速开关阀六、高速开关阀八得电，高速开关阀五和高速开关阀七处于失电状态，重复步骤B1-B5。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的一种连续变压的大变压范围高速开关阀控液压缸液压变压器，通过改变高速开关阀的阀芯工作位置，使得液压缸活塞运动方向实现自动控制；利用单向阀和高速开关阀结合，对油液流向进行控制，外加蓄能器，使得经单向阀流向负载的流量连续，高速开关阀发展比较成熟，使用高速开关阀能极大地减少变压过程中的节流；整体结构左右对称，增压过程和减压过程的功能原理对称，增压过程中正向增压和反向增压的功能原理对称，减压过程中正向减压和反向减压的功能原理对称；通过液压能和质量块活塞杆动能的相互转化，可在不改变液压缸结构(活塞面积)的前提下，实现连续无级变压，且仅需调节PWM 信号的占空比，即可得到所需液压变压比，控制方便；结构简单，无振动和噪声。

附图说明

图1是本发明的一种连续变压的大变压范围高速开关阀控液压缸液压变压器的原理图；

图1中：1-液压源、2-蓄能器、3-高速开关阀、4-高速开关阀、5-高速开关阀、6-高速开关阀、7-高速开关阀、8-高速开关阀、9-液压油缸、10-质量块活塞杆、11a-行程开关、11b-行程开关、12-单向阀、13-蓄能器。

具体实施方式

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下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种连续变压的大变压范围高速开关阀控液压缸液压变压器，包括液压油缸9，液压油缸9分为左腔和右腔，液压油缸9的活塞杆两端具有质量块，活塞、活塞杆和两个质量块共同组成质量块活塞杆10，质量块活塞杆10左右两边的行程尽头处分别布置有行程开关(11a，11b)，当质量块活塞杆10到达左边或右边的行程尽头处时触发行程开关。

高速开关阀4的出油口与左腔相连，高速开关阀5的出油口与右腔相连，高速开关阀4 和高速开关阀5的进油口相连后与液压源1相连。

高速开关阀7的进油口与左腔相连，高速开关阀8的进油口与右腔相连，高速开关阀7 和高速开关阀8的出油口相连后与单向阀12的进油口相连，单向阀12的出油口与负载相连，连接单向阀12出油口与负载的油路上还连接有蓄能器13。

连接高速开关阀4的出油口与左腔的管路还通过高速开关阀3与油箱相连，连接高速开关阀5的出油口与右腔的管路还通过高速开关阀6与油箱相连。

连接液压源1与高速开关阀4和高速开关阀5的管路上还连接有蓄能器2，蓄能器2在各个工况中除了有补偿泄漏的作用，还有吸收脉动冲击的作用。

高速开关阀3和高速开关阀6得电关闭，失电打开；高速开关阀4、高速开关阀5、高速开关阀7和高速开关阀8得电打开，失电关闭。

本发明的一种连续变压的大变压范围高速开关阀控液压缸液压变压器，其工况及对应功能如表1所示。

表1电磁阀动作循环表

*+号代表得电，-号代表失电

工况一：变压比为1，，高速开关阀3、4、5、6、7、8都得电，液压源1的液压油直通负载，不变压。蓄能器2和蓄能器13可补偿泄漏，从而使压力恒定。蓄能器2在各个工况中除了有补偿泄漏的作用，还有吸收脉动冲击的作用。

工况二：变压比大于1，高速开关阀3、4得电，液压源1的油液经过高速开关阀4进入油缸9左腔，质量块活塞杆10加速右行，右腔油液经过高速开关阀6流入油箱，该工况将液压能转化成质量块活塞杆10的动能。此工况高压负载由蓄能器13供液。

工况三：变压比大于1，高速开关阀3、4、6、8得电，液压源1的油液经过高速开关阀4进入油缸9的左腔，推动质量块活塞杆10右行，右腔油液通过高速开关阀8供给高压负载，质量块活塞杆10减速右行。此工况中质量块活塞杆10有工况二产生的动能，其动能和液压源1提供的液压能E转化成液压能E₃。此工况蓄能器13作为辅助动力源，当瞬时流量低于平均流量时由蓄能器13供油，保证给负载平稳供液。

工况二和工况三如此交替循环增压，称为正向增压。直到活塞杆全部伸出触碰到行程开关11b时，行程开关11b动作，控制高速开关阀5和高速开关阀6动作使活塞杆向左缩回，继续反向增压。

工况四：变压比大于1，高速开关阀5、6得电，高压油通过高速开关阀5进入油缸9右腔，左腔的油液经过高速开关阀3进入油箱，质量块活塞杆10加速左行，该工况将液压能转化成质量块活塞杆10的动能。此工况高压负载由蓄能器13供液。

工况五：变压比大于1，高速开关阀3、5、6、7得电，高压油通过高速开关阀5进入油缸9右腔，推动质量块活塞杆10左行，左腔油液通过高速开关阀7供给高压负载，质量块活塞杆10减速左行。此工况中质量块活塞杆10有工况四产生的动能，其动能和液压源1 提供的液压能E转化成液压能E₅。此工况蓄能器13作为辅助动力源，当瞬时流量低于平均流量时由蓄能器13供油，能保证给负载平稳供液。

工况四和工况五如此交替循环增压，称为反向增压。直到活塞杆全部伸出时，行程开关11a动作，控制高速开关阀3、4、6、8动作，使活塞杆右向缩回，重复工况二和工况三，继续正向增压。变压比大于1即实现增压。变压比小于1即实现减压。

工况六：变压比小于1，高速开关阀3、4、6、8得电，高压油经过高速开关阀4进入油缸9左腔，推动质量块活塞杆10加速右行，右腔中的油液经过高速开关阀8供给低压负载，此工况中液压源提供的液压能E有一部分转变成了质量块的动能E₆。此工况蓄能器13 作为辅助动力源，当瞬时流量低于平均流量时由蓄能器13供油，能保证给负载平稳供液。

工况七：变压比小于1，高速开关阀6、8得电，由于惯性，质量块活塞杆10减速右行，油缸9左腔通过高速开关阀3吸油，此时该液压变压器处于泵工况，油缸9右腔的油液经过高速开关阀8供给低压负载，动能E₆转化为液压能。此工况蓄能器13作为辅助动力源，当瞬时流量低于平均流量时由蓄能器供油，能保证给负载平稳供液。

工况六和工况七如此交替循环减压，称为正向减压。直到当质量块活塞杆10全部伸出时，行程开关11b动作，控制高速开关阀3、5、6、7动作，使活塞杆反向缩回，重复工况七和工况八，进行反向减压。

工况八：变压比小于1，高速开关阀3、5、6、7得电，高压油通过高速开关阀5进入油缸9右腔，活塞杆质量块10加速左行，左腔中的液压油通过高速开关阀7供给低压负载。此工况，液压源1提供的液压能E一部分转化成质量块活塞杆10的动能E₈，另一部分液压能供给了低压负载。此工况蓄能器13作为辅助动力源，当瞬时流量低于平均流量时由蓄能器13供油，能保证给负载平稳供液。

工况九：变压比小于1，高速开关阀3、7得电，由于惯性，质量块活塞杆10继续减速左行，油缸9左腔中的液压油通过高速开关阀7供给低压负载，油缸9右腔通过高速开关阀6从油箱中吸油，此工况将动能E₈转化为液压能。此工况蓄能器13作为辅助动力源，当瞬时流量低于平均流量时由蓄能器13供油，能保证给负载平稳供液。

工况八和工况九如此交替循环减压，称为反向减压。直到质量块活塞杆10全部伸出时，行程开关11a动作，控制高速开关阀3、4、6、8动作，使活塞杆反向缩回，继续重复工况六和工况七进行正向减压。

实施例2

假设液压源1提供压力P₁和流量Q₁，供给负载的压力为P₂、流量为Q₂，质量块活塞杆10的活塞横截面积为A，PWM控制信号一个周期为T，质量块活塞杆10的质量为m，液压油缸9的长度为L，质量块活塞杆10的初速度为v₀。其中若质量块活塞杆10的质量m 很大，在有液压能转化为动能的工况中其速度会很小，在同样的周期内，位移较小，导致流量Q₂很小；若质量块活塞杆10的质量m很大，则其速度会很大，在同样的周期内，位移很大，容易导致在液压油缸9的长度L内无法完成一个工况，因此m的大小要根据实际情况选取。根据高速开关阀的性质，高速开关阀的开关过程非常迅速，时间非常短，即PWM 信号的一个周期很短。在不影响高速开关阀的频率响应性能的前提下，高速开关阀周期越短节流作用越小，压力损失就越小，此种液压变压器的性能就越好。

现以PWM信号占空比r＝50％为例，对发明的一种连续变压的大变压范围高速开关阀控液压缸液压变压器增压工作过程描述如下：

设置高速开关阀的PWM信号的占空比为50％。首先控制高速开关阀3、4得电(工况二)，即PWM信号的前半个周期。液压源1的油液经过高速开关阀4进入油缸9左腔，质量块活塞杆10加速右行。右腔油液经过高速开关阀6流入油箱，将液压能E转化成质量块活塞杆10的动能E₂。此工况高压负载由蓄能器13供液，以保证供给负载连续稳定的流量并平复压力脉动。令高速开关阀3、4、6、8得电(工况三)，即PWM信号的后半个周期。液压源1的油液经过高速开关阀4进入油缸9的左腔，推动质量块活塞杆10右行，右腔油液通过高速开关阀8和单向阀12供给高压负载，质量块活塞杆10减速右行。此工况中质量块活塞杆10存有工况二产生的动能E₂，动能E₂和液压源提供的液压能E转化成液压能 E₃。工况二和三即是正向增压过程，这一过程代表一个完整PWM控制信号的周期。工况四和五是反向增压过程，功能原理与正向增压过程对称类似。经过对正向增压过程中PWM信号的占空比r和变压比λ的关系进行推导得到变压比

由上述公式可知改变占空比即可控制该液压变压器的变压比。

以PWM信号占空比r＝50％为例，对发明的一种连续变压的大变压范围高速开关阀控液压缸液压变压器减压工作过程描述如下：

设置高速开关阀的PWM信号的占空比r为50％。首先控制高速开关阀3、4、6、8得电(工况六)，即PWM信号一个周期的前半个周期，液压源1提供的高压油经过高速开关阀4进入左腔，推动质量块活塞杆10加速右行。活塞杆腔中的油液经过高速开关阀8供给低压负载，此工况中液压能E有一部分转变成了质量块的动能E₆。令高速开关阀6、8得电 (工况七)，即PWM信号一个周期的后半个周期，由于惯性，质量块活塞杆10减速右行，液压缸左腔通过高速开关阀3吸油，此时该液压变压器处于泵工况，右腔的油液经过高速开关阀8供给低压负载，动能E₆转化为液压能。工况六和七即是正向减压过程，这一过程代表一个完整PWM控制信号的周期。工况八和九是反向减压过程，功能原理与正向减压过程对称相似。在工况七中，液压源1没有供油，液压缸左腔通过高速开关阀3从油箱中吸油实现供给负载连续的流量。对减压过程，PWM信号的占空比r和变压比λ的关系同样符合公式

需要说明的是，在其他不同变压比时，本发明的一种连续变压的大变压范围高速开关阀控液压缸液压变压器工作原理是一致的，在此不再累述。