一种阻尼自复位式液压驱动单元及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压减振设计领域，具体涉及一种阻尼自复位式液压驱动单元及其控制方法。

背景技术

磁流变液为一种新兴的智能控制材料，在磁场作用下的磁性粒子沿磁场方向形成链状排布，当运动方向与磁场方向垂直时，进而产生抗剪切屈服应力利用这一特性制作成磁流变液减振器，以输入电流为控制信号，通过线圈绕组的作用磁场产生不同的阻尼力以适应不同的冲击载荷。

液压缸系统具有明显的欠阻尼特性，当突变负载冲击或突变油液冲击作用于液压缸活塞杆或活塞时，产生的位移误差波动响应时间较长，特别针对外部突变负载冲击，其将冲击力转化为油液压力反作用于泵源进而导致整个液压系统的压力波动甚至损坏泵源设备。目前研究主要是通过并联或串联可控阻尼的方式改善液压系统的欠阻尼特性：其中并联式结构将液压缸与阻尼器设计在同一侧，此类设计周向体积较大，对工作空间要求较为苛刻；串联式结构是让液压缸与阻尼器共用一条活塞杆，结构较为紧凑，但其轴向设计尺寸要大于两倍行程的这一缺点使其难以应用在液压缸行程较大的工作场合。对于现有的结构设计，无论是并联或者串联，由于磁流变阻尼器存在零场阻尼力，使得液压缸在运动过程中一直与阻尼器存在耦合关系，加大了对液压缸控制算法的复杂程度，严重影响了液压缸的控制精度和响应速度，甚至造成不必要的能量浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻尼自复位式液压驱动单元及其控制方法，该液压驱动单元及其控制方法可实现冲击后的自复位，实现连续性抗冲击载荷，有效改善液压系统的欠阻尼特性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种阻尼自复位式液压驱动单元，包括双层液压缸、旋转式电磁卸荷装置和液动力阻尼装置，所述双层液压缸包括内缸筒、外缸筒、活塞、活塞杆和两个内流道连接器，所述内缸筒的外侧设有若干线圈槽，各个线圈槽的两侧均设有隔磁槽，隔磁槽内设有橡胶圈，以防止线圈绕组的磁场在内缸筒上闭合，所述内缸筒的内腔为液压腔，内、外缸筒之间形成的间隙为阻尼腔，活塞将液压腔分为上下两个部分，两个内流道连接器分别与液压腔的上下两个部分连通；

所述旋转式电磁卸荷装置包括两个多孔套筒连接器、两个旋转导流片和两个磁吸绕组，所述两个多孔套筒连接器分别嵌套在内缸筒的上下两端，所述旋转导流片嵌设于多孔套筒连接器内的底板上，所述旋转导流片为具有中部通孔的环形结构，所述多孔套筒连接器的底板及旋转导流片的环形部上对应开设有周向分布的圆孔，且圆孔之间的间隔大于圆孔的直径，所述多孔套筒连接器的底板中部嵌设有磁吸绕组，所述旋转导流片的环形部的内圈沿周向嵌有多个片式永磁铁，通过磁吸绕组的正反电压可带动旋转导流片左右转动，从而实现液压油流向的通断，所述磁吸绕组的固定位置决定其转动角度；

所述液动力阻尼装置包括若干个线圈绕组、两个阻尼活塞、两个阻尼套筒、两个弹簧、上端盖和下端盖，所述若干个线圈绕组分别缠绕在内缸筒外壁的相应线圈槽内，通电后使流经阻尼腔的磁流变液产生阻尼力，所述两个阻尼套筒分别嵌套在上端的多孔套筒连接器的上端以及下端的多孔套筒连接器的下端，所述上端盖安装于上端的阻尼活塞上端，所述下端盖安装于下端的阻尼活塞下端，两个弹簧分别安装于阻尼活塞与上端盖或下端盖之间，所述阻尼活塞可在阻尼套筒内轴向移动且将阻尼套筒的内部腔室分为液动力腔和弹簧腔，液压腔内的液压油可通过多孔套筒连接器的导通状态流入液动力腔，液动力腔内的高压油推动阻尼活塞移动，使弹簧腔内的磁流变液通过阻尼腔流向液压驱动单元另一端的弹簧腔，同时推动另一端的阻尼活塞同向运动，此时流经阻尼腔内的磁流变液由磁流变效应产生剪切阻尼力，进而阻碍高压油的冲击力而起到缓冲减振的效果，利用活塞两端之间的压差转换实现压缩及阻尼活塞的自复位功能，上、下端盖上均设有用于导通弹簧腔与阻尼腔的回流槽。

进一步地，所述多孔套筒连接器内设有圆形滑轨，设有圆孔的旋转导流片可在圆形滑轨内转动，磁吸绕组正向通电，多孔套筒连接器的圆孔与旋转导流片的圆孔对齐，液压油处于导通状态，磁吸绕组反向通电，多孔套筒连接器的圆孔与旋转导流片的圆孔错开，液压油处于断开状态。

进一步地，所述阻尼活塞推动磁流变液流经阻尼腔的同时压缩弹簧，弹簧蓄能，当液压腔内活塞两端压差减小时，压缩弹簧推动阻尼活塞复位，磁流变液反向流动，阻尼腔在工作时产生所需的阻尼力，在弹簧复位时，关闭线圈绕组电流，此时不产生阻尼力。

进一步地，所述外缸筒两端的同一侧壁上开设有连接孔，内缸筒上对应开设有导油孔，连接孔与圆孔保证同心，所述内流道连接器穿过连接孔与内缸筒上的导油孔连通，使液压油通过内缸筒上的导油孔流入液压腔。

进一步地，所述磁吸绕组绕多孔套筒连接器中心周向分布，通过导槽固定在多孔套筒连接器的底板上，其固定位置同时起到限制旋转导流片位置的作用，通电可产生磁场，通过正反电压产生的磁场实现对片式永磁铁的吸附或排斥。

本发明还提供了上述阻尼自复位式液压驱动单元的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、将线圈绕组、磁吸绕组的接线端按照顺序分别接在控制器上，活塞杆外侧装有位移传感器，液压驱动单元上下两端油口与液压伺服阀通过油管连接，设定下端油液压力大于上端压力时Δ＞0，反之Δ＜0，下端油液压力等于上端压力时Δ=0；

步骤2、磁吸绕组反向通电，多孔套筒连接器处于阻断状态，液压油从下油口进入液压腔，从而推动活塞及活塞杆往上运动，当活塞杆顶端受到向下的突变负载冲击时，活塞杆向下运动的同时将所受冲击力通过活塞传递给活塞下端的液压腔，下端油腔压力突增，从而导致活塞上下端油腔内的压差变大，此时两端的多孔套筒连接器通入正电压，液压腔与液动力腔快速导通，则高压使液动力腔内的液压油推动活塞往下运动，从而带动弹簧腔内的磁流变液流经阻尼腔，进而通过端盖回流槽流入对称端弹簧腔，并推动对称端弹簧往下运动，此时线圈绕组通电，通过缓冲控制算法调节线圈绕组的输入电流，以控制阻尼腔产生的阻尼力，进而调节活塞下端油腔压力，减小油液对液压伺服系统的冲击；

步骤3、当突变负载消失，磁吸绕组通入反电压，多孔套筒连接器关闭，记录下端的弹簧处于压缩状态，上端的弹簧处于拉伸状态，采集液压缸两端压差信号，当Δ＜0或Δ=0时，磁吸绕组通入正电压，多孔套筒连接器导通，两端的压缩弹簧推动活塞往上运动，下端通过多孔套筒连接器排出腔内液压油，上端吸入液压腔内的部分液压油，活塞复位后，磁吸绕组反向通电，多孔套筒连接器阻断，进入冲击缓冲等待状态；

步骤4、在位移精度控制过程中，当通入较大油压时，活塞受到较大的油液冲击，活塞杆产生位移波动误差，此时多孔套筒连接器导通，液压腔内高压油液流入液动力腔而实现卸荷，同时通过缓冲控制算法产生所需阻尼力而减缓液压冲击，进而改善位移波动误差，最后通过判断两端的压差转换自复位功能。

进一步地，在步骤1中，所述线圈绕组数量大于两个，绕线方向相同，且轴向布置，为了增加阻尼腔间隙的磁场强度，相邻线圈绕组接线端的正负极接线方式相反。

进一步地，在步骤1中，当受到突变载荷冲击时，为了保证控制精度及防止油液对液压伺服系统的反向冲击，此时控制液压缸的伺服阀处于关闭状态，所有的油液循环均在内外腔内进行。

进一步地，在步骤2、3中，所述突变负载方向为向上时，则缓冲后记录上端的弹簧处于压缩状态，当Δ＞0或Δ＜0时，磁吸绕组正向通电，活塞复位，磁吸绕组反向通电，多孔套筒连接器阻断，进入冲击缓冲等待状态。

进一步地，所述多孔套筒连接器导通并与缓冲控制算法配合缓冲的过程中，其判断依据为液压缸在工作过程中的位移误差；在位移误差允许的范围内，不断调整通入线圈绕组电流的大小来改善冲击缓冲效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将磁流变阻尼器的可控特性应用在液压缸的缓冲减振上，将阻尼器与液压缸结合，改善了液压系统的欠阻尼特性，利用内外缸筒的双层流道设计，减少了周向及轴向结构设计尺寸，利用液动力驱动代替共杆结构传递冲击载荷，提高了串联结构的紧凑性，同时基于冲击缓冲行程远小于液压缸动行程这一理论，缩短了阻尼器的轴向结构尺寸。

2、本发明旋转式电磁卸荷装置的设计，控制着液压工作区与阻尼缓冲区的通断，实现了实阻尼器与液压缸的机械解耦，同时将阻尼器活塞对称式布置在液压驱动单元两端，解决了内循环流道里活塞两端液压体积平衡问题，同时利用复位弹簧实现缓冲减震后阻尼活塞自复原功能，完成连续性抗载荷冲击的基础结构设计。

3、本发明缓冲-卸荷连续性缓冲控制策略的设计，利用液压缸两端的压差及活塞杆的位移误差，通过控制旋转式电磁卸荷装置的通断状态，实现突变载荷冲击下的液压卸荷及阻尼活塞缓冲后的自复位控制，解决阻尼器的零场阻尼特性对液压缸位移控制的干扰问题，降低了液压缸缓冲控制策略的复杂度，最终实现缓冲-卸荷-缓冲的连续性抗冲击减振的功能。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构示意图；

图2为本发明实施例中旋转式电磁卸荷装置的部分零件示意图；

图3为本发明实施例中多孔套筒连接器的结构示意图；

图4为本发明实施例中旋转导流片的结构示意图；

图5为本发明实施例的控制方法实现流程图。

其中：1、下端盖；2、下端的弹簧；3、下端的阻尼活塞； 4、顶杆；5、下端的旋转导流片；6、片式永磁铁；7、多孔套筒连接器；8、螺母；9、活塞；10、活塞杆；11、多孔套筒连接器；12、上端的旋转导流片；13、挡片；14、上端的阻尼活塞；15、上端的弹簧；16、上端盖；17、阻尼套筒；18、上端的内流道连接器；19、外缸筒；20、内缸筒；21、线圈绕组；22、橡胶圈；23、下端的内流道连接器；24、磁吸绕组；25、液压腔；26、阻尼腔；27、液动力腔；28、弹簧腔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供一种新型阻尼自复位式液压驱动单元，参照图1-4所示，包括双层液压缸8-10、19-20；旋转式电磁卸荷装置4-7、11-14、24；液动力阻尼装置1-3、14-17、21。

具体地，所述双层液压缸包括内缸筒20、外缸筒19、活塞9、活塞杆10和两个内流道连接器18、23，所述内缸筒19的外侧设有若干线圈槽，各个线圈槽的左右两侧均设有隔磁槽，隔磁槽内设有橡胶圈22，防止相邻两线圈绕组的磁场发生闭合，所述内缸筒19的内腔为液压腔25，内、外缸筒之间形成的间隙划为阻尼腔26。活塞9将液压腔25分为上下两个部分，两个内流道连接器18、23分别与液压腔25的上下两个部分连通。

所述旋转式电磁卸荷装置包括两个多孔套筒连接器7、11，两个旋转导流片5、12，以及两个磁吸绕组（其结构如图2中标号24所示）。如图1、2所示，两个多孔套筒连接器分别嵌套在内缸筒的上下两端，旋转导流片嵌设于多孔套筒连接器内的底板上，旋转导流片为具有中部通孔的环形结构，多孔套筒连接器11的底板及旋转导流片12的环形部上对应开设有周向分布的圆孔，圆孔之间的间隔应大于圆孔的直径，多孔套筒连接器的底板中部嵌设有磁吸绕组24，旋转导流片12的环形部的内圈沿周向嵌有多个片式永磁铁6且在外环处设有与多孔套筒连接器7相同的圆孔，通过磁吸绕组的正反电压带动旋转导流片左右转动，实现液压油流向的通断，磁吸线圈的固定位置决定其转动角度。

所述液动力阻尼装置包括若干个线圈绕组21，两个阻尼活塞3、14，两个阻尼套筒17，两个弹簧2、15，上端盖16以及下端盖1，若干个线圈绕组21分别缠绕在内缸筒外壁的线圈槽内，通电后使流经阻尼腔26的磁流变液产生阻尼力，两个阻尼套筒分别嵌套在上端的多孔套筒连接器的上端以及下端的多孔套筒连接器的下端，所述上端盖安装于上端的阻尼活塞上端，所述下端盖安装于下端的阻尼活塞下端，两个弹簧分别安装于阻尼活塞与上端盖或下端盖之间，阻尼活塞3可在阻尼套筒内轴向移动且将阻尼套筒17的内部腔室分为液动力腔27和弹簧腔28，液压腔25内的液压油可通过多孔套筒连接器7的导通状态流入液动力腔27，液动力腔内的高压油推动阻尼活塞3移动，使弹簧腔内28的磁流变液通过阻尼腔26流向液压驱动单元另一端的弹簧腔，同时推动对称端的阻尼活塞14同向运动，此时流经阻尼腔26内的磁流变液由磁流变效应产生剪切阻尼力，进而阻碍高压油的冲击力而起到缓冲减振的效果，利用活塞9两端之间的压差转换实现压缩及自复位功能，且上、下端盖上均设有用于导通弹簧腔28与阻尼腔26的回流槽。

参照图2、3、4所示，在本实施例中，多孔套筒连接器11内设有圆形滑轨，设有圆孔的旋转导流片可在圆形滑轨内转动，磁吸绕组24正向通电，多孔套筒连接器11的圆孔与旋转导流片12的圆孔对齐，液压油处于导通状态，磁吸绕组24反向通电，多孔套筒连接器的圆孔与旋转导流片的圆孔错开，液压油处于断开状态。

在本实施例中，阻尼活塞3推动磁流变液流经阻尼腔26的同时压缩弹簧2，弹簧蓄能，当液压腔内压力减小时，压缩弹簧推动阻尼活塞复位，磁流变液反向流动，阻尼腔26在工作时产生所需的阻尼力，在弹簧2复位时，关闭线圈绕组21电流，此时阻尼腔内不再产生阻尼力。

在本实施例中，外缸筒19两端的同一侧壁上开设有连接孔，内缸筒20上对应开设有导油孔，连接孔与导油孔保证同心，内流道连接器穿过连接孔与内缸筒上的导油孔连通，使液压油通过内缸筒上的导油孔流入液压腔。

在本实施例中，磁吸绕组24绕多孔套筒连接器中心周向分布，通过导槽固定在多孔套筒连接器11的底板上，其固定位置起到限制旋转导流片位置的作用，通电可产生磁场，通过正反电压产生的磁场实现对片式永磁铁6的吸附或排斥。

工作原理

在本实施例中，液压阻尼驱动单元活塞杆10往上运动时，有一往下的变负载冲击突然作用在活塞杆10上，活塞杆10带动活塞9往下运动，进而压缩液压油而产生较高的油液压力，为防止压力冲击反作用于整个液压系统，驱动单元两端通油孔18、23瞬时关闭，此时旋转导流片5、12导通，液压油进入液动力腔27后推动阻尼活塞3往下运动，使阻尼活塞3另一端的磁流变液通过阻尼腔26流入上端的弹簧腔，进而推动上端阻尼活塞14往下运动，上端的液动力腔的油液通过旋转式电磁卸荷装置流入活塞上端，线圈绕组21通电，磁流变液在磁场作用下产生所需阻尼力，下端弹簧3被压缩及上端弹簧15被拉伸而蓄能，当压力冲消失后，旋转导流片5、12关闭，阻断液压油的上下流通，线圈绕组21断电，待活塞的上端油液压力大于或等于下端油液压力时，旋转导流片5、12再次导通，此时两组弹簧带动阻尼活塞3、14往上运动，下端液动力腔排出液压油，上端液动力腔吸入液压油。待活塞复位后，旋转导流片5、12关闭，等待下一次冲击。

如图5所示，本实施例还提供了上述阻尼自复位式液压驱动单元的控制方法，包括：

步骤1、将线圈绕组21、磁吸绕组24的接线端按照顺序分别接在控制器上，活塞杆10外侧装有位移传感器，液压驱动单元上下两端油口18、23与液压泵通过油管连接，设定下端油液压力大于上端压力时Δ＞0，反之Δ＜0，下端油液压力等于上端压力时Δ=0。

步骤2、磁吸绕组24反向通电，多孔套筒连接器7、11处于阻断状态，液压油从下油口进入液压腔25，从而推动活塞9及活塞杆10往上运动，当活塞杆10顶端受到向下的突变负载冲击时，活塞杆10向下运动的同时将所受冲击力通过活塞9传递给活塞下端的液压腔26，下端油腔压力突增，从而导致活塞9上下端油腔内的压差变大，此时两端的多孔套筒连接器7、11通入正电压使其快速导通液压腔25与液动力腔27，则高压使液动力腔内的液压油推动阻尼活塞3往下运动，从而带动弹簧腔28内的磁流变液流经阻尼腔27，进而流入对称端弹簧腔，推动对称端弹簧15往下运动，此时线圈绕组21通电，通过缓冲控制算法调节活塞下端油腔压力，减小油液对泵源的方向冲击。

步骤3、当突变负载消失，磁吸绕组24通入反电压，多孔套筒连接器7、11关闭，记录下端阻尼弹簧装置2-3处于压缩状态，上端阻尼弹簧装置14-15处于拉伸状态，采集液压缸两端压差信号，当Δ＜0或Δ=0时，磁吸绕组24通入正电压，多孔套筒连接器7、11导通，两端的压缩弹簧3、15推动阻尼活塞3、14往上运动，下端通过多孔套筒连接器7排出腔内液压油，上端通过多孔套筒连接器11吸入液压腔内的部分液压油，阻尼活塞3、14复位后，磁吸绕组24反向通电，多孔套筒连接器7、11阻断，进入冲击缓冲等待状态。

步骤4、在位移精度控制过程中，当通入较大油压时，活塞9受到较大的油液冲击，活塞杆10产生位移波动误差，此时多孔套筒连接器7、11导通，液压腔内高压油液流入液动力腔而实现卸荷，同时通过缓冲控制算法产生所需阻尼力而减缓液压冲击，进而改善位移波动误差，最后通过判断两端的压差转换自复位功能。

优选的，在步骤1中，所述线圈绕组21数量大于两个，绕线方向相同，且轴向布置，为了增加阻尼腔间隙的磁场强度，相邻线圈绕组21接线端的正负极接线方式相反。

优选的，在步骤1中，当受到突变载荷冲击时，为了保证控制精度及防止油液对泵源的反向冲击，此时液压泵上下两端的进油口18、23均处于关闭状态，所有的油液循环均在内外腔内进行。

优选的，在步骤2、3中，所述突变负载方向为向上时，则缓冲后记录上端阻尼弹簧装置2-3、14-15处于压缩状态，当Δ＞0或Δ=0时，磁吸绕组正向通电，阻尼活塞3复位，磁吸绕组24反向通电，多孔套筒连接器7、11阻断，进入冲击缓冲等待状态。

优选的，多孔套筒连接器7、11导通并与控制算法配合缓冲的过程中，其判断依据为液压缸在工作过程中的位移误差。在位移误差允许的范围内，不断调整通入线圈绕组21电流的大小来改善冲击缓冲效果。

控制方法原理

在本实施例中，液压阻尼驱动单元活塞杆10往上运动时，一往下的变负载冲击突然作用在活塞杆10上，采集活塞杆10的位移数据，活塞杆10将冲击力传递给活塞9下端的液压油，此时液压驱动单元两端控制阀关闭，磁吸绕组24正向通电，旋转导流片5、12导通，高压油流入液动力腔27而推动阻尼活塞3、14往下运动，弹簧2、15蓄能，对线圈绕组21利用位移信号及阻尼控制算法控制输出电流大小进而控制抗冲击减振效果，当位移误差达到稳定后，磁吸绕组24反向通电，旋转导流片5、12关闭，液压驱动单元两端控制阀打开并继续工作，检测活塞9两端的压差，当活塞9上端的压力大于或等于下端的压力时，磁吸绕组24正向通电，旋转导流片5、12再次导通，在保证位移扰动较小的条件下，蓄能弹簧2、15推动阻尼活塞14、3使上端液动力腔吸入液压油，下端液动力腔排出多余液压油，待阻尼活塞3、14复位后，磁吸绕组24反向通电，旋转导流片5、12关闭，再次采集活塞杆的位移数据，进入冲击缓冲等待状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。