CN104500492B - 双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，包括双蝶形协同配流泵，其中双蝶形配流阀块具有X和Y油口，X油口和Y油口分别通过第一管路与第二管路与液压缸连接，两管路之间连接有相并联的两个压力保护阀，且两者的泄压油路方向相反，蓄能器通过第一单向阀和第一管路连接，通过第二单向阀和第二管路连接，蓄能器还通过第三单向阀连接截止阀。本发明提供的双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器具有高频响、高效率和节能效果，更能适应现代化液压系统需求，同时还采用模块设计，使其加工及装配工艺性好。

Description

双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器

技术领域

本发明涉及液压传动技术领域，尤其涉及一种双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器。

背景技术

液压技术是现代工程机械技术领域内重要的技术之一，液压泵是液压系统中完成机械能到液压能转换的元件，现有液压泵主要包括柱塞泵、叶片泵、齿轮泵等形式。上述传统的液压泵主要应用于开式液压系统，其特点是不管负载的需求如何，泵和电机组一直高速运转完成电能到液压能的转换，通过蓄能器和溢流阀维持系统压力的稳定，给末端的伺服阀或比例阀提供充足的液压功率，这种系统的功率损失严重，整体效率低。伴随着对高能源效率、低重量体积、模块化设计、机电一体化等方向需求的发展，容积控制液压系统是一个发展方向，一种典型应用就是航空航天领域的电静液作动器。

传统的纯机械结构液压泵在持续稳定的机械能到液压能转换需求下是一种很好的技术路径，但容积控制液压系统中液压泵不仅实现机械功率到液压功率的转换，还要完成对后端作动器液压功率的控制，由于其旋转轴系惯量大，配流结构固定，无法实现对后端负载压力与流量的高动态调控，因此旋转电机驱动旋转液压泵的这种系统架构在泵控系统的高动态需求下发展潜力有限。以应用最为广泛的斜盘式轴向柱塞泵为例，柱塞在公转圆上的运动通过斜盘倾角得到柱塞的往复运动，从而实现柱塞吸排油容腔体积的周期性变化，通过配流盘的吸油口与排油口实现对泵的油液流动方向的限定。其存在的缺陷是需要通过复杂的机构将柱塞在公转圆上的旋转运动转换为往复运动，由此造成柱塞泵的内部传动环节及摩擦副多。对于泵控液压系统的应用需求，柱塞泵需要改变转动部件的旋转方向来改变油液的流向，或者动态调节斜盘倾角来改变油液的流向，结构的复杂性造成旋转运动部件的转动惯量大，这样其对系统流量和压力的动态调节能力有限，不能满足泵控系统的高动态需求。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的是提供一种双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器。

本发明提供了一种双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，包括至少一个泵单元、蓄能器和液压缸，泵单元包括两个泵模块，两泵模块通过双蝶形配流阀块进行油路连接，泵模块包括直线电机，直线电机的两端均连接有配流阀，配流阀的壳体与直线电机的壳体固定连接，配流阀的阀芯与直线电机的动子连接，每一配流阀上连接有吸排油柱塞壳，吸排油柱塞壳内设置有柱塞，柱塞与阀芯一体连接，双蝶形配流阀块具有X油口和Y油口，X油口通过第一管路与液压缸的第一油口连接，Y油口通过第二管路与液压缸的第二油口连接，第一管路与第二管路之间连接有相并联的第一压力保护阀和第二压力保护阀，第一压力保护阀和所述第二压力保护阀的泄压油路方向相反，蓄能器通过第一单向阀和第一管路连接，通过第二单向阀和第二管路连接，蓄能器还通过第三单向阀连接截止阀。

本发明提供的双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，通过直线电机驱动泵单元来产生流量，然后利用流量驱动作动器运动。与传统技术相比，本发明具有如下的优点：

1、泵由模块化的多个单元构成，各个单元具有相似性，加工及装配工艺性好；

2、柱塞由直线电机动子直接驱动，与传统的斜盘柱塞泵相比不需要通过缸体、滑靴、斜盘等部件得到柱塞的往复运动，减少了摩擦副对数，并且没有斜盘倾斜角度带来的侧向力问题，摩擦损耗更小；

3、通过调节直线谐振电机动子的往复运动幅值、频率和两个单元运动函数的相位差，可以调节泵的流量大小及方向。传统液压泵根据排量是否可变及变排量的模式可以分为三类：定量泵、离线变排量、实时变排量；其中实时变排量泵一般是通过改变斜盘倾角来改变排量，调节动态响应时间长。而本发明各单元动子往复运动幅值调节响应时间短，因此本发明提供的电静液作动器具有高动态的流量调节能力和高响应特点，更能适应泵控系统需求；

4、泵的泵油方向可以主动调节，而单向阀配流的往复泵一旦安装完成，泵的流量方向也就固定，即本发明提供的是一种双向泵；

5、可以增加泵单元的数量，提高泵单元的泵送能力，进而提高本发明提供的电静液作动器工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器原理图；

图2为本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器的立体图；

图3为本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵的立体图；

图4为本发明实施例提供的泵单元的半机械原理图；

图5为本发明实施例提供的泵单元的第一工况示意图；

图6为本发明实施例提供的泵单元的第二工况示意图；

图7为本发明实施例提供的泵单元的第三工况示意图；

图8为本发明实施例提供的泵单元的第四工况示意图；

图9为本发明实施例提供的第一泵模块与第二泵模块运动相位差为π/2时的流量曲线图；

图10为本发明实施例提供的第一泵模块与第二泵模块运动相位差为-π/2时的流量曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明实施例提供了一种双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，包括至少一个泵单元、蓄能器1和液压缸9，泵单元包括两个泵模块，两泵模块通过双蝶形配流阀块30进行油路连接，泵模块包括直线电机，直线电机的两端均连接有配流阀，配流阀的壳体与直线电机的壳体固定连接，配流阀的阀芯12与直线电机的动子15连接，每一配流阀上连接有吸排油柱塞壳，吸排油柱塞壳内设置有柱塞，柱塞与阀芯12一体连接，双蝶形配流阀块30具有X油口和Y油口，X油口通过第一管路与液压缸9的第一油口连接，Y油口通过第二管路与液压缸9的第二油口连接，第一管路与第二管路之间连接有相并联的第一压力保护阀5和第二压力保护阀6，第一压力保护阀5和第二压力保护阀6的泄压油路方向相反，蓄能器1通过第一单向阀4和第一管路连接，通过第二单向阀3和第二管路连接，蓄能器1还通过第三单向阀3连接截止阀7。

在本实施例中，双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器包括至少一个泵单元、蓄能器1和液压缸9。如图3所示，在每个泵单元可设置两个泵模块，即第一泵模块10和第二泵模块20，这两泵模块是通过双蝶形配流阀块30进行油路连接。其中，泵模块包括直线电机，可用来驱动柱塞作往复运动，直线电机的两端均连接有配流阀，配流阀的壳体与直线电机的壳体固定连接，配流阀的阀芯12与直线电机的动子15连接件连接，动子15连接件固定安装在动子15端部，每一配流阀上连接有吸排油柱塞壳，吸排油柱塞壳内设置有柱塞，柱塞与所述阀芯12一体连接，该结构不仅可以实现柱塞和阀芯12的作用，还可以避免柱塞与阀芯12之间发生磨损，收到了意想不到的效果。柱塞可以由吸排油活塞代替。在泵单元中，柱塞是由直线电机的动子15直接驱动，这与传统的斜盘柱塞泵相比不需要通过缸体、滑靴、斜盘等部件得到吸排油塞体的往复运动，减少了摩擦副对数，并且没有斜盘倾斜角度带来的侧向力问题，摩擦损耗更小。泵单元与其他结构的连接方式如下：双蝶形配流阀块30具有X油口和Y油口，X油口通过第一管路与液压缸9的第一油口连接，Y油口通过第二管路与液压缸9的第二油口连接，第一管路与第二管路之间连接有相并联的第一压力保护阀5和第二压力保护阀6，第一压力保护阀5和第二压力保护阀6的泄压油路方向相反，蓄能器1通过第一单向阀4和第一管路连接，通过第二单向阀3和第二管路连接，蓄能器1还通过第三单向阀3连接截止阀7。在本实施例中还可在第一管路和第二管路上分别设有两个压力表8，用来时刻检测压力值。本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，通过直线电机带动柱塞往复运动，进而带动配流阀的运动，再利用配流阀块的独特的油路设计，从而为电静液作动器提供了高动态的流量调节能力的液压泵，具体地，泵单元可通过调节柱塞的往复运动行程和频率来改变泵油流量，调节两个模块化单元运动函数的相位差来改变泵油方向，实现双向运动，且各单元动子15往复运动幅值调节响应时间短，具有高动态的流量调节能力，为电静液作动器提供了高动态的流量调节能力的液压泵，从而使电静液作动器具有高动态的调节能力和高响应特点。

优选地，配流阀为两位三通阀。

如图4所示，在本实施例中，配流阀优选为两位三通阀，该结构具有三个各不相通的接口，而且可以和系统中不同油路的油口相连，只有通过控制阀芯12才能实现部分接口连通。该结构简单，阀芯12可与柱塞整体设计，实现阀芯12的往复运动，从而达到控制配流阀块中油路开关的作用。

优选地，吸排油柱塞壳与配流阀的壳体为一体结构的壳体，一体结构的壳体内具有在同一直线方向上相互连通的吸排油腔和阀芯腔，阀芯腔设置有三个环形油槽，阀芯腔靠近直线电机，柱塞与阀芯12为一体的柱体结构，柱体的中部设置有环槽，环槽选择性的与两相邻的环形油槽连通。

如图4所示，在本实施例中，吸排油柱塞壳与配流阀的壳体为一体结构的壳体，实现模块化设计，可避免不同壳体在连接时出现的不紧密等问题，也利用各个单元具有相似性，便于加工及装配。在阀芯腔设置有三个环形油槽，三个环形油槽的形状大小相同且等间距设置，吸排油腔、阀芯腔和直线电机依次连接，柱塞与阀芯12为一体的柱体结构，柱体的中部设置有环槽，环槽选择性的与两相邻的环形油槽连通。

优选地，四个一体结构的壳体呈2×2矩阵的方式布置，沿顺时针方向依次为第一壳体11、第二壳体16、第三壳体21和第四壳体22；第一壳体11上设置有与第一壳体11的吸排油腔连通的A_C1油口，与第一壳体11的阀芯腔连通的T₁油口、A₁油口和P₁油口；第二壳体16上设置有与第二壳体16的吸排油腔连通的B_C1油口，与第二壳体16的阀芯腔连通的C₁油口、B₁油口和D₁油口；第三壳体21上设置有与第三壳体21的吸排油腔连通的B_C2油口，与第三壳体21的阀芯腔连通的C₂油口、B₂油口和D₂油口；第四壳体22上设置有与第四壳体22的吸排油腔连通的A_C2油口，与第四壳体22的阀芯腔连通的T₂油口、A₂油口和P₂油口；两所述泵模块通过双蝶形配流阀块30进行油路连接，具体为：A_C1油口与A₂油口连通，T₁油口与P₂油口连通，A₁油口与A_C2油口连通，P₁油口与T₂油口连通，C₁油口与D₂油口连通，B₁油口与B_C2油口连通，D₁油口与C₂油口连通，B_C1油口与B₂油口连通，P₁油口和C₁油口与双蝶形配流阀块30的X油口连通，P₂油口和C₂油口与双蝶形配流阀块30的Y油口连通。

如图4所示，在本实施例中四个一体结构的壳体优选2×2矩阵的方式布置，不仅便于安装和拆卸，而且体积小，节约制造成本；在第一壳体11至第四壳体22中，每个壳体分别设有与相连的吸排油腔连通的油口，与对应的阀芯腔连通的三个油口，再通过位于在第一泵模块10和第二泵模块20之间的双蝶形配流阀块30内部的油路，实现了油液在不同泵模块之间的传送，具体地，通过调节直线电机的动子15的往复运动幅值、频率和两个单元运动函数的相位差，利用上述的油液传送方式，便可以调节泵的流量大小及方向。

优选地，动子15通过直线轴承13滑动安装在定子14内。

如图4所示，在本实施例中动子15通过直线轴承13滑动安装在定子14内，具体地，在动子15的两端表面上设有环形槽，直线轴承13滑动安装于平面槽上，可便于动子15的运动。

优选地，动子15的外周面与定子14之间设置有滑动间隙。

如图4所示，在本实施例中动子15的外周面与定子14之间设置有滑动间隙，以便避免动子15在运动时与定子14的内表面产生磨损，进而避免导致装置受到损害。

根据上述对双蝶形配流油路的描述，利用数学语言对双蝶形协同配流泵的工作原理进行说明。双蝶形协同配流泵的两个直线电机的动子15均驱动两端的吸排油塞体和配流阀做往复运动，二者的运动需要保证一定的相位差，相位差不同，泵的流量曲线不同。

定义泵的X油口的流量为Q_X，定义Y油口的流量为Q_Y，流量方向均为流出油口为正，流入油口为负，定义图4中向右为位移正方向，当配流阀处于中位时位移为零，定义第一泵模块的直线电机的动子15及柱塞位移为x₁，运动速度为v₁，定义第二泵模块20的直线电机的动子15及柱塞位移为x₂，运动速度为v₂。定义吸排油塞体的作用面积为A_p。

定义符号函数sign(x)为

$sign\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}-1,x<0\\ 0,x=0\\ 1,x>0\end{array}\right.$

按照上述的定义，则其运动状态具有如下四种工况：(1)x₁＞0且x₂＞0；(2)x₁＞0且x₂＜0；(3)x₁＜0且x₂＜0；(4)x₁＜0且x₂＞0。不讨论x₁＝0或x₂＝0的情况，是因为此时配流阀关断，相对于4个状态的时间长度，这只是各个状态的切换时刻，与轴向柱塞泵的柱塞容腔闭死的时刻相似，不影响泵的工作原理阐述。下面分四种工况说明，得到泵的几何流量函数。

当x₁＞0且x₂＞0时，如图5所示的本发明实施例提供的泵单元的第一工况示意图，A₁油口与P₁油口连通，B₁油口与D₁油口连通；A₂油口与P₂油口连通，B₂油口与D₂油口连通。吸排油容腔经四个配流阀连接至X油口的连通方式为：A_C2—A₁—P₁—X—D₂—B₂—B_C1，此时A_C2油口与B_C1油口作用于泵的X油口，X油口的流量为A_pv₁-A_pv₂；吸排油容腔经四个配流阀连接至Y油口的连通方式为：A_C1—A₂—P₂—Y—D₁—B₁—B_C2，此时A_C1油口与B_C2油口作用于泵的Y油口，Y油口的流量为-A_pv₁+A_pv₂。

当x₁＞0且x₂＜0时，如图6所示的本发明实施例提供的泵单元的第二工况示意图，A₁油口与P₁油口连通，B₁油口与D₁油口连通；A₂油口与T₂油口连通，B₂油口与C₂油口连通。吸排油容腔经配流阀连接至X油口的连通方式为：A_C1—A₂—T₂—X—P₁—A₁—A_C2，此时A_C1油口与A_C2油口作用于泵的X油口，泵X油口的流量为-A_pv₁-A_pv₂；吸排油容腔经配流阀连接至Y油口的连通方式为：B_C1—B₂—C₂—Y—D₁—B₁—B_C2，此时B_C1油口与B_C2油口作用于泵的Y油口，Y油口的流量为A_pv₁+A_pv₂。

当x₁＜0且x₂＜0时，如图7所示的本发明实施例提供的泵单元的第三工况示意图，A₁油口与T₁油口连通，B₁油口与C₁油口连通；A₂油口与T₂油口连通，B₂油口与C₂油口连通。吸排油容腔经四个配流阀连接至X油口的连通方式为：A_C1—A₂—T₂—X—C₁—B₁—B_C2，此时A_C1油口与B_C2油口作用于泵的X油口，泵X油口的流量为-A_pv₁+A_pv₂；吸排油容腔经四个配流阀连接至Y油口的连通方式为：A_C2—A₁—T₁—Y—C₂—B₂—B_C1，此时A_C2油口与A_C1油口作用于泵的Y油口，Y油口的流量为A_pv₁-A_pv₂。

当x₁＜0且x₂＞0时，如图8所示的本发明实施例提供的泵单元的第四工况示意图，A₁油口与T₁油口连通，B₁油口与C₁油口连通；A₂油口与P₂油口连通，B₂油口与D₂油口连通。吸排油容腔经配流阀连接至X油口的连通方式为：B_C1—B₂—D₂—X—C₁—B₁—B_C2，此时B_C1油口与B_C2油口作用于泵的X油口，泵X油口的流量为A_pv₁+A_pv₂；吸排油容腔经配流阀连接至Y油口的连通方式为：A_C1—A₂—P₂—Y—T₁—A₁—A_C2，此时A_C1油口与A_C2油口作用于泵的Y油口，Y油口的流量为-A_pv₁-A_pv₂。

动子15往复运动的一个周期内包含上述四种工况，结合已经定义的符号函数sign(x)，得到双蝶形协同配流泵X油口与Y油口几何流量的数学描述为：

Q_X＝sign(x₂)·A_pv₁-sign(x₁)·A_pv₂

Q_Y＝-sign(x₂)·A_pv₁+sign(x₁)·A_pv₂

从数学描述可以看出Y油口流量与X油口流量大小相等，方向相反。

若两个单元动子15做正弦往复运动，相位差为π/2，定义正弦运动幅值为±S_p，角频率为ω，则运动函数的数学描述为

即

则运动速度为

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1=\mathrm{\&omega;}{S}_{p}cos\left(\mathrm{\&omega;}t\right)\\ v_2=-\mathrm{\&omega;}{S}_{p}sin\left(\mathrm{\&omega;}t\right)\end{array}\right.$

将运动函数公式代入泵的流量公式，得到泵X油口与Y油口流量的数学描述为

Q_X＝sign[S_pcos(ωt)]·ωA_pS_pcos(ωt)+sign[S_psin(ωt)]·ωA_pS_psin(ωt)

Q_Y＝-sign[S_pcos(ωt)]·ωA_pS_pcos(ωt)-sign[S_psin(ωt)]·ωA_pS_psin(ωt)

如图9所示，当相位差为π/2时，第一泵模块10和第二泵模块20中的柱塞皆做正弦运动，且第二泵模块20中柱塞位移运动领先第一泵模块10中柱塞位移运动四分之一周期，第一泵模块10中柱塞速度运动领先第二泵模块20中柱塞速度运动四分之一周期，Y油口流量与X油口流量大小相等，方向相反。

如图10所示，当相位差为-π/2，第一泵模块10和第二泵模块20中的柱塞皆做正弦运动，且第一泵模块10中柱塞位移运动领先第二泵模块20中柱塞位移运动四分之一周期，第一泵模块10中柱塞速度运动领先第二泵模块20中柱塞速度运动四分之一周期，Y油口流量与X油口流量大小相等，方向相反。

根据流量曲线可以看出两个单元的相位差决定了泵油的流量方向，流量脉动的频率为动子15运动频率的4倍。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备手段、方法或者步骤。

Claims (5)

1.一种双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，其特征在于，包括至少一个泵单元、蓄能器和液压缸，所述泵单元包括两个泵模块，两所述泵模块通过双蝶形配流阀块进行油路连接，所述泵模块包括直线电机，所述直线电机的两端均连接有配流阀，所述配流阀的壳体与所述直线电机的壳体固定连接，所述配流阀的阀芯与所述直线电机的动子连接，每一所述配流阀上连接有吸排油柱塞壳，所述吸排油柱塞壳内设置有柱塞，所述柱塞与所述阀芯一体连接，所述双蝶形配流阀块具有X油口和Y油口，所述X油口通过第一管路与所述液压缸的第一油口连接，所述Y油口通过第二管路与所述液压缸的第二油口连接，所述第一管路与第二管路之间连接有相并联的第一压力保护阀和第二压力保护阀，所述第一压力保护阀和所述第二压力保护阀的泄压油路方向相反，所述蓄能器通过第一单向阀和第一管路连接，通过第二单向阀和第二管路连接，所述蓄能器还通过第三单向阀连接截止阀，所述配流阀为两位三通阀。

2.根据权利要求1所述的双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，其特征在于，所述吸排油柱塞壳与所述配流阀的壳体为一体结构的壳体，所述一体结构的壳体内具有在同一直线方向上相互连通的吸排油腔和阀芯腔，所述阀芯腔设置有三个环形油槽，所述阀芯腔靠近所述直线电机，所述柱塞与所述阀芯为一体的柱体结构，所述柱体的中部设置有环槽，所述环槽选择性的与两相邻的所述环形油槽连通。

3.根据权利要求2所述的双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，其特征在于，四个所述一体结构的壳体呈2×2矩阵的方式布置，沿顺时针方向依次为第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体；

所述第一壳体上设置有与第一壳体的吸排油腔连通的A_C1油口，与第一壳体的阀芯腔连通的T₁油口、A₁油口和P₁油口；

所述第二壳体上设置有与第二壳体的吸排油腔连通的B_C1油口，与第二壳体的阀芯腔连通的C₁油口、B₁油口和D₁油口；

所述第三壳体上设置有与第三壳体的吸排油腔连通的B_C2油口，与第三壳体的阀芯腔连通的C₂油口、B₂油口和D₂油口；

所述第四壳体上设置有与第四壳体的吸排油腔连通的A_C2油口，与第四壳体的阀芯腔连通的T₂油口、A₂油口和P₂油口；

两所述泵模块通过双蝶形配流阀块进行油路连接，具体为：

A_C1油口与A₂油口连通，T₁油口与P₂油口连通，A₁油口与A_C2油口连通，P₁油口与T₂油口连通，C₁油口与D₂油口连通，B₁油口与B_C2油口连通，D₁油口与C₂油口连通，B_C1油口与B₂油口连通，P₁油口和C₁油口与双蝶形配流阀块的X油口连通，P₂油口和C₂油口与双蝶形配流阀块的Y油口连通。

4.根据权利要求1-3任一项所述的双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，其特征在于，所述动子通过直线轴承滑动安装在所述直线电机的定子内。

5.根据权利要求4所述的双蝶形协同配流泵驱动的电静液作动器，其特征在于，所述动子的外周面与所述定子之间设置有滑动间隙。