数控液压柔性系统

摘要

数控液压柔性系统，属于液压技术领域。本系统包括一套数控系统，能量交换装置和三组六个配合端面体（左、右）布置在转换体的两端面上，分别由三个伺服电机控制转动端面体轴组。各配合端面上设有数量、通径、位置不等或不同的孔槽，在伺服电机的驱动下构成各油路动态的通/断逻辑关系，从而实现液压执行件输出参数达到设计所需的状态。本系统基于其控制性可靠，尺寸小重量轻，工作精度高，造价低，对航空器液压和水下航行器液压装备有特殊意义，对通用液压有普遍意义。

权利要求

1.一种数控液压柔性系统，包括主油缸以及由左箱体(11)、右箱体(31)构成的箱体，其特征是，还设有置于箱体内的门油路系统、置于箱体上方的两个相同的能量转换装置I和II，能量转换装置用于增压减流/增流减压，所述门油路系统包括输入输出机构、油路分配机构、交换机构；

所述输入输出机构包括伺服电机Ⅱ(13)、拉杆轴Ⅰ(33)、有圆形端面的固定的转换体Ⅰ号位(32)、与转换体Ⅰ号位两端面密封贴合的圆形端面体左Ⅰ(34)和端面体右Ⅰ(30)，所述端面体左Ⅰ的左端面设有内置油缸及活塞Ⅰ(36)，拉杆轴Ⅰ依次穿过活塞Ⅰ、端面体左Ⅰ、转换体Ⅰ号位、端面体右Ⅰ的轴心将其连接在一起；所述拉杆轴Ⅰ的右端通过滑动轴承(29)、传动销(27)与端面体右Ⅰ连接，拉杆轴Ⅰ的左端设有端盖齿轮Ⅰ(37)，伺服电机Ⅱ的轴连接有齿轮Ⅲ(12)；

所述转换体Ⅰ号位的两端面分别设有若干进油或返油的孔，所述端面体左Ⅰ的端面、端面体右Ⅰ的端面分别设有若干与转换体Ⅰ号位的端面孔相配合的孔、槽；伺服电机Ⅱ用于切换液压执行件的运动方向和各液压执行件的换位，伺服电机Ⅱ经一对齿轮副驱动拉杆轴Ⅰ使端面体左Ⅰ、端面体右Ⅰ转动，从而使端面体左Ⅰ的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体Ⅰ号位左端的任一个或多个孔联通，使端面体右Ⅰ的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体Ⅰ号位右端的任一个或多个孔联通；

所述油路分配机构包括伺服电机Ⅲ(15)、拉杆轴Ⅱ(28)、有圆形端面的固定的转换体Ⅱ号位、与转换体Ⅱ号位两端面密封贴合的圆形端面体左Ⅱ(14)和端面体右Ⅱ(26)，所述端面体左Ⅱ的左端面设有内置油缸及活塞Ⅱ(18)，拉杆轴Ⅱ依次穿过活塞Ⅱ、端面体左Ⅱ、转换体Ⅱ号位、端面体右Ⅱ的轴心将其连接在一起；所述拉杆轴Ⅱ的右端通过滑动轴承、传动销与端面体右Ⅱ连接，拉杆轴Ⅱ的左端设有端盖齿轮Ⅱ(16)，伺服电机Ⅲ的轴连接有齿轮Ⅳ(17)；

所述转换体Ⅱ号位的两端面分别设有若干进油或返油的孔，所述端面体左Ⅱ的端面、端面体右Ⅱ的端面分别设有若干与转换体Ⅱ号位的端面孔相配合的孔、槽；伺服电机Ⅲ用于油路分配，伺服电机Ⅲ经一对齿轮副驱动拉杆轴Ⅱ使端面体左Ⅱ、端面体右Ⅱ转动，从而使端面体左Ⅱ的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体Ⅱ号位左端的任一个或多个孔联通，使端面体右Ⅱ的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体Ⅱ号位右端的任一个或多个孔联通；

所述交换机构包括伺服电机Ⅳ(19)、拉杆轴Ⅲ(20)、有圆形端面的固定的转换体Ⅲ号位、与转换体Ⅲ号位两端面密封贴合的圆形端面体左Ⅲ(24)和端面体右Ⅲ(25)，所述端面体左Ⅲ的左端面设有内置油缸及活塞Ⅲ(23)，拉杆轴Ⅲ依次穿过活塞Ⅲ、端面体左Ⅲ、转换体Ⅲ号位、端面体右Ⅲ的轴心将其连接在一起；所述拉杆轴Ⅲ的右端通过滑动轴承、传动销与端面体右Ⅲ连接，拉杆轴Ⅲ的左端设有端盖齿轮Ⅲ(22)，伺服电机Ⅳ的轴连接有齿轮Ⅴ(21)；

所述转换体Ⅲ号位的两端面分别设有若干进油或返油的孔，所述端面体左Ⅲ的端面、端面体右Ⅲ的端面分别设有若干与转换体Ⅲ号位的端面孔相配合的孔、槽；伺服电机Ⅳ用于控制增压减流/增流减压的切换，伺服电机Ⅳ经一对齿轮副驱动拉杆轴Ⅲ使端面体左Ⅲ、端面体右Ⅲ转动，从而使端面体左Ⅲ的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体Ⅲ号位左端的任一个或多个孔联通，使端面体右Ⅲ的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体Ⅲ号位右端的任一个或多个孔联通；

在伺服电机Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的驱动下，控制输入输出机构孔、槽中的任一个或多个与进油口L口联通，控制输入输出机构孔、槽中的任一个或多个与油路分配机构孔、槽中的任一个或多个联通，控制油路分配机构孔、槽中的任一个或多个与交换机构孔、槽中的任一个或多个联通，控制交换机构孔、槽中的任一个或多个与能量转换装置联通，最终构成各油路动态的通/断逻辑关系，从而实现液压执行件输出参数达到设计所需的状态。

2.根据权利要求1所述的数控液压柔性系统，其特征是，所述能量转换装置I包括变能缸Ⅰ(40)、变能活塞Ⅰ(39)和导向杆Ⅰ(38)，导向杆Ⅰ中部设有圆柱形凸起，导向杆Ⅰ下部设有端盖(45)，变能缸Ⅰ与转换体Ⅲ号位之间设有空腔；导向杆Ⅰ的底部通过固定销安装于转换体Ⅲ号位，变能活塞Ⅰ安装于变能缸Ⅰ的空腔内，导向杆Ⅰ插入变能活塞Ⅰ轴心的空腔中，其中导向杆Ⅰ上侧的空腔为d腔，导向杆Ⅰ下侧的空腔为b腔，端盖与变能活塞Ⅰ底部螺栓连接；

变能缸Ⅰ的空腔顶部与变能活塞Ⅰ顶部之间设有e腔，e腔通过通道可与交换机构联通；

导向杆Ⅰ中心有孔通大气，转换体Ⅲ号位、导向杆Ⅰ及变能活塞Ⅰ底部构成a腔，a腔通过通道可与交换机构联通；能量转换装置Ⅱ的结构与能量转换装置Ⅰ的结构相同；两个能量交换装置交替工作，为液压执行件提供连续的、无限的流量与压力。

3.根据权利要求1所述的数控液压柔性系统，其特征是，拉杆轴Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ内分别轴向设有管道q、s、u，管道q、s、u分别与入口o、r、t相通，端面体左Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ与相应的活塞之间分别设有k、n、m腔，主电机驱动的泵所提供液压油经p口进入o、r、t入口，再分别经过q、s、u管道至k、n、m腔，构成对三个内置油缸建压，分别使三个端面体左的端面紧贴于相应的转换体的左端面上，构成密封面；同时由三个拉杆轴各自使其相应的端面体右紧贴于转换体的右端面上，构成密封面。

4.根据权利要求1所述的数控液压柔性系统，其特征是，还设有由液压马达(1)与编码器(3)组合构成的在线检测量系统，实时检测执行件的运动速度与位置并进行控制。

5.根据权利要求1所述的数控液压柔性系统，其特征是，还设有控制系统压力的数控溢流阀，数控溢流阀包括伺服电机Ⅰ(4)、齿轮Ⅰ(5)、齿轮Ⅱ(6)、螺杆(7)、阀套(8)，由伺服电机Ⅰ经齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ控制螺杆做左右直线位移，以压缩或放松弹簧实时控制系统压力。

6.根据权利要求1或2所述的数控液压柔性系统，其特征是，所述门油路系统内设有两个不同通径和开启压力的单向阀，为能量转换装置复位提供压力；同时，转换体内还有β1、β2、β3、β4这四个单向阀，作为流量切换时保证内部压力设置的。

7.根据权利要求1所述的数控液压柔性系统，其特征是，还设有2个辅助油缸。

说明书

数控液压柔性系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种数控液压柔性系统，属于液压技术领域。

背景技术

[0002] 现有的液压系统工作单一，想要获得的较大的流量输出或高压力数值必须采用体积更大的液压系统；且现有的液压系统输出的流量、压力数值为额定值，控制精度较差。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一数字控制的压力与流量可交换的液压系统-数控液压柔性系统，其输出终端(油缸/马达)可获得比泵本身排量大N倍的流量以得到高线速度或高转速的输出；也可获得比泵本身所能承受的压力高N倍的超高压力输出以得到大吨位力量或大扭矩的输出。

[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：数控液压柔性系统，包括主油缸以及由左箱体、右箱体构成的箱体，其特征是，还设有置于箱体内的门油路系统、置于箱体上方的两个相同的能量转换装置I和II，能量转换装置用于增压减流/增流减压，所述门油路系统包括输入输出机构、油路分配机构、交换机构；

[0005] 所述输入输出机构包括伺服电机2、拉杆轴1、有圆形端面的固定转换体1、与转换体1两端面密封贴合的圆形端面体左1和端面体右1，所述端面体左1的左端面设有内置油缸及活塞1，拉杆轴1依次穿过活塞1、端面体左1、转换体1、端面体右1的轴心将其连接在一起；所述拉杆轴1的右端通过滑动轴承、传动销与端面体右1连接，拉杆轴1的左端设有端盖齿轮
1，伺服电机2的轴连接有齿轮3；

[0006] 所述转换体1的两端面分别设有若干进油或返油的孔，所述端面体左1的端面、端面体右1的端面分别设有若干与转换体1的端面孔相配合的孔、槽；伺服电机2用于切换液压执行件的运动方向和各执行件的换位，伺服电机2经一对齿轮副驱动拉杆轴1使端面体左1、端面体右1转动，从而使端面体左1的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体1左端的任一个或多个孔联通，使端面体右1的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体1右端的任一个或多个孔联通；

[0007] 所述油路分配机构包括伺服电机3、拉杆轴2、有圆形端面的固定的转换体2、与转换体2两端面密封贴合的圆形端面体左2和端面体右2，所述端面体左2的左端面设有内置油缸及活塞2，拉杆轴2依次穿过活塞2、端面体左2、转换体2、端面体右2的轴心将其连接在一起；所述拉杆轴2的右端通过滑动轴承、传动销与端面体右2连接，拉杆轴2的左端设有端盖齿轮2，伺服电机3的轴连接有齿轮4；

[0008] 所述转换体2的两端面分别设有若干进油或返油的孔，所述端面体左2的端面、端面体右2的端面分别设有若干与转换体2的端面孔相配合的孔、槽；伺服电机3用于油路分配，伺服电机3经一对齿轮副驱动拉杆轴2使端面体左2、端面体右2转动，从而使端面体左2的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体2左端的任一个或多个孔联通，使端面体右2的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体2右端的任一个或多个孔联通；

[0009] 所述交换机构包括伺服电机4、拉杆轴3、有圆形端面的固定的转换体3、与转换体3两端面密封贴合的圆形端面体左3和端面体右3，所述端面体左3的左端面设有内置油缸及活塞3，拉杆轴3依次穿过活塞3、端面体左3、转换体3、端面体右3的轴心将其连接在一起；所述拉杆轴3的右端通过滑动轴承、传动销与端面体右3连接，拉杆轴3的左端设有端盖齿轮3，伺服电机4的轴连接有齿轮5；

[0010] 所述转换体3的两端面分别设有若干进油或返油的孔，所述端面体左3的端面、端面体右3的端面分别设有若干与转换体3的端面孔相配合的孔、槽；伺服电机4用于控制增压减流/增流减压的切换，伺服电机4经一对齿轮副驱动拉杆轴3使端面体左3、端面体右3转动，从而使端面体左3的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体3左端的任一个或多个孔联通，使端面体右3的端面孔、槽中的任一个或多个选择性地与转换体3右端的任一个或多个孔联通；

[0011] 在伺服电机2、3、4的驱动下，控制输入输出机构孔、槽中的任一个或多个与进油口L口联通，控制输入输出机构孔、槽中的任一个或多个与油路分配机构孔、槽中的任一个或多个联通，控制油路分配机构孔、槽中的任一个或多个与交换机构孔、槽中的任一个或多个联通，控制交换机构孔、槽中的任一个或多个与能量转换装置联通，最终构成各油路动态的通/断逻辑关系，从而实现液压执行件输出参数达到设计所需的状态。

[0012] 所述能量转换装置I中包括变能缸1、变能活塞1、导向杆1，导向杆1中部设有圆柱形凸起，导向杆1下部设有端盖，变能缸1与转换体之间设有空腔；导向杆1的底部通过固定销安装于转换体内，变能活塞1安装于变能缸1的空腔内，导向杆1插入变能活塞1轴心的空腔中，导向杆1的端盖与变能活塞底部螺栓连接；

[0013] 变能缸1的空腔顶部与变能活塞1顶部之间设有e腔，e腔通过通道可与交换机构联通；变能活塞1内部与导向杆1的D5(D5为导向杆1直径)和D6(导向杆1中部凸起的直径)分别构成d腔和b腔(即变能活塞1内部与导向杆1上部构成d腔，变能活塞1内部与导向杆1下部构成b腔)，再由端盖与变能活塞1底部螺钉连接；导向杆1中心有孔通大气，转换体、导向杆1及变能活塞1底部构成a腔，a腔通过通道可与交换机构联通；转换体、变能缸1及变能活塞1之间构成c腔，c腔通过通道可与交换机构联通；能量转换装置Ⅱ的结构与能量转换装置Ⅰ的结构相同；两个能量交换装置交替工作，为液压执行件提供连续的、无限的流量与压力。

[0014] 拉杆轴3、2、1内分别轴向设有管道q、s、u，分别与转换体内的入口o、r、t相通，端面体左3、2、1与相应的活塞之间分别设有k、n、m腔；主电机通过泵供油经p口进入o、r、t分别经过q、s、u管道至k、n、m腔，构成对三个内置油缸建压，分别使三个端面体左的端面紧贴于相应的转换体的左端面上，构成密封面；同时由三个拉杆轴各自使其相应的端面体右紧贴于转换体的右端面上，构成密封面。

[0015] 还设有由液压马达与编码器组合构成的在线检测量系统，实时检测执行件的运动速度与位置并进行控制。

[0016] 还设有控制系统压力的数控溢流阀，包括伺服电机1、齿轮1、齿轮2、螺杆、阀套，由伺服电机1经齿轮1、齿轮2控制螺杆做左右直线位移，以压缩或放松弹簧实时控制系统压力。

[0017] 所述门油路系统内设有两个不同通径和开启压力的单向阀，为能量转换装置复位提供压力；同时，转换体内还有β1、β2、β3、β4这四个单向阀，作为流量切换时保证内部压力设置的。

[0018] 所述转换体的两端面、端面体左1、2、3的右端面以及端面体右1、2、3的左端面的平面度不低于4级精度，其粗糙度值≤0.1μm。

[0019] 还设有2个辅助油缸。

[0020] 本系统包括一套数控系统，能量交换装置和三组六个配合端面体(左、右)布置在转换体的两端面上，分别由三个伺服电机控制转动端面体轴组。各配合端面上设有数量、通径、位置不等或不同的孔槽，在伺服电机的驱动下构成各油路动态的通/断逻辑关系，从而实现液压执行件输出参数达到设计所需的状态。

[0021] 本发明以液压执行件的回油为反馈量，作用有两方面：一方面用作驱动能量交换装置的复位动力；另一方面由液压马达与编码器组合构成系统的在线检测量，实时检测执行件的运动速度与位置并进行控制。

[0022] 本发明的功能：

[0023] 1.由交换装置实现压力变流量/流量变压力，使液压执行件获得大于其泵排量N倍的流量/高于泵所能承受压力N倍的超高压力。即构成增流/增压回路，且为连续的，稳定的，无限的。

[0024] 2.实时的在线控制系统的压力、流量、方向，其控制量为数字量。

[0025] 3.实时的在线控制执行件的运动速度和位置，其实现方式是以执行件回油为反馈量经液压马达-编码器进行给定油量和定位(柔性软定位)控制。

[0026] 本发明的有益效果：

[0027] 1.由于可获得超高压力，使得执行件的作用面积成倍减小。

[0028] 2.由于可获得超泵N倍的排量，使得执行件可获得泵排量N倍的速度。

[0029] 3.由于结构系端面接触使得配合面的磨损得以补偿。

[0030] 4.由于双重变能结构使得系统在全流量下可获得七挡正/反方向的压力/流量的输出；当使用压力补偿泵或双速电机更可获得十四档的压力/流量输出，油缸有杆腔(返回)有现在油缸所没有的大力量或大速度输出，扩大系统了的使用范围。且各挡流量的转换是无冲击的，在线的过渡方式。故称为柔性系统。

[0031] 5.系统可控制与驱动多个液压执行件。

[0032] 本发明的特点：

[0033] 1.高度的集成性，由于本系统的控制不再用各种阀，各油路集成于转换体内构成大规模集成油路，没有了阀与阀之间的管路。

[0034] 2.将门电路的概念引入到系统中来，构成门油路。系统的控制完全是通/断状态的转换与变化，因此系统的可靠性得到增加，故障率大为降低。

[0035] 3.超高压力的方便实现使得液压执行件的作用面积成倍减少，因此实现了全系统的重量成倍减轻，需要传动的液体量(介质)成倍减少(油箱成倍减小)；同时降低了成本和能耗，是节能的有效途径。

[0036] 本系统基于其控制性可靠，输出单一物理量大，尺寸小重量轻，工作精度高，造价低，对航空器液压和水下航行器液压装备有特殊意义，对通用液压有普遍意义。

附图说明

[0037] 图1为本发明的结构示意图；图2为图4中C-C剖视图；图3为图1中B-B剖视图；图4为图1中A-A剖视图；图4a为转换体油路图；图4b为转动端面体装配在转换体上的工作图之一；图5为能量转换装置的剖视图；图6为各端面体、转换体端面的孔、槽示意图；图7为端面体左
2的结构示意图；图8、9、10、11、12、13、14、15、14a、15a、16、17、18为实施例中快速进给模式油路图；图19为实施例中主油缸快速退回油路图；图20、21、22、23、24、25、26、27为实施例中工作进给模式油路图；图28为实施例中主油缸工作进给模式退回油路图；图29为实施例中泵油直接驱动主油缸进给油路图；图30为实施例中泵油直接驱动主油缸退回油路图；

[0038] 图中：1.液压马达、2.支架、3.编码器、4.伺服电机1、5.齿轮1、6齿轮2、7.螺杆、8.阀套、9.单向阀1、10.单向阀2、11.左箱体、12.齿轮3、13.伺服电机2、14.端面体左2、15.伺服电机3、16.端盖齿轮2、17.齿轮4、18.活塞2、19.伺服电机4、20.拉杆轴3、21.齿轮5、22.端盖齿轮3、23.活塞3、24.端面体左3、25.端面体右3、26.端面体右2、27.传动销、28.拉杆轴2、29.滑动轴承、30.端面体右1、31.右箱体、32.转换体、33.拉杆轴1、34.端面体左1、35.弹簧、
36.活塞1、37.端盖齿轮1、38.导向杆1、39.变能活塞1、40.变能缸1、41.变能缸2、42.变能活塞2、43.导向杆2、44.固定销、45端盖、46圆形凸起。

具体实施方式

[0039] 数控液压柔性系统的结构见图1、图2、图3、图4、图5。

[0040] 1.三组转动端面体的各两端面与其转换体固定端面贴合，每对面与面上设有若干孔/槽，由转换体内的油路连接。每组两个转动端面体由拉杆轴连接，一端置内油缸作用其两个端面构成夹紧密封力，轴由内置滑动轴承作支撑。

[0041] 2.控制系统压力的数控溢流阀也置于转换体内，见图2C-C剖视图。

[0042] 伺服电机1经齿轮1、齿轮2控制螺杆做左右线位移，从而可松/紧压在阀套内的弹簧作用力。使系统的压力得到设定，并实时可调。有油路从主油路引至阀套内，使得阀套一端锥面内外压力相等；设定阀套内受作用面积小于其锥部的作用面积，其作用力的差是由伺服电机1控制的弹簧松/紧来平衡的。

[0043] 3.转换体的上方设有两个相同的能量转换装置I和II。

[0044] 4.转换体内设有两个不同通径和开启压力的单向阀，见图3B-B剖视图中附图标记9、10。作用是为变能装置复位提供压力，同时，转换体内还有β1、β2、β3、β4这四个单向阀，这是作为流量切换时保证内部压力设置的。

[0045] 5.转动端面体外围(即转动端面体左、右)，左右箱体内部是通油箱的。

[0046] 见图4A-A剖视图；图6D-D、E-E、F-F、G-G剖视图。

[0047] 转动端面体左3上D-D(上部)剖视图 孔/槽通油箱。

[0048] 转动端面体右3上G-G(上部)剖视图 孔/槽通油箱。

[0049] 转动端面体右2上所有梯形方孔G-G(中部)剖视通油箱。

[0050] 转动端面左2上所有腰形槽①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩ 转动端面右3上腰形槽 转动端面左3上腰形槽
转动端面右1上所有腰形槽 转动端面左1上所有
腰形槽 的结构形式都是槽如X-X剖视图(见图6)所示的形式。

[0051] 凡是转换体固定端面上的孔系被转动着的端面上的这些槽所覆盖，即被沟通或通油箱。即转换体上的孔与孔的沟通或孔与油箱的沟通是由转动盘上的孔或弧形槽到达其相应位置时实现的。

[0052] 系统的工作原理：

[0053] 主电机--泵供油经p口(见图3、图4)进入o,r,t分别经过q,s,u管道至k,n,m腔，构成对三个内置油缸建压，分别使端面体左1、左2、左3的端面紧贴于转换体左端面上，构成密封面。同时由三个拉杆轴各自使其相应的右端面紧贴于转换体右端面上，构成密封面，其压力值即为系统压力。各油缸作用面积稍大于密封面上各孔槽有效作用面积之和，即保证贴紧力大于配合面间的液压作用力，又使得其驱动的伺服电机只需较小的扭矩；其35号件(见图4)弹簧是为初始的密封力。这样就使得k,n,m这三个腔对其对应端面体的作用力伺服于系统的压力，保证了在系统压力变化下对其对应端面的作用力基本稳定。

[0054] 为了保证端面配合的密封性，则要求其配合面之间的平面度不低于4级精度，其粗糙度值≤0.1μm.配合面之间的密封性是构成系统各油路通/断关系和建立压力的前提。转换体各端面盘上各孔/槽是由其转动端面体上的孔/槽在一定位置上沟通的。不在其位置上固定端面盘上的孔便被转动端面体的平面所封闭。

[0055] 伺服电机1(见图3)经一对齿轮副驱动7号件-螺杆的直线位移以压缩或放松弹簧实时控制系统压力。其实质是数控溢流阀。

[0056] 伺服电机2(见图4)经一对齿轮副驱动拉杆轴1(33号件)，用于切换液压执行件的运动方向和各执行件的换位。

[0057] 伺服电机3(见图4)经一对齿轮副驱动拉杆轴2(28号件)，用于油路分配。

[0058] 伺服电机4(见图4)经一对齿轮副驱动拉杆轴3(20号件)，用于控制增压减流/增流减压的切换。

[0059] 图5为液压能量转换装置。

[0060] 根据P＝F/A和Q＝VA(P-压力，kgf/cm；F-作用力，kgf；A-作用面积，cm2；Q-流量，2
ml/s；V-在Q流量下变能活塞的运动速度，cm /s)。以Ⅰ组为研究对象，令
设变能活塞输入压力为
P1，输出压力为P2，输入流量为Q1，输出流量为Q2。

[0061] 一增压/减流

[0062] 当泵输出的油液由I组的(1)和(4)口进入c腔和a腔(见图5)；推动变能活塞1(39)向上运动，则e腔油液从(5)口输出。此过程为增压/减流模式之一：

[0063] 1.输入/输出端压力的变化：由F1＝P1A3和F2＝P2A1，因为变能活塞两端的作用力相等，即F1＝F2，∴P1A3＝P2A1，令 ∴P2＝NP1，即输出端的压力为输入端的N倍，也即两端的有效面积比。

[0064] 2.输入/输出端流量的变化：变能活塞Ⅰ在Q1作用下以V1速度向上运动，即V1＝Q1/A3，同时V1＝Q2/A1，∴ 令 ∴Q2＝Q1/N，即输出端的流量为输入端的1/N倍，也即两端有效面积的反比。

[0065] 当泵输出的油液由I组的(1)口进入c腔，推动变能活塞1向上运动，则e腔油液从(5)口输出，a腔通邮箱。此过程为增压/油箱减流模式之二:

[0066] 1.输入/输出端压力的变化：

[0067] 由F’1＝P1A2和F’2＝P’2A1，因为变能活塞两端的作用力相等，即F’1＝F’2，∴P1A2＝P’2A1，令 ∴P’2＝N’P1。

[0068] 2.输入/输出端流量的变化：同理V’1＝Q1/A2，同时V’1＝Q’2/A1，∴ 令∴Q’2＝Q1/N’。

[0069] 当泵输出的油液由I组的(4)口进入a腔，推动变能活塞I向上运动，则e腔油液从(5)口输出，c腔铜油箱。此过程为增压/减流模式之三:

[0070] 1.输入/输出端压力的变化：由F”1＝P1A4和F”2＝P”2A1，因为变能活塞两端的作用力相等，即F”1＝F”2，∴P1A4＝P”2A1，令 ∴P”2＝N”P1。

[0071] 2.输入/输出端流量的变化：同理V”1＝Q1/A4，同时V”1＝Q1/A4，∴ 令∴Q”2＝Q1/N”。

[0072] 二增流/减压

[0073] 以Ⅰ组为研究对象，当泵输出的油液由I组的(5)口进入e腔；推动变能活塞I(39)向下运动，则c腔和a腔油液从(1)口和(5)输出。此过程为增流/减压模式之一:

[0074] 1.输入/输出端压力的变化：设油液作用于A1上的作用力为f1，作用于A2上的作用力为f2，由f1＝P1A1和f2＝P2A3，因为变能活塞两端的作用力相等，即f1＝f2，∴P1A1＝P2A3，令∴P2＝nP1，即输出端的压力为输入端的n倍，也即两端的有效面积比。

[0075] 2.输入/输出端流量的变化：变能活塞Ⅰ在q1作用下以V1速度向上运动，即V1＝q1/A1，同时V1＝q2/A3，∴ 令 ∴q2＝q1/n，即输出端的流量为输入端的1/n倍，也即两端有效面积的反比。

[0076] 当泵输出的油液由Ⅰ组的(5)口进入e腔；推动变能活塞I向下运动，则c腔油液从(1)口输出，a腔通油箱。此过程为增流/减压模式之二:

[0077] 1.输入/输出端压力的变化：由f1＝P1A1和f’2＝P’2A2，因为变能活塞两端的作用力相等，即f1＝f’2，∴P1A1＝P’2A2，令 ∴P’2＝n’P1，即输出端的压力为输入端的n’倍，也即两端的有效面积比。

[0078] 2.输入/输出端流量的变化：变能活塞Ⅰ在q1作用下以V1速度向上运动，即V1＝q1/A1，同时V’1＝q’2/A2，∴ 令 ∴q’2＝q1/n’，即输出端的流量为输入端的1/n’倍，也即两端有效面积的反比。当泵输出的油液由I组的(5)口进入e腔；推动变能活塞I向下运动，则a腔油液从(4)口输出,c腔通油箱。此过程为增流/减压模式之三:

[0079] 1.输入/输出端压力的变化：由f”1＝P1A1和f”2＝P”2A4，因为变能活塞两端的作用力相等，即f”1＝f”2，∴P1A1＝P”2A4，令 ∴P”2＝n”P1，即输出端的压力为输入端的n”倍，也即两端的有效面积比。

[0080] 2.输入/输出端流量的变化：变能活塞Ⅰ在q1作用下以V1速度向上运动，即V1＝q1/A1，同时V’1＝q”2/A4，∴ 令 ∴q”2＝q1/n”，即输出端的流量为输入端的1/n”倍，也即两端有效面积的反比。

[0081] 综上所述，变能装置的两端其输入/输出由两端作用面积的不同而不同。其变化量是由两端有效面积比决定的。其输出压力的提高是与输出流量的减少同步的，即输出时压力提高了N倍的同时其输出流量就减少了N倍。反之其输出流量的增加是与输出压力的减少同步的。即输入与输出的总能量不变。

[0082] 为减小总体结构尺寸，变能活塞的行程是有限的。那么变能塞很快就运动到极限位置，输出量即停止了。因此需要两个变能装置——Ι与II：当变能活塞I工作将要结束时，变能活塞II已经启动；随即变能活塞I开始复位。当变能活塞II工作将要结束时，变能活塞I已经启动。这样两个变能活塞交替进行，能够为液压执行件提供连续的、无限的输出--流量与压力。

[0083] 工作原理和工作过程如下：

[0084] (为表述与理解方便，解释各图时只对在该图起作用的孔槽标出序号；对不起作用的孔槽均不标出序号。各圆面为固定端面盘，各转动端面体以图4的装配形式同轴的覆盖其上，转动端面体上的孔/槽用虚线表示。同时表达固定端面盘上未表示孔槽序号的在该图工况下处于被密封或停止状态。)

[0085] 本系统在全流量状态下分四种工作模式和一个转换过程：

[0086] 一.快速进给模式

[0087] 二.各工作模式的转换过程

[0088] 三.工作进给模式

[0089] 四.泵不经控制装置，直接作用于主油缸模式

[0090] 五.泵作用于辅助油缸模式

[0091] 一快速进给模式有三种工作形式：如图8为工作形式之一；图14为工作形式之二；图15为工作形式之三。以图8的工作形式之一为对象进行表述：在此工作形式下伺服电机2与伺服电机4将转动端面体左1/右1和转动端面体左3/右3的位置锁定在图8位置上不动，伺服电机3则驱动端面体左2/右2以一定转速转动。

[0092] 1-1当转动到图8位置时，其相关工作油路状态是：从泵来的油(按图8箭头所示，即从L口进入)经t孔道-u孔道-u’(见图3)至 槽-130孔--按箭头所示-孔93-槽 -孔92，如箭头
所示达(6)口-进入f腔-推动变能活塞II向下运动；其输出分两路输出--
V见图4-孔109-槽 -孔108至主油缸左腔-推动油缸向右运动-回油-按箭头所示孔142-槽-孔143-液压马达-孔134-槽 -孔135-单向阀1-油箱。变能活塞II在向下运动的同时，g腔的容积在减小而i腔的容积在增加，即g腔在排油，i腔在补油：g腔(排油)-(8)-孔72-槽-孔73- --油箱。i腔(补油)-槽 (该槽通油
箱)—孔90—(9)—i腔。处在此位置的变能活塞Ⅰ为静止状态。

[0093] 1-2.当转动到图9位置时，变能活塞Ⅱ的运动继续如图8所示。即其各油路的工作状态同上述。

[0094] 如图9所示，端面体左2上的槽 与其固定面上的孔25沟通，主油缸的回油-按箭头所示孔142-槽 -孔143-液压马达-孔134-槽 -孔136-按箭头所示-孔25-槽 -孔35-按箭头所示-孔76-槽 -孔77-(3)口至d腔，推动变能活塞Ⅰ向上运动即使之复位。(变能活塞复位的所需压力低于单向阀1的开启压力；当复位完成，主油缸回油压力提高，由孔
135--开启单向阀1，油液回油箱)。此时变能活塞Ⅰ的动作状态为：

[0095]

[0096] 处在此位置的变能活塞Ⅱ为继续工作，变能活塞Ⅰ为复位动作。

[0097] 1-3.当转动到图10位置时，变能活塞Ⅱ与变能活塞Ⅰ同时工作。

[0098] 变能活塞Ⅱ的工作形式不变，变能活塞Ⅰ和变能活塞Ⅱ的工作形式：

[0099]

[0100] -槽 -孔108-主油缸左腔-推动油缸向右运动-回油-按箭头所示孔142-槽 -孔143-按箭头所示至-液压马达-孔134-槽 -孔135-单向阀1-油箱。

[0101] d腔油液(排油)-(3)口--孔77-槽 -孔76-孔34-槽 -孔33-油箱。b腔油液(补油)：油箱-槽 -孔96-(2)口-b腔。g腔油液(排油)-(8)-孔72-槽 -孔73-孔28-槽 -孔29-油箱。i腔油液(补油)：油箱-槽 -孔90-(9)-i腔。处在此位置的变能活塞Ⅰ与变能活塞Ⅱ同时工作，但变能活塞Ⅱ的工作速度减慢并即将停止。

[0102] 1-4.图11：当转动到图11位置时，变能活塞Ⅱ停止工作。变能活塞Ⅰ继续工作，其各油路的工作状态与1-3的表述相同。

[0103] 1-5.图12：当转动到图12位置时，变能活塞Ⅰ继续工作，其各油路的工作状态与1-3的表述相同。变能活塞Ⅱ为复位过程：如图12所示，端面体左2上的槽 沟通了其固定端面上的孔25/槽与孔26；其油路为：主油缸回油-孔142-槽 -孔143-液压马达-孔134-槽 -孔136-按箭头所示-孔25-槽 -孔26-按箭头所示-孔73-槽 -孔72-(8)口至-g腔，推动变能活塞II向上运动，即使之复位。(变能活塞复位的所需压力低于单向阀1的开启压力；当复位完成，主油缸回油压力提高，油液经槽 -孔135开启单向阀1，油液回油箱)。

[0104]

[0105] i腔(排油)-(9)口-孔90-槽 -油箱。处在此位置的变能活塞I继续工作，变能活塞II为复位过程。

[0106] 1-6.图13：当转动到图13位置时，变能活塞Ⅰ继续工作，其各油路的工作状态与1-4的表述相同。变能活塞Ⅱ的复位过程已经完成。当伺服电机3继续驱动端面体左2/右2即回复到图8状态，如此循环构成系统的连续快速进给模式。

[0107] 主油缸快速退回：见图19，伺服电机4锁定端面体左3/右3的位置不变，如图8，伺服电机3仍连续工作。而将伺服电机2驱动端面体左1/右1锁定在图19位置。则油液-V-孔109-槽 -孔110-主油缸右腔-推动油缸向左运动-回油-孔116-槽 -孔117-液压马达-孔134-槽 -孔135-单向阀1-油箱。

[0108] 快速进给模式-工作形式之二简述(见图14)。

[0109] 伺服电机2，伺服电机4锁定各自端面体的位置如图14，伺服电机3仍连续工作。由图示，变能活塞II与变能活塞I同时工作：

[0110]

[0111] -孔108-主油缸左腔-推动油缸向右运动-回油-按箭头所示孔142-槽 -孔143-按箭头所示至-液压马达-孔134-槽 -孔135-单向阀1-油箱。

[0112] d腔油液(排油)-(3)口--孔77-槽 -孔76-孔34-槽 -孔33-油箱。b腔油液(补油)：油箱-槽 -孔96-(2)口-b腔。g腔油液(排油)-(8)-孔72-槽 -孔73-孔28-槽 -孔29-油箱。i腔油液(补油)：油箱-槽 -孔90-(9)口-i腔。

[0113] 快速进给模式-工作形式之三简述(见图15)。

[0114] 伺服电机2，伺服电机4锁定各自端面体的位置如图15，伺服电机3仍连续工作。由图示，变能活塞Ⅱ与变能活塞Ⅰ同时工作。

[0115]

[0116] -孔108-主油缸左腔-推动油缸向右运动-回油-按箭头所示孔142-槽 -孔143-按箭头所示至-液压马达-孔134-槽 -孔135-单向阀1-油箱。

[0117] d腔油液(排油)-(3)口--孔77-槽 -孔76-孔34-槽 -孔33-油箱。b腔油液(补油)：油箱-槽 -孔96-(2)口-b腔。g腔油液(排油)-(8)-孔72-槽 -孔73-孔28-槽 -孔29-油箱。i腔油液(补油)：油箱-槽 -孔90-(9)口-i腔。

[0118] 二.各工作模式之间的转换过程

[0119] 快速进给模式的三种工作形式之间是能够在线进行转换的：

[0120] 2-1.快速进给工作形式一转换为工作形式二：

[0121] 见图14a：伺服电机2，伺服电机4转动各自端面体的位置如图14a，伺服电机3仍连续工作。

[0122]

[0123] -槽 -孔108-主油缸左腔-推动油缸向右运动-回油-按箭头所示孔142-槽 -孔143-按箭头所示至-液压马达-孔134-槽 -孔135-单向阀1-油箱。

[0124] d腔油液(排油)-(3)口--孔77-槽 -孔76-孔34-槽 -孔33-油箱。b腔油液(补油)：油箱-槽 -孔96-(2)口-b腔。g腔油液(排油)-(8)-孔72-槽 -孔73-孔28-槽 -孔29-油箱。i腔油液(补油)：油箱-槽 -孔90-(9)口-i腔。

[0125] 图中单向阀β4/β3的开启压力等于c腔/h腔的工作压力。伺服电机4继续转动至图14位置，此速度转换过程完成。系统工作在工作形式二的状态中。

[0126] 2-2.快速进给工作形式一转换为工作形式三：

[0127] 见图15a：伺服电机2，伺服电机4转动各自端面体的位置如图15a，伺服电机3仍连续工作。其工作过程与上述类似，只是伺服电机4的转动方向与上述相反。当伺服电机4转动至图15位置，此速度转换过程完成。系统工作在工作形式三的状态中。

[0128] 2-3.快速进给工作形式三转换为泵直接驱动主工作油缸的过程：

[0129] 见图16：伺服电机2，伺服电机4转动各自端面体的位置如图15a，伺服电机3仍连续工作。其工作过程：

[0130]

[0131] -孔108-主油缸左腔-推动油缸向右运动-回油-按箭头所示孔142-槽 -孔143-按箭头所示至-液压马达-孔134-槽 -孔135-单向阀1-油箱。

[0132] d腔油液(排油)-(3)口--孔77-槽 -孔76-孔34-槽 -孔33-油箱。b腔油液(补油)：油箱-槽 -孔96-(2)口-b腔。g腔油液(排油)-(8)-孔72-槽 -孔73-孔28-槽 -孔29-油箱。i腔油液(补油)：油箱-槽 -孔90-(9)口-i腔。

[0133] 当伺服电机2转动到图17位置时则系统即在泵直接驱动主工作油缸的状态，此时转换装置不工作。

[0134] 2-4.泵直接驱动主工作油缸转换为工作进给模式的过程：

[0135] 见图18：伺服电机2，伺服电机4转动各自端面体的位置如图18，伺服电机3仍连续工作。其工作过程：

[0136]

[0137] -按箭头所示孔142-槽 -孔143-按箭头所示至-液压马达-孔137-槽 -孔135-单向阀1-油箱。

[0138] d腔油液(补油)：油箱-槽 -孔89-(3)口-d腔。b腔油液(排油)：-(2)口-按箭头所示-孔79-槽 -孔78-孔34-槽 -孔33-油箱。g腔油液(补油)：油箱-槽 -孔95-(8)口-g腔。i腔油液(排油)：-(9)口-按箭头所示-孔75-槽 -孔74-孔28-槽 -孔29-油箱。

[0139] 当伺服电机2转动到图22位置时则系统即在工作进给状态。

[0140] 由上述叙述中得知：当系统由快速进给模式转换为工作进给模式时是通过瞬间的泵直接驱动主工作油缸来过渡的。这一方式使得主工作油缸不停车的从一个工作模式转换为另一个工作模式，有效避免了液压冲击。

[0141] 三.工作进给模式-有三种工作形式：如图20为工作形式之一；图26为工作形式之二；图27为工作形式之三。以图20的工作形式之一为对象进行表述：

[0142] 在此工作形式下伺服电机2与伺服电机4将转动端面体左1/右1和转动端面体左3/右3的位置锁定在图示17位置上不动，伺服电机3则驱动端面体左2/右2以一定转速转动。

[0143] 3-1.当转动到图20位置时，其相关工作油路的状态是：从泵来的油(按图8箭头所示，即从L口进入)经t孔道-u孔道(见图3)至槽 -132孔-----------

[0144]

[0145] -推动油缸向右运动-回油-按箭头所示孔142-槽 -孔143-液压马达-孔137-槽-孔138-单向阀2-油箱。

[0146] 变能活塞Ⅱ在向上运动的同时g腔的容积在增大而i腔的容积在减小，即g腔在补油，i腔在排油。g腔：油箱-槽 -孔95-(8)口-g腔。i腔油液-(9)口-孔74-槽 -孔32-槽-孔31-油箱。处在此位置的变能活塞Ⅰ为静止状态。3-2.当转动到图21位置时，变能活塞Ⅱ的运动继续如图20所示。即其各油路的工作状态同上述。如图21所示，端面体左2上的槽与其固定面上的孔25沟通，主油缸的回油-按箭头所示孔142-槽 -孔143-液压马达-孔134-槽 -孔136-按箭头所示-孔25-槽 -孔35-按箭头所示-孔76-槽 -孔77-(3)口至d腔，推动变能活塞Ⅰ向上运动即使之复位。(变能活塞复位的所需压力低于单向阀1的开启压力；当复位完成，主油缸回油压力提高，由孔135--开启单向阀1，油液回油箱)。

[0147]

[0148] 处在此位置的变能活塞Ⅱ为继续工作，变能活塞Ⅰ为复位动作。3-3.当转动到图22位置时，变能活塞Ⅱ与变能活塞Ⅰ同时工作。变能活塞Ⅱ的工作形式不变，变能活塞Ⅰ和变能活塞Ⅱ的工作形式：

[0149]

[0150] 按箭头所示-孔105-槽 -孔104至主油缸左腔-推动油缸向右运动-回油-按箭头所示孔142-槽 -孔143-液压马达-孔137-槽 -孔138-单向阀2-油箱。

[0151] d腔油液(补油)：油箱-槽 -孔89-(3)口-d腔。b腔油液(排油)：-(2)口-按箭头所示-孔79-槽 -孔78-孔34-槽 -孔33-油箱。g腔油液(补油)：油箱-槽 -孔95-(8)口-g腔。i腔油液(排油)：-(9)口-按箭头所示-孔75-槽 -孔74-孔28-槽 -孔29-油箱。处在此位置的变能活塞Ⅰ与变能活塞Ⅱ同时工作，但变能活塞Ⅱ的工作速度减慢并即将停止。

[0152] 3-4.当转动到图23位置时，变能活塞Ⅱ停止工作。变能活塞Ⅰ继续工作，其各油路的工作状态与2-3的表述相同。

[0153] 3-5.当转动到图24位置时，变能活塞Ⅰ继续工作，其各油路的工作状态与2-3的表述相同。变能活塞Ⅱ为复位过程：如图24所示，端面体左2上的槽 沟通了其固定面上的孔25/槽与孔26；其油路为：主油缸回油-孔142-槽 -孔143-液压马达-孔137-槽 -孔136/
139-孔25/槽 -孔26-按箭头所示-孔74-槽 -孔75-(9)口至i腔，推动变能活塞Ⅱ向下运动即使之复位。(变能活塞复位的所需压力低于单向阀2的开启压力；当复位完成，主油缸回油压力提高，油液经槽 -孔138开启单向阀2，油液回油箱)。

[0154]

[0155] 处在此位置的变能活塞Ⅰ继续工作，变能活塞Ⅱ为复位过程。

[0156] 3-6.当转动到图25位置时，变能活塞Ⅰ继续工作，其各油路的工作状态与2-4表述相同。

[0157] 当伺服电机3继续驱动端面体左2/右2即回复到图20状态，如此循环构成系统的连续工作进给模式。

[0158] 主油缸工作退回：见图28，伺服电机4锁定端面体左3/右3的位置不变，如图20。伺服电机3仍连续工作。而将伺服电机2驱动端面体左1/右1锁定在图28位置，则由变能装置Ⅰ/Ⅱ过来的油液至孔114-槽 -孔115-主油缸有杆腔-推动油缸向左运动-回油-孔144-槽-孔143-液压马达-孔137/140-槽 -孔138-单向阀1-油箱。

[0159] 工作进给模式-工作形式之二简述，见图26

[0160] 伺服电机2、伺服电机4锁定各自端面体的位置如图26，伺服电机3仍连续工作。由图示，变能活塞Ⅱ不工作，变能活塞Ⅰ工作。

[0161]

[0162] 工作进给模式-工作形式之三简述，见图27

[0163] 伺服电机2，伺服电机4锁定各自端面体的位置如图27，伺服电机3仍连续工作。由图示，变能活塞Ⅱ不工作，变能活塞Ⅰ工作。

[0164]

[0165] 泵直接驱动主油缸：见图29/图30

[0166] 这一过程中Ⅰ和Ⅱ都不参与工作，即伺服电机3、伺服电机4不工作，伺服电机2将端面体左1/右1锁定在图29位置，即为主工作油缸直接驱动方式。其油路：泵油由L口至孔112-槽 -孔113--按箭头所示至主油缸左腔，推动主油缸向右运动；其右腔油液至孔142-槽-孔143-液压马达-孔140-槽 -孔141-单向阀1-油箱。

[0167] 主油缸退回：伺服电机2将端面体左1/右1锁定在图30位置，即为主油缸退回模式。其油路：泵油由L口至孔112-槽 -孔111-按箭头所示至主油右腔，推动其向左运动-左腔油液至孔116-槽 -孔117-液压马达-孔140--槽 -孔141-单向阀1-油箱。

[0168] 例题：目前使用180吨卧式液压机

[0169] 1.泵：40YCY14-1B，压力补偿轴向柱塞泵；

[0170] 2.电机：Y160M-4，11KW；

[0171] 3.液体最大使用压力：25Mpa；

[0172] 4.主工作油缸：Φ370(外径)×Φ300(内径)×Φ280(活塞杆径)，行程800，重量1300kg；

[0173] 5.两个快速进给柱塞油缸：Φ110(外径)×Φ85(内径)×Φ80(柱塞杆径)，行程800；主工作油缸可获得90mm/s的快进速度。

[0174] 6.阀组及主工作油缸快速进给时的补油装置；

[0175] 7.油箱容积：600L；

[0176] 8.主工作油缸输出：

[0177]

[0178] 使用本系统则有如下改变：1、2、项不变，3项泵至能量转换装置之间液体最高使用压力不变；5、6项取消。

[0179] 取D1＝56、D2＝120、D3＝75、D4＝40，见图5。

[0180] 4.主工作油缸：Φ270(外径)×Φ150(内径)×Φ100(活塞杆径)，行程800，重量450kg；

[0181] 7.油箱容积：120L；

[0182] 8.主工作油缸输出：

[0183]