CN103557135A - 双工况自适应直线电机驱动泵及其实现恒流输出的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双工况自适应直线电机驱动泵，包括一对基本柱塞单元、直线电机、输入口和输出口，基本柱塞单元相对于直线电机对称设置，且分别与固定在直线电机上的连杆连接，直线电机包括底座和滑块，底座设置在双工况自适应直线电机驱动泵底部的中央，滑块设置在底座上，且能够沿着底座做直线运动，基本柱塞单元包括上缸盖、缸体、柱塞和下缸盖，上缸盖和缸体固定连接，下缸盖与缸体固定连接，柱塞设置在缸体内部，并且从上缸盖中穿出，缸体包括上进液口、上出液口和缸套，其中上进液口和上出液口分别对称设置于缸套顶端的左右侧。本发明能够满足水面快速下潜、深海悬浮时精确微调的要求，适用于深、浅海域，能够自动进行高低压工作模式切换。

Description

双工况自适应直线电机驱动泵及其实现恒流输出的方法

技术领域

本发明属于柱塞泵技术领域，更具体地，涉及一种双工况自适应直线电机驱动泵及其实现恒流输出的方法。

背景技术

随着全球的经济发展，人类对资源的需求越来越庞大，陆地资源的日渐枯竭，全世界的目光逐渐向资源储量丰富的海洋转移。开发海底资源，需要一系列的海洋装备，其中潜水器是海洋资源开发主要装备之一，不论是海洋勘探、科学考察，还是开发作业、军事侦查都需要用到潜水器。

对潜水器的舵进行控制，可达到对潜器的俯仰角以及升沉运动进行控制的目的（此为传统升沉控制方式），该种方式前提是潜水器必须具有前行速度。当潜水器受地理环境限制在水面不能前行时，传统升沉控制方式就不能有效的控制潜水器下潜。潜水器在执行任务过程中进行取样或者施放装置后，其质量均会发生变化；且海水的密度易受温度等多种因素影响，而密度的变化会导致潜水器的浮力发生变化。以上浮力或重力的变化均会打破潜水器之前的中性浮力，从而导致潜器的上升或下沉，当潜水器处于悬停作业没有前行速度时，传统升沉控制方式很难有效的对潜器进行定深控制。因此为了保证潜水器能在多种环境下下潜，且在作业时能保持相对稳定的作业工况，需要引入浮力调节系统对传统舵控进行补充。且该系统需满足：潜水器能在水面能快速下潜、潜水器在深海悬浮作业时能精确的对其重力或浮力进行微调。作为现行浮力调节系统的典型代表，可调压载海水液压浮力调节系统具有浮力调节范围广、工作深度大、环境友好等诸多优点。

目前国内广泛用于可调压载海水液压浮力调节系统的海水泵主要为斜盘式海水柱塞泵，如：华中科技大学于2010年公布的自补水型阀配流柱塞式超高压水泵（申请号：201010289304.6）其创新的在柱塞泵类加入一补水泵，使得该泵具有较好的自吸性能；2012年华中科技大学公布了一种全深度浮力调节海水泵（申请号：201210169993.6），其对传统柱塞泵进行了一系列优化：引入了阶梯柱塞、加入压力补偿器等结构，使得该泵具有较强的适应性能在任意海深工作。斜盘式海水柱塞泵中存在着旋转运动转换成直线运动的环节，复杂的结构使得其制造难度大、维护检修复杂以及减振降噪困难。而采用直线电机作为动力端直接驱动柱塞，能大大地简化海水泵的结构，并能使其具有结构紧凑、流量调节方便、噪声低以及压力流量脉动小等诸多优点。而且，现有海水泵为定量泵，在相同输入驱动功率的情况下，其最大输出压力恒定。而实际上作为海水浮力调节泵，在相同输入功率的条件下，在浅海工作时，由于系统输出压力低，希望增大流量，提高工作效率；在深海工作时，则通过减小泵的输出流量提高其输出压力高。现有海水泵显然难以满足这种工况需求。

2005年国内第一个多直线电机驱动往复泵获得授权，（申请号：200420061662.1），该泵直线电机和柱塞分两侧布置，未充分利用直线电机的反向行程。直线电机驱动双作用多缸往复泵（申请号：200620033246.X）以及齿轮齿条耦合的直线电机多缸往复泵（申请号：200910167746.0）分别于2007年以及2011年获得授权，两者均利用了直线电机的反向行程，但前者柱塞工作容腔恒定，限于目前成熟商用小型直线电机产品的最大推力，在直线电机的最大推力恒定时，该泵的工作压力范围有限；而后者虽满足较大的工作压力范围，但在两柱塞轴之间加入了齿轮齿条，这种结构增加了泵结构的复杂度，降低了泵的可靠性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种能用于可调压载海水液压浮力调节系统的双工况自适应直线电机驱动泵及其实现恒流输出的方法，其目的在于能够满足水面快速下潜、深海悬浮时精确微调的要求，适用于深、浅海域，能够自动进行高低压工作模式切换，满足不同深度浮力调节要求，能通过多台泵组合实现无流量脉动输出，并能通过设置速度曲线对组合输出流量进行比例/伺服控制。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双工况自适应直线电机驱动泵，包括一对基本柱塞单元、直线电机、输入口和输出口，基本柱塞单元相对于直线电机对称设置，且分别与固定在直线电机上的连杆连接，直线电机包括底座和滑块，底座设置在双工况自适应直线电机驱动泵底部的中央，滑块设置在底座上，且能够沿着底座做直线运动，基本柱塞单元包括上缸盖、缸体、柱塞和下缸盖，上缸盖和缸体固定连接，下缸盖与缸体固定连接，柱塞设置在缸体内部，并且从上缸盖中穿出，缸体包括上进液口、上出液口和缸套，其中上进液口和上出液口分别对称设置于缸套顶端的左右侧，缸套用于容纳柱塞，从而形成上下两个工作容腔，下缸盖包括下进液口、下出液口和液控开关阀，其中下进液口和下出液口分别对称设置于下缸盖顶端的左右侧，液控开关阀设置于下缸盖的底部，液控开关阀包括阀入口、阀芯、螺堵、液控推杆、控制口、弹簧、阀座、阀出口，阀入口与下进液口连通，阀出口设置于下缸盖底部的左侧，且与对称柱塞单元液控开关阀的阀出口相互连通，控制口设置于下缸盖底部的右侧且与输出口连接，液控推杆设置于控制口内部，阀芯和阀座设置于下缸盖的左侧中部，弹簧设置于阀芯与螺堵之间。

优选地，驱动泵还包括一对第一吸入阀和一对第二吸入阀，第一吸入阀和第二吸入阀设置在基本柱塞单元的左侧，且彼此连接，并与输入口连接，用于输入液体。

优选地，驱动泵还包括一对第一排出阀和一对第二排出阀，第一排出阀和第二排出阀设置在基本柱塞单元的右侧，且彼此连接，并与输出口连接，用于输出液体。

优选地，基本柱塞单元分别通过一对联轴器与固定在直线电机上的连杆连接。

按照本发明的另一方面，提供了一种双工况自适应直线电机驱动泵实现恒流输出的方法，包括以下步骤：

（1）将多台双工况自适应直线电机驱动泵的输入口相连，输出口相连；

（2）判断双工况自适应直线电机驱动泵的数量是偶数还是奇数，如果是偶数，则进入步骤（3），否则进入步骤（4）；

（3）将双工况自适应直线电机驱动泵分为多对，每对中的两台双工况自适应直线电机驱动泵的速度曲线均三角波，且二者速度曲线相差四分之一个周期；

（4）将双工况自适应直线电机驱动泵其中3台的速度曲线设置为梯形波，该梯形波上下半个周期中的加速度、匀速段与减速段各占六分之一个周期，且三条梯形曲线各相差三分之一个周期，并将剩下的偶数台双工况自适应直线电机驱动泵分为若干对，每对中的两台双工况自适应直线电机驱动泵的速度曲线均设置为三角波，且二者速度曲线相差四分之一个周期。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

（1）结构简单，较斜盘式柱塞泵而言摩擦副大量较少，寿命、噪声、效率等指标均有了较大改善。

（2）利用了直线电机正反向行程以及柱塞的上下两个工作容腔，使得直线电机正正反向行程均得到有效的利用，较其他相同柱塞面积的直线电机驱动泵输出流量更大，结构更合理，效率更高。

（3）通过液控开关阀实现低压大流量、高压小流量两种工况自动切换，更符合潜水器浮力调节系统的水面快速下潜、深海悬浮时精确微调的工作要求。

（4）本发明较斜盘式柱塞泵控制更为灵活，按本发明提供方法对直线电机滑块的速度曲线进行规划，可实现组合恒流输出以及流量比例/伺服控制。

附图说明

图1是本发明双工况自适应直线电机驱动泵的应用环境图。

图2是本发明双工况自适应直线电机驱动泵结构示意图。

图3是本发明的基本柱塞单元结构示意图。

图4是双工况自适应直线电机驱动泵实施恒流输出时的三角波速度曲线。

图5是双工况自适应直线电机驱动泵实施恒流输出时的梯形波速度曲线。

图6是两台双工况自适应直线电机驱动泵实施恒流输出时的流量曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的双工况自适应直线电机驱动泵是应用在一种可调压载海水液压浮力调节系统中，根据原理图可知，海水泵运行后，通过电磁阀控制海水流向，实现潜器中压载水舱的注、排水，以改变水舱中海水重量，从而调节潜水器自重。而海水泵作为其中关键元件，其性能好坏直接影响着整个可调压载海水液压浮力调节系统的工作性能。

如图2所示，本发明的双工况自适应直线电机驱动泵包括一对基本柱塞单元1、直线电机2、一对第一吸入阀3、一对第二吸入阀4、一对第一排出阀5、一对第二排出阀6、输入口7和输出口8，两个基本柱塞单元1相对于直线电机2对称设置，基本柱塞单元1分别通过联轴器10和11与固定在直线电机2上的连杆9连接。

直线电机2包括底座21和滑块22，底座21设置在双工况自适应直线电机驱动泵底部的中央，滑块22设置在底座21上，且能够沿着底座21做直线运动。

第一吸入阀3和第二吸入阀4设置在基本柱塞单元1的左侧，且彼此通过管道连接，并与双工况自适应直线电机驱动泵的输入口7连接，用于输入液体。

第一排出阀5和第二排出阀6设置在基本柱塞单元1的右侧，且彼此通过管道连接，并与双工况自适应直线电机驱动泵的输出口8连接，用于输出液体。

如图3所示，基本柱塞单元1包括上缸盖11、缸体12、柱塞13和下缸盖14，上缸盖11和缸体12通过螺钉固定连接，下缸盖14与缸体12通过焊接方式固定连接，柱塞13设置在缸体12内部，并且从上缸盖11中穿出。

缸体12包括上进液口121、上出液口122和缸套123，其中上进液口121和上出液口122分别对称设置于缸套123顶端的左右侧，缸套123用于容纳柱塞13，从而形成上下两个工作容腔15与16。

下缸盖14包括下进液口141、下出液口142和液控开关阀143，其中下进液口141和下出液口142分别对称设置于下缸盖14顶端的左右侧，液控开关阀143设置于下缸盖14的底部。

液控开关阀143包括阀入口1431、阀芯1432、螺堵1433、液控推杆1434、控制口1435、弹簧1436、阀座1437、阀出口1438。阀入口1431与下进液口141连通，阀出口1438设置于下缸盖14底部的左侧，且与对称柱塞单元液控开关阀的阀出口相互连通，控制口1435设置于下缸盖14底部的右侧且与输出口8连接，液控推杆1434设置于控制口1435内部，阀芯1432和阀座1437设置于下缸盖14的左侧中部，弹簧1436设置于阀芯1432与螺堵1433之间。装配时，先压入阀座1437，再依次装入阀芯1432、弹簧1436，最后旋上装有O形圈的螺堵1433。

本发明的双工况自适应直线电机驱动泵的工作原理如下：首先，与输出口8连接的控制口1435检测驱动泵的输出压力，并判断工况是低压工况还是高压工况，如果低于设置的阈值，则为低压工况，如果高于，则为高压工况，其中阈值是通过弹簧1436的刚度与预压缩量设置的。

在低压工况时，此时与输出口8连接的控制口1435内压力未达到设定的切换压力，液控开关阀处于关闭状态，柱塞单元下容腔16的液体只能从下出液口142并经由第二排出阀6流出，因此此时柱塞单元的上容腔15与下容腔16均为有效工作容腔，柱塞的有效工作面积取得最大值，为上容腔15截面积与下容腔16截面积之和，在同等运动速度下泵的排量亦为最大。

在高压工况时，此时与输出口8连接的控制口1435内压力达到设定的切换压力，液控开关阀处于开启状态，上下两个柱塞单元的下容腔16通过液控开关阀143以及连接管路相互连通，且由于该通道的压损低于第二排出阀6的开启压力，下容腔16中的液体在两个柱塞单元的下容腔及其连接通道之间循环。因此此时只有上容腔15为有效工作容腔，柱塞的有效工作面积取得最小值为上容腔15截面积，在相同的直线电机推力下，泵的最大工作压力大为提高。

上述双工况自适应直线电机驱动泵实现恒流输出的方法包括以下步骤：

（1）将多台双工况自适应直线电机驱动泵的输入口相连，输出口相连；

（2）判断双工况自适应直线电机驱动泵的数量是偶数还是奇数，如果是偶数，则进入步骤（3），否则进入步骤（4）；

（3）将双工况自适应直线电机驱动泵分为多对，每对中的两台双工况自适应直线电机驱动泵的速度曲线均设置为如图4所示的三角波，且二者速度曲线相差四分之一个周期；

（4）将双工况自适应直线电机驱动泵其中3台的速度曲线设置为如图5所示的梯形波，此梯形波上下半个周期中的加速度、匀速段与减速段各占六分之一个周期，且三条梯形曲线各相差三分之一个周期；并将剩下的偶数台双工况自适应直线电机驱动泵（若剩下0台则跳过）分为若干对，每对中的两台双工况自适应直线电机驱动泵的速度曲线均设置为如图4所示的三角波，且二者速度曲线相差四分之一个周期。

通过调节上述波形的峰值与周期，使得调定的波形满足柱塞的最大行程，可实现组合输出流量比例/伺服控制。

上述恒流输出方法的工作原理如下：柱塞泵的流量与柱塞的运动速度及其有效截面积成正比，通过上述方法可使得直线电机的实时速度绝对值之和为恒定值，故在柱塞的有效截面积相同的前提下，组合输出流量为恒定值。以两台所述双工况自适应直线电机驱动泵为例，通过本明提供的方法设定两泵的速度曲线，可使得A泵与B泵的柱塞实时速度绝对值之和恒为Va，A、B两泵工况一致，其柱塞的有效工作面积亦一致均为S，由于本发明所述双工况自适应直线电机驱动泵有两个对称分布柱塞单元，因此正反行程均有流量输出，且其流量曲线如图6所示，根据图6中的流量曲线，A、B两泵的组合输出流量为恒定值Va*S，按照本发明提供的方法调节速度峰值Va可实现输出流量比例/伺服控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双工况自适应直线电机驱动泵，包括一对基本柱塞单元、直线电机、输入口和输出口，其特征在于，

基本柱塞单元相对于直线电机对称设置，且分别与固定在直线电机上的连杆连接；

直线电机包括底座和滑块，底座设置在双工况自适应直线电机驱动泵底部的中央，滑块设置在底座上，且能够沿着底座做直线运动；

基本柱塞单元包括上缸盖、缸体、柱塞和下缸盖，上缸盖和缸体固定连接，下缸盖与缸体固定连接，柱塞设置在缸体内部，并且从上缸盖中穿出；

缸体包括上进液口、上出液口和缸套，其中上进液口和上出液口分别对称设置于缸套顶端的左右侧，缸套用于容纳柱塞，从而形成上下两个工作容腔；

下缸盖包括下进液口、下出液口和液控开关阀，其中下进液口和下出液口分别对称设置于下缸盖顶端的左右侧，液控开关阀设置于下缸盖的底部；

液控开关阀包括阀入口、阀芯、螺堵、液控推杆、控制口、弹簧、阀座、阀出口；

阀入口与下进液口连通，阀出口设置于下缸盖底部的左侧，且与对称柱塞单元液控开关阀的阀出口相互连通，控制口设置于下缸盖底部的右侧且与输出口连接，液控推杆设置于控制口内部，阀芯和阀座设置于下缸盖的左侧中部，弹簧设置于阀芯与螺堵之间。

2.根据权利要求1所述的双工况自适应直线电机驱动泵，其特征在于，

还包括一对第一吸入阀和一对第二吸入阀；

第一吸入阀和第二吸入阀设置在基本柱塞单元的左侧，且彼此连接，并与输入口连接，用于输入液体。

3.根据权利要求1所述的双工况自适应直线电机驱动泵，其特征在于，

还包括一对第一排出阀和一对第二排出阀；

第一排出阀和第二排出阀设置在基本柱塞单元的右侧，且彼此连接，并与输出口连接，用于输出液体。

4.根据权利要求1所述的双工况自适应直线电机驱动泵，其特征在于，基本柱塞单元分别通过一对联轴器与固定在直线电机上的连杆连接。

5.一种根据权利要求1-4中任意一项所述的双工况自适应直线电机驱动泵实现恒流输出的方法，包括以下步骤：

（1）将多台双工况自适应直线电机驱动泵的输入口相连，输出口相连；

（2）判断双工况自适应直线电机驱动泵的数量是偶数还是奇数，如果是偶数，则进入步骤（3），否则进入步骤（4）；

（3）将双工况自适应直线电机驱动泵分为多对，每对中的两台双工况自适应直线电机驱动泵的速度曲线均三角波，且二者速度曲线相差四分之一个周期；

（4）将双工况自适应直线电机驱动泵其中3台的速度曲线设置为梯形波，该梯形波上下半个周期中的加速度、匀速段与减速段各占六分之一个周期，且三条梯形曲线各相差三分之一个周期，并将剩下的偶数台双工况自适应直线电机驱动泵分为若干对，每对中的两台双工况自适应直线电机驱动泵的速度曲线均设置为三角波，且二者速度曲线相差四分之一个周期。

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