CN103696956B - 一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副 - Google Patents

Abstract

一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，主要由浮动衬板、浮动套、配流盘、三个电涡流微位移传感器、放大调理电路、控制单元和功率放大器组成，其中浮动套安装在浮动盘一端，浮动盘另一端安装有圆环形电磁铁，在配流盘低压配流区对应安装有圆弧形电磁铁。该发明能够自动补偿配流副低压配流区的液压反推力，使配流副两个端面之间受力更加均匀，从而平衡高压配流区的偏载力矩，减轻低压配流区的磨损和高压配流区的泄漏流量，不仅可以提高水液压轴向柱塞泵的容积效率和使用寿命，而且通用性强，拆装、更换和维护都非常方便，适用于以纯水为工作介质的端面配流的斜盘或斜轴式液压轴向柱塞泵。

Description

一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副

技术领域

本发明属于水液压传动技术领域，涉及以纯水作为工作介质的端面配流的斜盘或斜轴式液压轴向柱塞泵，特别涉及一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副。

背景技术

以纯水(包括淡、海水)为工作介质的水液压传动技术具有无污染、阻燃性好和介质来源广等众多优点，在食品加工、海水淡化、海洋资源开发等众多领域具有独特使用优势。水液压轴向柱塞泵作为动力元件，是整个水液压传动系统的“心脏”，其性能好坏对整个系统具有决定性影响，而配流副又是水液压轴向柱塞泵中最为关键的摩擦副之一，其工作状况的优劣是决定水液压轴向柱塞泵质量优劣的关键。

相比传统的油压轴向柱塞泵，水液压轴向柱塞泵的配流副更容易磨损和失效，这是因为纯水(包括淡水、海水)不仅粘度低而且润滑性差，在同等工况下通过相同摩擦副间隙时纯水(包括淡水、海水)的泄漏流量要比液压油增大近30倍，从而引起容积效率的显著降低；再者纯水介质很难形成润滑膜，即便产生了润滑水膜，其厚度也只有油膜的1/3～1/20，再加上配流副两端面间的液压反推力和压紧力很难保持平衡，通常高压配流窗口周边的液压反推力要远远高于低压配流窗口周边的液压反推力，液压反推力的不平衡产生偏载力矩，缸体在偏载力矩的作用下往往会出现倾斜，在配流副两端面之间产生楔形空间，这会导致在高压配流窗口一侧因配流间隙较大从而产生较大的泄漏流量，降低了泵的容积效率；在低压配流窗口一侧因配流间隙较小，产生的润滑水膜很薄，很难形成具有有效刚度的水膜支撑，极易造成配流副运动表面之间的直接接触，产生干摩擦加剧磨损，影响泵的使用寿命。

由于液压轴向柱塞泵工作时受到许多因素影响，其压力场、速度场和温度场等分布也都十分复杂，国内外学者围绕传统油压轴向柱塞泵配流副的配流状况进行了多方面研究，但大多是集中在对现有油压配流副的工作情况和摩擦润滑规律进行研究，对配流副特别是水液压轴向柱塞泵用配流副压力分布不均匀导致的偏载力矩存在，以致引起偏磨降低水液压轴向柱塞泵容积效率和寿命等问题研究很少，更未提出一个较好的解决措施。专利200510096287.3公开的一种端面配流轴向柱塞泵的油膜厚度控制系统，通过闭环可控的电磁力来补偿配流副两个端面之间的液压反推力，能有效避免油压轴向柱塞泵配流盘烧盘故障的发生，但对于平衡水液压轴向柱塞泵配流副两个端面之间的偏载力矩效果不佳，原因在于它是整体加大配流副两个端面之间的液压反推力而非有针对性的补偿低压配流窗口周边的液压反推力，这会导致配流副两个端面之间配合间隙整体增加而楔形空间却依旧存在，因为相比油膜水膜要薄很多，在避免配流副运动表面直接接触的同时却加大了泄漏流量，影响整机的容积效率；此外，由于缸体本身质量较大，在柱塞泵整机高压、高速旋转工况下，产生很大的惯性力，致使安装在缸体上的电磁铁需要大功率、高响应电流才能驱动，这为准确及时的补偿配流副两个端面之间的液压反推力带来困难；再者，先利用压力传感器间接测量出配流副两个端面之间的压力，再通过控制程序计算配流副两个端面的间隙变化以及判断楔形空间或偏磨的方法，受轴向柱塞泵复杂工况和压力场分布等影响，对控制程序要求极高，实现起来难度很大。更为重要的问题是，由于水膜厚度相比油膜要薄很多，包括压电晶体压力传感器在内的多数压力传感器都是接触型传感器，若将其安装在水液压轴向柱塞泵配流盘上测量配流副两个端面之间的压力，由于配流副两个端面不断承受交变载荷，驱使缸体产生不断变化的轴向位移，再加上配流盘和安装其上的压力传感器静止不动而缸体却高速旋转，这会导致接触型传感器表面不断受到摩擦，短时间内极易磨损失效，反而成为影响整机使用寿命的短板。

发明内容

本发明提供一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，目的是自动补偿配流副低压配流区的液压反推力，使配流副两个端面之间受力更加均匀，从而平衡高压配流区的偏载力矩，减轻低压配流区的磨损和高压配流区的泄漏流量，进而提高水液压轴向柱塞泵的容积效率和使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案包括：一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，主要由浮动衬板(1)、浮动套(2)、配流盘(3)、第一电涡流微位移传感器(4)、第二电涡流微位移传感器(5)、第三电涡流微位移传感器(6)、放大调理电路(7)、控制单元(8)和功率放大器(9)组成，浮动衬板(1)为圆环状，中心开有阶梯孔(1.1)，阶梯孔(1.1)外围为环形配流区(1.2)，在环形配流区(1.2)内沿圆周均匀分布7或9个配流孔(1.3)，每个浮动套(2)的一端装入浮动衬板(1)对应的配流孔(1.3)中，环形配流区(1.2)的外围为环形位移感应区(1.4)，环形位移感应区(1.4)的外围安装有圆环形永磁铁(1.5)；配流盘(3)为圆环状，圆环沿径向依次由一体同心的内圆环、中间圆环和外圆环组成，内圆环内凹构成环形通流槽(3.1)，中间圆环与浮动衬板(1)的环形配流区(1.2)位置对应并贴合构成摩擦副，水介质浸入两个环形端面之间的缝隙形成水润滑膜，在中间圆环上沿水平中心线的两侧分布有高压腰形槽(3.2)和低压腰形槽(3.3)，外圆环沿径向又依次分为位移监测区(3.4)和磁力补偿区(3.5)，其中位移监测区(3.4)与浮动衬板(1)的环形位移感应区(1.4)位置对应，在位移监测区(3.4)内开有第一监测孔(3.7)、第二监测孔(3.8)和第三监测孔(3.9)，并分别对应安装第一电涡流微位移传感器(4)、第二电涡流微位移传感器(5)和第三电涡流微位移传感器(6)，在磁力补偿区(3.5)内靠近低压腰形槽(3.3)安装与浮动衬板(1)上的圆环形永磁铁(1.5)位置相对应的圆弧形电磁铁(3.6)，由上述第一、第二、第三电涡流微位移传感器(4、5、6)采集浮动衬板(1)的位移信号并经过放大调理电路(7)后发送至控制单元(8)，控制单元(8)输出控制信号经功率放大器(9)后发送到配流盘(3)上的圆弧形电磁铁(3.6)，控制圆环形永磁铁(1.5)与圆弧形电磁铁(3.6)之间产生电磁斥力，自动补偿浮动衬板(1)的环形配流区(1.2)与配流盘(3)的低压腰形槽(3.3)所形成的低压配流区的液压反推力，平衡浮动衬板(1)与配流盘(3)之间的偏载力矩。

本发明中的浮动衬板(1)由含有磁性的不锈钢加工制成，配流盘(3)由工程塑料制成或外壁覆盖有工程塑料层；浮动衬板(1)上的圆环形永磁铁(1.5)与浮动衬板(1)之间安装隔磁材料(1.6)。

本发明中的配流盘(3)上的第一监测孔(3.7)位于配流盘(3)端面的竖直中心线上，第二监测孔(3.8)和第三监测孔(3.9)位于配流盘(3)端面的水平中心线上，并分布在配流盘(3)端面竖直中心线的两侧。

本发明中的第一、第二、第三电涡流微位移传感器(4、5、6)与对应在配流盘(3)上的监测孔(3.7、3.8、3.9)之间同心安装，上述电涡流微位移传感器(4、5、6)的探头分别沉入对应的监测孔(3.7、3.8、3.9)中。

本发明中的圆环形永磁铁(1.5)通过4～16个第一沉头紧固螺钉(1.7)固定在浮动衬板(1)上；圆弧形电磁铁(3.6)的圆弧角度在90°～150°之间，通过3～7个第二沉头紧固螺钉(3.10)固定在配流盘(3)上，且圆弧形电磁铁(3.6)与功率放大器(9)的输出端之间通过水密电缆线连接。

与背景技术相比，本发明所具有的有益效果是：

本发明通过闭环可控的电磁斥力针对配流副低压配流区的液压反推力进行自动补偿，使配流副两个端面之间受力更加均匀，从而平衡高压配流区的偏载力矩，减轻低压配流区的摩擦磨损和高压配流区的泄漏流量，进而提高水液压轴向柱塞泵的容积效率和使用寿命；

本发明主要由配流盘、浮动衬板等构成，圆弧形电磁铁专门安装在质量较小且具有一定的“柔性”的浮动衬板上，一方面为准确及时补偿配流副两个端面之间的液压反推力提供条件；另一方面增加了该发明的通用性，只需在泵壳上开电缆线引出孔道并添加密封即可安装该配流副，更加易于拆装、更换和维护；

本发明采用非接触测量法直接测量配流副中浮动衬板相对于配流盘端面的轴向位移，方便控制程序及时准确的计算配流副两个端面的间隙变化及楔形空间角度，在配流副受交变载荷以及缸体和浮动衬板高速旋转工况下，不会造成摩擦磨损，能有效保障整机的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中浮动衬板的结构示意图；

图3是本发明中配流盘的结构示意图；

图4是本发明安装在水液压轴向柱塞泵上的结构示意图；

图1至图4中名称分别为：1-浮动衬板，1.1-阶梯孔，1.2-环形配流区，1.3-配流孔，1.4-环形位移感应区，1.5-圆环形永磁铁，1.6-隔磁材料，1.7-第一沉头紧固螺钉，2-浮动套，3-配流盘，3.1-环形通流槽，3.2-高压腰形槽，3.3-低压腰形槽，3.4-位移监测区，3.5-磁力补偿区，3.6-圆弧形电磁铁，3.7-第一监测孔，3.8-第二监测孔，3.9-第三监测孔，3.10-第二沉头紧固螺钉，4-第一电涡流微位移传感器，5-第二电涡流微位移传感器，6-第三电涡流微位移传感器，7-放大调理电路，8-控制单元，9-功率放大器，10-密封圈，11-挡圈，12-缸体，13-紧锁螺母，14-压紧垫片，15-O型橡胶圈，16-后端盖，17-电缆密封件，18-第三紧固螺钉，19-中心弹簧；

图2中的灰色圆环表示环形配流区(1.2)，图3中灰色圆环表示配流盘(3)上的中间圆环。

具体实施方式

下面将结合附图对具体的实施方式作进一步的说明。如图1、2、3所示，本发明主要由浮动衬板1、浮动套2、配流盘3、第一、第二、第三电涡流微位移传感器4、5、6、放大调理电路7、控制单元8和功率放大器9组成，浮动衬板1为圆环状，由含有磁性的不锈钢加工制成，中心开有阶梯孔1.1，阶梯孔1.1外围为环形配流区1.2，在环形配流区1.2内沿圆周均匀分布7或9个配流孔1.3，每个浮动套2的一端装入浮动衬板1对应的配流孔1.3中，环形配流区1.2的外围为环形位移感应区1.4，环形位移感应区1.4的外围安装圆环形永磁铁1.5，圆环形永磁铁1.5与浮动衬板1之间安装隔磁材料1.6；配流盘3为圆环状，由工程塑料制成或外壁覆盖有工程塑料层，圆环沿径向依次由一体同心的内圆环、中间圆环和外圆环组成，内圆环内凹构成环形通流槽3.1，中间圆环与浮动衬板1的环形配流区1.2位置对应并贴合构成摩擦副，水介质浸入两个环形端面之间的缝隙形成水润滑膜，在中间圆环上沿水平中心线的两侧分布有高压腰形槽3.2和低压腰形槽3.3，外圆环沿径向又依次分为位移监测区3.4和磁力补偿区3.5，其中位移监测区3.4与浮动衬板1的环形位移感应区1.4位置对应，在位移监测区3.4内开有第一监测孔3.7、第二监测孔3.8和第三监测孔3.9，并分别对应安装第一电涡流微位移传感器4、第二电涡流微位移传感器5和第三电涡流微位移传感器6，在磁力补偿区3.5内靠近低压腰形槽3.3安装与浮动衬板1上的圆环形永磁铁1.5位置相对应的圆弧形电磁铁3.6，圆弧形电磁铁3.6的圆弧角度在90°～150°之间，由上述第一、第二、第三电涡流微位移传感器4、5、6采集浮动衬板1的位移信号并经过放大调理电路7后发送至控制单元8，控制单元8输出控制信号经功率放大器9后发送到配流盘3上的圆弧形电磁铁3.6，控制圆环形永磁铁1.5与圆弧形电磁铁3.6之间产生电磁斥力，自动补偿浮动衬板1的环形配流区1.2与配流盘3的低压腰形槽3.3所形成的低压配流区的液压反推力，平衡浮动衬板1与配流盘3之间的偏载力矩。

结合图4对本发明在水液压轴向柱塞泵上安装作如下说明。首先将本发明中的浮动衬板和浮动套装到水液压轴向柱塞泵的缸体中，具体步骤是：将所有浮动套2都装入浮动衬板1对应的配流孔1.3后，再将每个浮动套2的另外一端与水液压轴向柱塞泵的缸体12内部的各个缸孔相对应，然后将浮动衬板1和浮动套2整体压入水液压轴向柱塞泵的缸体12内部的各个缸孔中，并且每个浮动套2与对应的缸孔之间通过密封圈10和挡圈11密封固定；其次是将本发明中的配流盘3、三个电涡流微位移传感器4、5、6等固定在水液压轴向柱塞泵后端盖16上，具体步骤是：先将配流盘3通过第三紧固螺钉18安装到水液压轴向柱塞泵的后端盖16上，三个电涡流微位移传感器4、5、6的探头分别穿过后端盖16上开有的孔道对应安装并沉入配流盘3上的监测孔3.7、3.8、3.9中，三个电涡流微位移传感器4、5、6均通过紧锁螺母13和压紧垫片14紧固在后端盖16上，并由O型橡胶圈15进行端面密封，再将后端盖16安装到水液压轴向柱塞泵泵体上；最后完成控制系统电缆线连接，具体步骤是：通过电缆线将三个电涡流微位移传感器4、5、6分别连接到放大调理电路7，放大调理电路7连接到控制单元8，控制单元8连接到功率放大器9，功率放大器9的输出端再与配流盘3上的圆弧形电磁铁3.6之间通过穿过后端盖16的水密电缆线连接，并在后端盖16上安装电缆密封件17。

本发明的工作过程如下所述：当水液压轴向柱塞泵工作时，传动轴带动安装在缸体12上的浮动衬板1、浮动套2一起转动，固定在后端盖16上的配流盘3则静止不动，缸体12内部的柱塞产生往复运动造成缸孔内密封容腔不断增大或减小，缸孔内密封容腔增大时通过配流盘3上的低压腰形槽3.3将水吸入泵内，缸孔内密封容腔减小时通过配流盘3上的高压腰形槽3.2再将水从泵内压出，在弹簧19和缸孔内部水压等作用下浮动衬板1的环形配流区1.2与配流盘19的中间圆环贴合并构成摩擦副，水介质浸入两个环形端面之间的缝隙形成水润滑膜。在此过程中浮动衬板1与配流盘3之间的作用力包括中心弹簧19的压紧力、浮动衬板1对配流盘3的液压推力、水润滑膜的液压反推力以及圆环形永磁铁1.5和圆弧形电磁铁3.6之间的电磁斥力，以上诸力中只有圆环形永磁铁1.5和圆弧形电磁铁3.6之间的电磁力是闭环可控的作用力，其它作用力会随水液压轴向柱塞泵工况的变化而变化，而且无法进行主动控制，通过安装在配流盘3上的三个电涡流微位移传感器4、5、6分别采集浮动衬板1上环形位移感应区1.4中三个点的位移信号，将位移信号先通过放大调理电路7进行放大调理后发送至控制单元8，控制单元8通过所得测得三个点的位置坐标计算浮动衬板1和配流盘3两个摩擦副端面的间隙以及楔形空间角度，并与预设值比较产生调节偏差进而产生控制信号，控制信号经功率放大器9功率放大后发送给配流盘3上的圆弧形电磁铁3.6，驱动配流盘3上的圆弧形电磁铁3.6与浮动衬板1上的圆环形永磁铁1.5之间产生电磁作用力，自动补偿浮动衬板1的环形配流区1.2与配流盘3的低压腰形槽3.3所形成的低压配流区的液压反推力，使动衬板1和配流盘3两个端面之间受力更加均匀，从而平衡高压配流区的偏载力矩，减轻低压配流区的磨损和高压配流区的泄漏流量，进而提高水液压轴向柱塞泵的容积效率和使用寿命。

Claims (9)

1.一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，主要由浮动衬板(1)、浮动套(2)、配流盘(3)、第一电涡流微位移传感器(4)、第二电涡流微位移传感器(5)、第三电涡流微位移传感器(6)、放大调理电路(7)、控制单元(8)和功率放大器(9)组成，浮动衬板(1)为圆环状，中心开有阶梯孔(1.1)，阶梯孔(1.1)外围为环形配流区(1.2)，在环形配流区(1.2)内沿圆周均匀分布7或9个配流孔(1.3)，每个浮动套(2)的一端装入浮动衬板(1)对应的配流孔(1.3)中，环形配流区(1.2)的外围为环形位移感应区(1.4)，环形位移感应区(1.4)的外围安装有圆环形永磁铁(1.5)；配流盘(3)为圆环状，圆环沿径向依次由一体同心的内圆环、中间圆环和外圆环组成，内圆环内凹构成环形通流槽(3.1)，中间圆环与浮动衬板(1)的环形配流区(1.2)位置对应并贴合构成摩擦副，水介质浸入两个环形端面之间的缝隙形成水润滑膜，在中间圆环上沿水平中心线的两侧分布有高压腰形槽(3.2)和低压腰形槽(3.3)，外圆环沿径向又依次分为位移监测区(3.4)和磁力补偿区(3.5)，其中位移监测区(3.4)与浮动衬板(1)的环形位移感应区(1.4)位置对应，在位移监测区(3.4)内开有第一监测孔(3.7)、第二监测孔(3.8)和第三监测孔(3.9)，并分别对应安装第一电涡流微位移传感器(4)、第二电涡流微位移传感器(5)和第三电涡流微位移传感器(6)，在磁力补偿区(3.5)内靠近低压腰形槽(3.3)安装与浮动衬板(1)上的圆环形永磁铁(1.5)位置相对应的圆弧形电磁铁(3.6)，由上述第一、第二、第三电涡流微位移传感器采集浮动衬板(1)的位移信号并经过放大调理电路(7)后发送至控制单元(8)，控制单元(8)输出控制信号经功率放大器(9)后发送到配流盘(3)上的圆弧形电磁铁(3.6)，控制圆环形永磁铁(1.5)与圆弧形电磁铁(3.6)之间产生电磁斥力，自动补偿浮动衬板(1)的环形配流区(1.2)与配流盘(3)的低压腰形槽(3.3)所形成的低压配流区的液压反推力，平衡浮动衬板(1)与配流盘(3)之间的偏载力矩。

2.根据权利要求1所述的一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，其特征在于：浮动衬板(1)由含有磁性的不锈钢加工制成，配流盘(3)由工程塑料制成或外壁覆盖有工程塑料层。

3.根据权利要求1或2所述的一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，其特征在于：浮动衬板(1)上的圆环形永磁铁(1.5)与浮动衬板(1)之间安装隔磁材料(1.6)。

4.根据权利要求1所述的一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，其特征在于：配流盘(3)上的第一监测孔(3.7)位于配流盘(3)端面的竖直中心线上，第二监测孔(3.8)和第三监测孔(3.9)位于配流盘(3)端面的水平中心线上，并分布在配流盘(3)端面竖直中心线的两侧。

5.根据权利要求1所述的一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，其特征在于：第一、第二、第三电涡流微位移传感器与对应在配流盘(3)上的第一、第二、第三监测孔之间同心安装，上述第一、第二、第三电涡流微位移传感器的探头分别沉入对应的第一、第二、第三监测孔中。

6.根据权利要求1所述的一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，其特征在于：配流盘(3)上的圆弧形电磁铁(3.6)的圆弧角度在90°～150°之间。

7.根据权利要求1所述的一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，其特征在于：圆环形永磁铁(1.5)通过4～16个第一沉头紧固螺钉(1.7)固定在浮动衬板(1)上。

8.根据权利要求1所述的一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，其特征在于：圆弧形电磁铁(3.6)通过3～7个第二沉头紧固螺钉(3.10)固定在配流盘(3)上。

9.根据权利要求1所述的一种力矩平衡的水液压轴向柱塞泵用配流副，其特征在于：功率放大器(9)的输出端与圆弧形电磁铁(3.6)之间通过水密电缆线连接。