一种基于红外散热、风冷和水冷技术的EHA

技术领域

本发明涉及EHA技术领域，尤其涉及一种基于红外散热、风冷和水冷技术的EHA。

背景技术

EHA最早起源于二十世纪初的静液驱动装置(HydroStatic Transmission)，后来在美国和英国航空界、日本产业界又叫直接驱动容积控制(Direct Drive VolumeControl)，在美国航空界中，功率电传系统近年来发展很快，现在普遍叫电动静液驱动系统(Electric Hydraulic Actuator)。最近在碳达峰与碳中和的大时代背景下，同时由于伺服电机技术的巨大发展和进步，EHA由于特有的高效率、低能耗、高精度、高可靠性等优点，EHA技术已经从航空航天领域慢慢普及到普通工业和民用领域，比如冶金、管线、石化和电力等行业。

EHA绝大部分是采用闭式液压系统，在闭式液压系统内各个液压元件内部泄露和运动部件摩擦会产生功率损失，损失的能量将转变为热量，被系统的液压油及液压元件吸收，使液压系统油温升高。由于闭式液压系统是一个闭式内循环系统，而且闭式液压系统本身散热能力就比较差，因此闭式液压系统油温过高问题更为显著。闭式液压系统的液压油温度是影响系统稳定的重要参数之一，闭式液压系统液压油温度过高会使液压油氧化失效，缩短液压油的使用寿命，伴随产生的杂质会阻塞管道或卡塞液压元件，液压油温度上升后，液压油的粘度降低，液压油油膜强度降低，液压系统泄漏量加大，液压元器件磨损厉害，缩短液压元件的使用寿命，而且液压密封件等液压零部件都要求液压系统具有相对稳定的工作温度。传统的液压系统的冷却器主要有列管式冷却器、板式冷却器和风机型风冷却器，这三种形式的冷却技术虽然能满足传统液压系统的冷却功能，但是由于这三种冷却器体积和质量过于庞大，甚至这三种冷却器本身的体积和质量已经超过EHA自身的体积和质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于红外散热、风冷和水冷技术的EHA，其操作与控制灵活、输出力大、可靠性高、节能高效环保、小型集成化，可应用于冶金、管线、石化和电力等行业，以满足市场上对于EHA的需求。

具体技术方案如下：

一种基于红外散热、风冷和水冷技术的EHA，包括：伺服电机、联轴器、齿轮泵、油箱、单向阀、液控单向阀、溢流阀、测压接头、压力传感器、油缸、温度传感器、电磁气阀、电磁水阀、位移传感器；所述伺服电机通过联轴器带动所述齿轮泵旋转，所述齿轮泵通过所述单向阀与所述油箱连通；所述位移传感器固连在所述油缸上，用于检测并反馈油缸的位置信号到伺服电机，从而控制所述伺服电机的启停；

所述油缸包括：活塞杆、后导向套、后挡板、后端盖、冷却套筒、缸筒、前端盖、前挡板、前导向套；所述缸筒内部中空，所述缸筒的一端与后端盖的一端固连，另一端与前端盖的一端固连，所述后端盖的另一端通过后挡板与后导向套固连，所述前端盖的另一端通过前挡板与前导向套固连；所述活塞杆插入所述缸筒中，且分别穿过后端盖、后导向套和前端盖、前导向套；

所述冷却套筒内部中空，套设在所述缸筒的外部，所述冷却套筒的一端与后端盖固连，另一端与前端盖固连；所述冷却套筒、缸筒、后端盖、前端盖之间形成的密闭空腔为冷却空腔；所述活塞杆、缸筒、后端盖、后导向套之间形成的密闭空腔为所述油缸的上腔；所述活塞杆、缸筒、前端盖、前导向套之间形成的密闭空腔为所述油缸的下腔；

所述电磁气阀和电磁水阀分别与所述冷却空腔连通，用于通入冷空气和冷却水；所述温度传感器、测压接头、压力传感器、溢流阀均分别与所述油缸的上腔和下腔连通，用于监控EHA的运行状态和保证EHA正常运行；所述齿轮泵通过液控单向阀分别与所述油缸的上腔和下腔连通；

所述EHA的外表面加工散热格栅，增大散热面积，并喷涂红外散热材料，激发外表面的红外共振效应。

进一步地，所述油缸还包括：组合型密封圈、防尘圈、YX型密封圈、斯特封、O型密封圈、导向带；所述活塞杆的中间活塞部外周套设有导向带和组合型密封圈，用于隔绝所述油缸的上腔和下腔；所述后端盖与缸筒之间、后导向套与后端盖之间、冷却套筒与后端盖之间、前端盖与缸筒之间、前导向套与前端盖之间、冷却套筒与前端盖之间均通过O型密封圈实现密封；所述后导向套和前导向套的通孔内部均依次布置有所述防尘圈、YX型密封圈、导向带、斯特封，所述斯特封靠近缸筒内部，使所述活塞杆与后导向套和前导向套之间密封。

进一步地，所述温度传感器分别与所述油缸的上腔和下腔连通，用于检测所述油缸的上腔和下腔的温度；所述测压接头和压力传感器均分别与所述油缸的上腔和下腔连通，用于测量所述油缸的上腔和下腔内的液压油的压力；所述油缸的上腔通过其中一个溢流阀与油箱连通，所述油缸的下腔通过另一个溢流阀与油箱连通。

进一步地，所述红外散热材料采用纳米技术制造。

进一步地，所述后挡板通过螺杆、螺母、弹簧垫圈固连在所述后端盖和后导向套上，所述前挡板固连在前端盖和前导向套上，使所述后挡板、后端盖、后导向套、缸筒、前挡板、前端盖、前导向套连接成一体。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过控制电磁气阀和电磁水阀的开关，并进行组合，实现了针对不同冷却需求，对应采用红外散热、风冷、水冷和蒸发冷却的冷却方式，使操作与控制更为简单、灵活、高效、节能。

(2)本发明采用先进的红外散热技术，在EHA表面加工散热格栅以增大散热面积，整体喷涂红外散热材料，激发了EHA表面的红外共振效应，显著提高了远红外发射效率，加快热量从EHA表面快速散发，有效提高了散热效率，显著降低了EHA的温度。

(3)本发明采用模块化设计，无任何外露液压管路，可靠性高，具有小型集成化的特点。

(4)本发明适应性强，结构简单，易于制造，方便安装、拆卸和调试。

(5)本发明能够更换不同型号和尺寸的元器件，满足不同的使用场合和使用要求，成本低，操作简单，易于推广使用。

附图说明

图1是本发明液压原理示意图。

图2是本发明结构示意图。

图3是本发明结构的主视图。

图4是本发明结构的右视图。

图5是本发明油缸的主视剖视图。

图中，伺服电机1、联轴器2、齿轮泵3、油箱4、单向阀一5-1、单向阀二5-2、液控单向阀一6-1、液控单向阀二6-2、溢流阀一7-1、溢流阀二7-2、测压接头一8-1、测压接头二8-2、压力传感器一9-1、压力传感器二9-2、油缸10、活塞杆10-1、后导向套10-2、螺杆10-3、螺母10-4、弹簧垫圈10-5、后挡板10-6、后端盖10-7、导向带一10-8、组合型密封圈10-9、防尘圈10-10、YX型密封圈10-11、导向带二10-12、斯特封10-13、O型密封圈一10-14、O型密封圈二10-15、O型密封圈三10-16、O型密封圈四10-17、O型密封圈五10-18、O型密封圈六10-19、冷却套筒10-20、缸筒10-21、前端盖10-22、前挡板10-23、前导向套10-24、温度传感器一11-1、温度传感器二11-2、电磁气阀一12-1、电磁气阀二12-2、电磁水阀一13-1、电磁水阀二13-2、LVDT位移传感器14。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，基于红外散热、风冷和水冷技术的EHA包括：伺服电机1、联轴器2、齿轮泵3、油箱4、单向阀一5-1、单向阀二5-2、液控单向阀一6-1、液控单向阀二6-2、溢流阀一7-1、溢流阀二7-2、测压接头一8-1、测压接头二8-2、压力传感器一9-1、压力传感器二9-2、油缸10、温度传感器一11-1、温度传感器二11-2、电磁气阀一12-1、电磁气阀二12-2、电磁水阀一13-1、电磁水阀二13-2、LVDT位移传感器14。

如图2-4所示，联轴器2的上端固连有伺服电机1，另一端固连有油箱4和齿轮泵3，油箱4固连在齿轮泵3外，并将其密封，齿轮泵3通过单向阀一5-1、单向阀二5-2与油箱4连通；伺服电机1通过联轴器2控制齿轮泵3旋转；联轴器2的输出端一侧固连在油缸10上。油缸10上固连有LVDT位移传感器14，用于反馈油缸10的位置信号到伺服电机1，进而控制伺服电机1的启停；单向阀一5-1和单向阀二5-2固连在联轴器2上。

如图5所示，油缸10包括：活塞杆10-1、后导向套10-2、螺杆10-3、螺母10-4、弹簧垫圈10-5、后挡板10-6、后端盖10-7、导向带一10-8、组合型密封圈10-9、防尘圈10-10、YX型密封圈10-11、导向带二10-12、斯特封10-13、O型密封圈一10-14、O型密封圈二10-15、O型密封圈三10-16、O型密封圈四10-17、O型密封圈五10-18、O型密封圈六10-19、冷却套筒10-20、缸筒10-21、前端盖10-22、前挡板10-23、前导向套10-24。

缸筒10-21为内部中空的圆柱体，活塞杆10-1插入缸筒10-21中，活塞杆10-1由上下杆部和中间活塞部三部分组成，且中间活塞部的直径大于上下杆部直径；活塞杆10-1的中间活塞部外周套设有导向带一10-8和组合型密封圈10-9。后端盖10-7固连在缸筒10-21的上端，并通过O型密封圈三10-16和O型密封圈四10-17实现密封，后端盖10-7的中心开设有通孔，恰好供活塞杆10-1的上杆部穿过。后导向套10-2固连在后端盖10-7的上表面，并通过O型密封圈一10-14和O型密封圈二10-15实现密封，后导向套10-2的中心开设有通孔，恰好供活塞杆10-1的上杆部穿过，后导向套10-2的通孔内部从上到下依次布置有防尘圈10-10、YX型密封圈10-11、导向带二10-12、斯特封10-13，用于密封缸筒10-21内部的油液，同时防止外部气体或粉尘进入缸筒10-21内部。后挡板10-6通过螺杆10-3、螺母10-4、弹簧垫圈10-5固连在后端盖10-7和后导向套10-2上，使后挡板10-6、后端盖10-7、后导向套10-2、缸筒10-21连接成一体。

前端盖10-22固连在缸筒10-21的下端，并通过O型密封圈三10-16和O型密封圈四10-17实现密封，前端盖10-22的中心开设有通孔，恰好供活塞杆10-1的下杆部穿过。前导向套10-24固连在前端盖10-22的下表面，并通过O型密封圈一10-14和O型密封圈二10-15实现密封，前导向套10-24的中心开设有通孔，恰好供活塞杆10-1的下杆部穿过，前导向套10-24的通孔内部从下到上依次布置有防尘圈10-10、YX型密封圈10-11、导向带二10-12、斯特封10-13，用于密封缸筒10-21内部的油液，同时防止外部气体或粉尘进入缸筒10-21内部。前挡板10-23固连在前端盖10-22和前导向套10-24上，使后挡板10-6、后端盖10-7、后导向套10-2、缸筒10-21、前挡板10-23、前端盖10-22、前导向套10-24连接成一体。

冷却套筒10-20内部中空，套设在缸筒10-21外部，缸筒10-21的上端与后端盖10-7固连，下端与前端盖10-22固连，并通过O型密封圈五10-18和O型密封圈六10-19实现密封。冷却套筒10-20、缸筒10-21、后端盖10-7、前端盖10-22之间形成一个密闭空腔，该空腔为冷却空腔；活塞杆10-1、缸筒10-21、后端盖10-7、后导向套10-6之间形成的密闭空腔为油缸10的上腔；活塞杆10-1、缸筒10-21、前端盖10-22、前导向套10-24之间形成的密闭空腔为油缸10的下腔。

导向带一10-8的作用是避免活塞杆10-1与缸筒10-21的内壁直接接触，导向带二10-12的作用是避免活塞杆10-1与后导向套10-2或前导向套10-24的内壁直接接触，导向带一10-8和导向带二10-12还能保证油缸10能吸收侧向负载，提高油缸10的承载能力，同时保护其他密封圈不受狄塞尔效应的影响。组合型密封圈10-9用于隔绝油缸10的上腔和下腔，使油缸10的上腔和下腔之间的油液相互隔绝。

电磁气阀一12-1与冷却空腔的上端连通，电磁气阀二12-2与冷却空腔的下端连通，且电磁气阀一12-1和电磁气阀二12-2位于冷却套筒10-20的相对两侧。电磁水阀一13-1与冷却空腔的下端连通，电磁水阀二13-2与冷却空腔的上端连通，且电磁水阀一13-1与电磁气阀一12-1同侧，电磁水阀二13-2与电磁气阀二12-2同侧。温度传感器一11-1固连在后端盖10-7上，并与油缸10的上腔连通，温度传感器二11-2固连在前端盖10-22上，并与油缸10的下腔连通，温度传感器一11-1和温度传感器二11-2用于即检测油缸10的上腔和下腔的温度。测压接头一8-1、压力传感器一9-1分别与油缸10的上腔连通，测压接头二8-2、压力传感器二9-2分别与油缸10的下腔连通；测压接头一8-1、测压接头二8-2、压力传感器一9-1、压力传感器二9-2、温度传感器一11-1、温度传感器二11-2共同作用，监控EHA的运行状态。齿轮泵3通过液控单向阀二6-2与油缸10的下腔连通，通过液控单向阀一6-1与油缸10的上腔连通；油缸10的下腔通过溢流阀二7-2与油箱4连通，上腔通过溢流阀一7-1与油箱4连通。

如图5所示，为EHA的初始状态，此时活塞杆10-1位于最上端，当活塞杆10-1沿轴向向下运动时记为伸出，反之，沿轴向向上运动则为缩回。

活塞杆10-1伸出至任意位置并保持状态时，各零部件的变化为：伺服电机1接收到伸出至任意位置的控制信号，伺服电机1通过联轴器2带动齿轮泵3正向旋转，齿轮泵3将油缸10下腔的液压油通过液控单向阀二6-2吸入，如有需要则通过单向阀一5-1从油箱4内补充液压油；之后，齿轮泵3将液压油通过液控单向阀一6-1输送到油缸10的上腔，此时活塞杆10-1伸出，当活塞杆10-1到达指定位置时，LVDT位移传感器14反馈位置信号，此时伺服电机1将停止正向旋转，油缸10在液控单向阀一6-1和液控单向阀二6-2的作用下保持在指定位置。在上述油缸10的活塞杆10-1的伸出过程中，通过压力传感器一9-1和测压接头一8-1全程检测油缸10的上腔内液压油的压力，通过压力传感器二9-2和测压接头二8-2全程检测油缸10的下腔内液压油的压力，超过溢流阀一7-1和溢流阀二7-2设定压力的油液，通过溢流阀一7-1和溢流阀二7-2流回油箱4内部，从而更好地控制和保护EHA。

活塞杆10-1缩回至任意位置并保持状态时，各零部件的变化为：伺服电机1接收到缩回至任意位置的控制信号，伺服电机1通过联轴器2带动齿轮泵3反向旋转，齿轮泵3将油缸10上腔的液压油通过液控单向阀一6-1吸入，如有需要则通过单向阀二5-2从油箱4内补充液压油；之后，齿轮泵3将液压油通过液控单向阀二6-2输送到油缸10的下腔，此时活塞杆10-1缩回，当活塞杆10-1到达指定位置时，LVDT位移传感器14反馈位置信号，此时伺服电机1将停止反向旋转，油缸10在液控单向阀一6-1和液控单向阀二6-2的作用下保持在指定位置。在上述油缸10的活塞杆10-1的缩回过程中，通过压力传感器一9-1和测压接头一8-1全程检测油缸10的上腔内液压油的压力，通过压力传感器二9-2和测压接头二8-2全程检测油缸10的下腔内液压油的压力，超过溢流阀一7-1和溢流阀二7-2设定压力的油液，通过溢流阀一7-1和溢流阀二7-2流回油箱4内部，从而更好地控制和保护EHA。

本发明除了在EHA的表面加工散热格栅和喷涂红外散热材料进行红外散热外，本发明还通过电磁气阀一12-1、电磁气阀二12-2、电磁水阀一13-1、电磁水阀二13-2、冷却空腔，实现了冷风、水冷、蒸发冷却的功能，针对不同冷却需求采用的功能如下：

(1)红外散热功能的实现：当油缸10内部温度低于设定的最低档数值时，仅通过红外散热功能即可实现冷却需求。在EHA的外表面加工散热格栅，用于增大散热面积，从而更好地进行散热，并且可以减轻EHA的重量。通过在EHA整体的外表面喷涂红外散热材料，激发EHA表面的红外共振效应，显著提高远红外发射效率，加快热量从EHA表面的快速散发，有效提高散热效率，显著降低EHA的温度。喷涂在EHA外表面的红外散热材料采用纳米技术制造，具有耐蚀性较好、耐候性好、性价比高等特点，而且具有环境友好、无毒无排放等环保优势，还能根据需要调制成绝大多数需要的色泽，从而使EHA完成红外散热功能，而且能够更广泛的使用和高效环保。

(2)风冷功能的实现：当温度传感器一11-1或温度传感器二11-2检测到油缸10内部温度升高到设定的最低档数值时，证明红外散热此时已无法满足EHA的冷却需求，需启动风冷模式，此时电磁水阀一13-1和电磁水阀二13-2处于失电关闭状态，电磁气阀一12-1和电磁气阀二12-2处于得电开启状态。冷空气从电磁气阀一12-1进入冷却套筒10-20和缸筒10-21之间的冷却空腔，由于冷空气的比重较热空气大，冷空气会充满冷却空腔，并从电磁气阀二12-2流出，同时将EHA产生的热量带走，降低EHA的温度，实现EHA的风冷功能。当温度传感器一11-1和温度传感器二11-2检测到油缸10内部温度降低到设定的最低档数值时，电磁气阀一12-1和电磁气阀二12-2失电关闭；此时，电磁气阀一12-1和电磁气阀二12-2、电磁水阀一13-1和电磁水阀二13-2均处于失电关闭状态，EHA处于风冷模式关闭状态。

(3)水冷功能的实现：当温度传感器一11-1或温度传感器二11-2检测到油缸10内部温度升高到设定的中档数值时，证明红外散热和风冷此时已无法满足EHA的冷却需求，需启动水冷模式，此时电磁水阀一13-1和电磁水阀二13-2处于得电开启状态，电磁气阀一12-1和电磁气阀二12-2处于失电关闭状态。冷却水从电磁水阀一13-1进入冷却套筒10-20和缸筒10-21之间的冷却空腔，由于冷却水的重力作用，冷却水会充满冷却空腔，并从电磁水阀二13-2流出，同时将EHA产生的热量带走，降低EHA的温度，实现EHA的水冷功能。当温度传感器一11-1和温度传感器二11-2检测到油缸10内部温度降低到设定的最低档数值时，电磁水阀一13-1和电磁水阀二13-2失电关闭；此时，电磁气阀一12-1和电磁气阀二12-2、电磁水阀一13-1和电磁水阀二13-2均处于失电关闭状态，EHA处于水冷模式关闭状态。

(4)蒸发冷却功能的实现：当温度传感器一11-1或温度传感器二11-2检测到油缸10内部温度升高到设定的最高档数值时，证明红外散热、风冷和水冷此时已无法满足EHA的冷却需求，需启动蒸发冷却模式。首先使电磁水阀一13-1和电磁水阀二13-2处于得电开启状态，电磁气阀一12-1和电磁气阀二12-2处于失电关闭状态，冷却水从电磁水阀一13-1进入冷却套筒10-20和缸筒10-21之间的冷却空腔，由于重力作用充满冷却空腔，并从电磁水阀二13-2流出。当冷却水充满冷却空腔后，使电磁水阀一13-1和电磁水阀二13-2处于失电关闭状态，电磁气阀一12-1和电磁气阀二12-2处于得电开启状态，冷空气从电磁气阀一12-1进入冷却空腔，由于冷空气的比重较热空气大，冷空气会充满冷却空腔，并从电磁气阀二12-2流出，同时冷空气使冷却空腔内残留的冷却水蒸发，进一步将EHA产生的热量带走，降低EHA的温度。向冷却空腔内间歇性地通入冷却水和冷空气，从而实现蒸发冷却功能。当温度传感器一11-1和温度传感器二11-2检测到油缸10内部温度降低到设定的最低档数值时，电磁气阀一12-1和电磁气阀二12-2、电磁水阀一13-1和电磁水阀二13-2均处于失电关闭状态，EHA处于蒸发冷却模式关闭状态。蒸发冷却模式也可以在每次水冷模式结束后，作为干燥模式使用，用来清除密闭空间内残留的水分，从而更好地保护EHA。

本发明通过LVDT位移传感器14反馈油缸10的位置信号，通过压力传感器反馈油缸10的内部压力信号，在正常动作时，按照控制系统发出的信号控制伺服电机1带动齿轮泵3转动，进而驱动油缸10进行动作，从而满足使用要求。通过温度传感器反馈系统温度信号，按照控制系统发出的信号控制电磁气阀和电磁水阀，从而满足使用要求。本发明所有设计均采用模块化设计，无任何外露液压管路，具有更高的可靠性。本发明设计的基于红外散热、风冷和水冷技术的EHA，是一种操作与控制灵活、输出力大、可靠性高、节能高效环保、小型集成化的EHA技术，可应用于冶金、管线、石化和电力等行业。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。