一种基于3D技术的液压集成阀及驱动器

技术领域

本发明主要涉及到液压集成阀技术领域，特指一种基于3D技术的液压集成阀及驱动器。

背景技术

当今世界，液压技术已经成为现代机械装备的基础技术之一，近乎应用到一切工程领域中需要用到机械装备的场合。尤其在需要大传递功率、大功率重量比和高动态响应的场合，液压设备技术更是拥有不可替代的作用。由于高输出功率等需求，现有大型、重载工程机械领域轮车式车辆的液压系统需要使用大量的液压阀块。但是，过多的液压阀块导致与阀块相连的管路复杂凌乱，布置拥挤，且数量庞大的液压阀块占用了较大的空间，不便安装与维护，所以故障率高，安全隐患也较多。因此，在液压技术领域，如何在保持液压系统的高功率输出的前提下，找到一种解决方案，能够使液压系统复杂性降低，适应性增强，且结构紧凑、安装维护方便、轻量化、集成化，对未来液压系统的发展有重大意义。

液压集成阀块是液压系统集成化的一种常用方法，随着液压技术的发展，其应用范围越来越广，重要性也越来越被人们所认识。

有从业者Whitmarsh发明了一种控制阀体和液压泵一体化的自动变速器，解决了原来由于液压泵与控制阀高度差较大而造成的启动问题，缩短了自动变速器传动轴的长度，降低了连接线路的复杂程度，使线路中的压力和能量损耗降低，提高了泵的效率，同时降低了结构整体的重量和成本。

另有从业者美国的Charles L.Gray,JR研究了一种面向混合动力汽车特定的性能需求的液压集成阀，该集成阀最大程度上减少了车辆上阀机构的所需数量，降低了液压管路的复杂程度，使液压回路的流阻降低，液压传动效率得到了最大限度的提高。同时，车身重量减轻，制造成本降低。

随着液压集成阀块的广泛应用，如何利用人工智能技术设计出最优的液压集成块引起了国内外专家的重视。近年来，许多专家利用计算机辅助技术，通过虚拟设计来实现液压集成块的快速设计与制造问题，以期获取最优的设计效果，使得液压元件布局合理、内部油路最短、工艺孔数量最少、液压集成块体积最小，以及管网液流通畅。但是，上述液压集成块的设计都是以传统制造的基础的，受到传统加工工艺的限制。随着液压系统复杂程度的提高，集成阀快速设计难度大大增加。若设计考虑不周，就会造成生产成本高，制造工艺复杂，设备维护困难繁琐，原材料浪费等一系列问题。

3D打印技术作为增材制造的一种，大大降低了结构的集成化设计局限性，已经在一些领域展现出其不可替代的作用。3D打印是将材料一次性熔聚成型的快速制造技术。相对于传统制造方式，3D打印优势突出，它易用性高、工艺周期短、精度高、成本低，擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术问题。近几年来，3D打印技术飞速发展，与传统制造方式形成了良性互补，已经广泛应用到了各个制造领域。金属零件3D打印技术是整个3D打印体系中最为前沿的技术，代表了该先进制造技术的重要发展方向。SLM(选区激光熔化)是金属3D打印的重要组成部分，该技术以数字模型文件为基础，利用切片软件对模型文件进行切片分层，得到各截面的扫描数据，然后设备根据所得到的数据控制激光选区熔化各层的金属粉末，逐步堆积形成三维金属零件。传统制造方式受到加工工艺的限制，对于结构复杂的零件难以加工制造，只能通过拆分零件或者改变零件结构的方式来实现零件的制造，但是这种制造方式给零件的装配增加了困难，造成零件的精度降低，并使零件的质量增加。SLM技术与零件的结构复杂性弱相关，且可以实现任意复杂内腔的制造，对于解决复杂机械结构的集成化、轻量化问题有巨大优势。

但是，这些研究大多集中在电磁和电子领域，目前并没有人将3D打印技术应用到液压集成阀块的设计上。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单紧凑、易实现、控制效果好的基于3D技术的液压集成阀及驱动器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于3D技术的液压集成阀，包括通过3D打印技术成型的旋转开关阀组件和阀块体，所述旋转开关阀组件安装于阀块体上；所述旋转开关阀组件包括若干个旋转开关阀，所有旋转开关阀的结构完全相同，每个旋转开关阀单独工作，且旋转开关阀之间采用并联连接，互不干扰；所述阀块体上设有安装旋转开关阀的旋转阀安装孔，每个旋转阀安装孔底部都开有与旋转开关阀上油孔一一对应的油孔，所有旋转开关阀以并联的方式安装在块体上，相互独立工作。

作为本发明的进一步改进：所述旋转开关阀包括阀芯和阀套，通过阀芯在阀套内的旋转，改变阀芯、阀套的相对位置，实现油液的连通和隔断控制。

作为本发明的进一步改进：所述阀芯上开有沟槽作为液压油道；所述阀套为环状柱体，所述阀套的一侧开有进油孔、外接油孔和出油孔。

作为本发明的进一步改进：所述阀芯的中部设有环形油槽，所述环形油槽与外接油孔一直保持连通状态。

作为本发明的进一步改进：在所述环形油槽两侧均分别设有两个圆头油槽：出油孔圆头油槽和进油孔圆头油槽，每侧的两个圆头油槽周向间隔为180°，呈相对分布；两侧的圆头油槽周向间隔为90°，呈交叉分布。

作为本发明的进一步改进：所述阀套的外表面设有环状的O型圈安装槽，内表面靠近端面处设有环状的格莱圈安装槽。

作为本发明的进一步改进：所述阀芯一端设有电机轴安装孔，由电机进行驱动旋转。

作为本发明的进一步改进：所述阀块体上，若干个旋转开关阀共用进油道和回油道，所述外接油孔分别通过外接油道与外部驱动器连接；所述阀块体上具有一个外接油道与外部驱动器连接的接口，直接安装在外部驱动器上。

本发明进一步提供了一种包含了上述液压集成阀的驱动器，包括执行器和上述液压集成阀，所述执行器的主活塞杆上连接有若干个子活塞杆，每个子活塞杆上都连接有一个子活塞；所述子活塞与主活塞将液压缸内腔分割成了多个活塞腔，每个活塞腔的腔体都有一个进出油口。

作为本发明的进一步改进：所述液压缸具有四个子活塞腔和一个主活塞腔，每个活塞腔皆单独有一个进油口，五个活塞腔共用一个出油口；所述液压集成阀用来对四个小活塞腔进、出油进行控制。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

本发明的基于3D技术的液压集成阀及驱动器，结构简单紧凑、制作方便，其是基于3D打印快速成型技术，所设计、制造液压集成阀块。与原液压系统产品相比，通过3D打印方法，本发明液压集成阀块的设计和制造突破了原来的局限性，整体的功能更加集成化，且成品体积小且轻量化，且可以直接装配到液压缸上，实现了原液压系统的无管化连接。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中阀芯的结构示意图。

图2是本发明在具体应用实例中阀套的结构示意图。

图3是本发明在具体应用实例中一种工作状态下的结构原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中旋转开关阀装配后的示意图。

图5是本发明在具体应用实例中O型圈安装槽的布局示意图。

图6是本发明在具体应用实例中格莱圈安装槽的布局示意图。

图7是本发明在具体应用实例中旋转开关阀工作原理展示示意图。

图8是本发明在具体应用实例中阀块体一个视角的结构原理示意图。

图9是本发明在具体应用实例中阀块体另一个视角的结构原理示意图。

图10是本发明在具体应用实例中液压集成块性能试验油路原理示意图。

图11是本发明具有液压集成阀的驱动器的结构原理示意图。

图例说明：

1、旋转开关阀；2、阀芯；3、阀套；4、环形油槽；5、出油孔圆头油槽；6、进油孔圆头油槽；7、进油孔；8、外接油孔；9、出油孔；10、O型圈安装槽；11、格莱圈安装槽；12、电机轴安装孔；13、阀块体；14、旋转阀安装孔；15、阀块体油孔；16、进油道；17、回油道；18、外接油道；19、第一球阀；20、第二球阀；21、缸体；22、主活塞；23、主活塞杆；24、子活塞杆；25、子活塞腔体。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的基于3D技术的液压集成阀，是基于3D打印快速制造技术，可以适用于很多行业和领域。例如，可以适用于面向液压驱动仿生机器人的驱动器结构，将其液压驱动系统进行集成化、无管化、轻量化设计而成的新型集成阀块。

如图1-图4所示，本发明的基于3D技术的液压集成阀，包括通过3D打印技术成型的旋转开关阀组件和阀块体13，所述旋转开关阀组件安装于阀块体13上；所述旋转开关阀组件包括若干个旋转开关阀1(本实例中为四个)，所有旋转开关阀1的结构完全相同，每个旋转开关阀1单独工作，且旋转开关阀1之间采用并联连接，不会相互干扰。所述阀块体13上设有安装旋转开关阀1(本实例中为四个)的旋转阀安装孔14(本实例中为圆柱孔)，每个旋转阀安装孔14底部都开有与旋转开关阀1上油孔一一对应的油孔，四个旋转开关阀1以并联的方式安装在块体上，相互独立工作。

进一步，在具体应用实例中，所述旋转开关阀1包括阀芯2和阀套3两部分，通过阀芯2在阀套3内的旋转，改变阀芯2、阀套3的相对位置，实现油液的连通和隔断控制。

进一步，所述阀芯2为圆柱体，上面开有沟槽作为液压油道。所述阀套3为环状柱体，所述阀套3的一侧开有进油孔7、外接油孔8和出油孔9。

进一步，所述阀芯2的中部设有环形油槽4，所述环形油槽4与外接油孔8一直保持连通状态。

进一步，在所述环形油槽4两侧均分别设有两个圆头油槽：出油孔圆头油槽5和进油孔圆头油槽6，每侧的两个圆头油槽周向间隔为180°，呈相对分布；两侧的圆头油槽周向间隔为90°，呈交叉分布。随着阀芯2的旋转，其中一侧的圆头油槽与进油孔7交替形成通路和断路，而另一侧的圆头油槽则与出油孔9形成断路和通路。

进一步，所述外接油孔8与阀芯2上的环形油槽4呈常连通状态，随着阀芯2的转动，进油孔7、出油孔9分别与阀芯2上的进油孔圆头油槽6和出油孔圆头油槽5呈连通或者隔断状态。

作为优选实施例，本发明中阀芯2、阀套3的装配、阀套3与块体的装配均需要密封，用来防止工作时系统漏油。而阀芯2、阀套3之间经常要相互转动，需要动密封，为此本发明采用格莱圈来实现阀芯2、阀套3之间的密封，阀套3内表面两端分别设有一个安装格莱圈的凹槽。而阀套3与块体之间除拆卸外不会产生相互运动，本发明采用O型圈密封。阀套3的外表面分别在两端以及油孔之间设有四个安装O型圈的凹槽。即：参见图5和图6，进一步，所述阀套3的外表面设有四条环状的O型圈安装槽10，内表面靠近端面处设有两条环状的格莱圈安装槽11。

由于所述阀芯2上的环形油槽4与外接油孔8呈常连通状态，所以，随着所述阀芯2的转动，外接油孔8与出油孔9、进油孔7交替连通，形成不同的工作状态。例如，参见图3，所述阀芯2与阀套3在图示的相对位置，表示的工作状态为I(外接油孔8与出油孔9连通)，II(外接油孔8与进油孔7隔断)，系统出油。

在具体应用实例中，本发明的旋转开关阀1是通过电机转动带动阀芯2转动，使阀芯2与阀套3处于不同的相对位置，进而使外接油孔8与出油孔9、进油孔7之间形成不同的连通、隔断状态，即周期性的使进油回路或出油回路连通，则旋转开关阀1处于不同的工作状态。所述阀芯2一端设有电机轴安装孔12，由电机进行驱动旋转。

为了方便介绍，参见图7，本发明将阀芯2的外表面和阀套3的内表面展开为平面。所述阀芯2与阀套3之间的相互转动即为两表面之间的相互移动。

所述外接油孔8与环形油槽4始终处于连通状态，随着两表面的相互移动，出油孔9与出油孔圆头油槽5交替呈连通、隔断状态，进油孔7则与进油孔圆头油槽6交替呈连通、隔断状态，则旋转开关阀1周期性的实现了进油回路或出油回路连通。

根据油孔、油槽与阀芯2、阀套3整体相对尺寸，假设阀芯2外表面相对于阀套3内表面所示箭头方向移动，则旋转一周形成的工作状态依次为：进油回路连通、出油回路隔断→进油孔7、出油回路与进油回路同时隔断→出油回路连通、进油回路隔断→油回路与进油回路同时隔断→进油回路连通、出油回路隔断→进油孔7、出油回路与进油回路同时隔断→出油回路连通、进油回路隔断→油回路与进油回路同时隔断→进油孔7、出油回路与进油回路同时隔断。所以，本发明采用电机控制阀芯2和阀套3处于不同的相对位置，就会得到旋转开关阀1不同的工作状态。

进一步，在具体应用实例中，于所述阀块体13上，四个旋转开关阀1共用进油道16和回油道17，其外接油孔8分别通过四条弯曲的外接油道18与外部驱动器连接。该所述阀块体13上设计了一个外接油道18与外部驱动器连接的接口，可以直接安装在外部驱动器上。

旋转开关阀1是液压集成阀块的主要工作元件，其性能的优劣将直接影响整个系统功能实现的好坏。另外，阀块体13的油道以及整个集成阀块的密封都会对液压集成阀块的实际性能造成影响。所以液压集成阀块的性能优劣需要实际实验来评判。

本发明在一个具体应用过程中，对液压集成阀块上的四个旋转开关阀1分别进行了基础性能测量实验，其中包括定压差、定流量、定转角实验，得到了每个旋转开关阀1的在固定压差下阀芯2转角和流量之间的关系、在固定流量下阀芯2转角和压差之间的关系、在固定阀芯2转角下压差和流量之间的关系。

试验台的搭建：(1)实验装置设计；(2)实验油路及原理；

实验油路，其中液压集成阀的状态为出油口两端用堵头堵死，四个旋转开关阀1的其中三个调定至进油孔7与外接油孔8隔断，同时出油孔9也与外接油孔8隔断状态。流量计串联在油路中，所以其读数就是流经旋转开关阀1的流量。压力表连接在液压集成阀进油道16上，液压集成阀的外接油道18直接连到了油箱，所以，压力表的读数就是旋转开关阀1的两端的压差。

定压差实验，测定的是固定压差下，流量与阀芯2转角的关系。具体实验步骤为，第二球阀20完全打开，将阀芯2调定为某一转角，然后调节第一球阀19使压力表读数为设定压差，此时，记录流量计的读数即为该转角下的流量。改变转角，重复操作，可以得到流量—阀芯2转角曲线。

定流量实验，测定的是在固定流量下，压差与阀芯2转角的关系。具体实验步骤为，第二球阀20完全打开，将阀芯2调定为某一转角，然后调节第一球阀19是流量计读数为设定流量，此时，记录压力表的读数即为该转角下的压差。改变转角，重复操作，可以得到压差—阀芯2转角曲线。

定转角实验，测定的是在固定阀芯2转角下，流量与压差的关系。具体实验步骤为，第二球阀20完全打开，微微打开第一球阀19，记录此时的流量计读数和压力表读数，依次将第一球阀19打开至最大开口，可以得到流量压力曲线。

(3)实验参数的选取

实验测得阀芯2转角实际通流角度为82°，这里选取5°为阀芯2转角实验间隔。

将阀芯2开口调至最大，第一球阀19、第二球阀20至完全打开，记录此时压力表的读数为最大压差。

将阀芯2开口调为5°，第一球阀19、第二球阀20至完全打开，记录此时流量计的读数为最大流量。

如图11，本发明进一步提供一种包含了上述液压集成阀的驱动器，以应用于液压驱动仿生机器人的驱动器结构为例，本发明的驱动器，包括执行器和上述液压集成阀，所述执行器的主活塞杆23上连接有若干个子活塞杆24(本实例中为四个)，每个子活塞杆24上都连接有一个子活塞；所述子活塞与主活塞22将液压缸内腔分割成了多个活塞腔，每个活塞腔的腔体都有一个进出油口。也就是说，本发明中所述执行器的液压缸内具有若干个大小不等的活塞腔，那么通过对主活塞22和各个子活塞的独立控制，可以匹配多个等级的负载。

结合图11，在具体应用实例中，所述液压缸具有四个子活塞腔和一个主活塞腔，每个活塞腔皆单独有一个进油口，五个活塞腔共用一个出油口。那么，本发明提出的液压集成阀块用途是实现四个小活塞腔进、出油控制。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。