CN104632570A - 双蝶形协同配流泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双蝶形协同配流泵，包括至少一个泵单元，所述泵单元包括两个泵模块，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。本发明提供的双蝶形协同配流泵由多个相同的泵单元构成，各个泵单元具两个泵模块，加工及装配工艺性好，具有高动态的流量调节能力，更能适应泵控系统需求。

Description

双蝶形协同配流泵

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。

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。

本发明提供一种双蝶形协同配流泵，包括至少一个泵单元，所述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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的双蝶形协同配流泵包括至少一个泵单元，各个泵单元包括两个泵模块，加工及装配工艺性好；

2、本发明中吸排油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；

3、通过调节吸排油柱塞的往复运动行程和频率来改变泵油流量，调节两个泵模块运动函数的相位差来改变泵油方向，而本发明各泵模块动子往复运动幅值调节响应时间短，因此本发明具有高动态的流量调节能力，更能适应泵控系统需求；

4、与采用单向阀配流的往复泵相比，本发明中的双蝶形协同配流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，即本发明提供了一种双向泵。

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的外观结构示意图。

图2为本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵的半机械原理图。

图3为本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵的第一工况示意图。

图4为本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵的第二工况示意图。

图5为本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵的第三工况示意图。

图6为本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵的第四工况示意图。

图7为本发明实施例提供的两泵模块运动相位差为π/2时的流量曲线图。

图8为本发明实施例提供的两泵模块运动位差为-π/2时的流量曲线图。

附图标记：

1-泵单元          11-第一泵模块    12-第二泵模块

2-双蝶形配流阀块  31-动子          32-定子

33-直线轴承       4-柱体           50-A_C1油口

51-T₁油口         52-A₁油口        53-P₁油口

60-A_C2油口        61-T₂油口        62-A₂油口

63-P₂油口         70-B_C2油口       71-D₂油口

72-B₂油口         73-C₂油口        80-B_C1油口

81-D₁油口         82-B₁油口        83-C₁油口

101-X油口         102-Y油口

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、图2所示，本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵，包括至少一个泵单元1，泵单元1包括两个泵模块，两泵模块通过双蝶形配流阀块2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31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。

本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵，包括至少一个泵单元1，各个泵单元1包括两个泵模块，各泵模块包括一个直线电机、两个配流阀、两个吸排油柱塞壳及对应吸排油柱塞壳的柱塞，双蝶形配流阀块2的油路原理图的两端分别具有类似于蝶形的图形效果。

进一步地，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，柱塞与阀芯为一体的柱体结构，柱体4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。

进一步地，配流阀为两位三通阀，即配流阀的阀芯在阀芯腔控制三个油口的油的流动，在柱体中部的环槽两侧的环形油槽位置可以移动，从而控制中部的环槽与其余两环形油槽中的任意一个连通。

进一步地，四个一体结构的壳体呈2×2矩阵的方式布置，沿逆时针方向依次为第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体；

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50，与第一壳体的阀芯腔连通的T₁油口51、A₁油口52和P₁油口53；

第二壳体上设置有与第二壳体的吸排油腔连通的A_C2油口60，与第二壳体的阀芯腔连通的T₂油口61、A₂油口62和P₂油口63；

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70，与第三壳体的阀芯腔连通的D₂油口71、B₂油口72和C₂油口73；

第四壳体上设置有与第四壳体的吸排油腔连通的B_C1油口80，与第四壳体的阀芯腔连通的D₁油口81、B₁油口82和C₁油口83；

两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50与A₂油口62连通，T₁油口51与P₂油口63连通，A₁油口52与A_C2油口60连通，P₁油口53与T₂油口61连通，C₁油口83与D₂油口71连通，B₁油口82与B_C2油口70连通，D₁油口81与C₂油口73连通，B_C1油口80与B₂油口72连通，P₁油口53和C₁油口83与双蝶形配流阀块的X油口101连通，P₂油口63和C₂油口73与双蝶形配流阀块的Y油口102连通。上述对对双蝶形协同配流泵的原理以及双蝶形配流阀块内部的连通方式做了清晰的阐述。

进一步地，动子31通过直线轴承33滑动安装在定子32内，直线轴承33的安装便于配合动子31稳定工作。

进一步地，动子31的外周面与定子32之间设置有滑动间隙，具体地，在动子31的外周面与定子32之间设置的滑动间隙方便直线轴承33滑动安装在定子32内，有利于动子31的工作。

根据上述对双蝶形配流阀块2的油路的描述，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泵模块的动子31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。

定义泵的对外油口X油口101的流量为Q_X，定义对外油口Y油口102的流量为Q_Y，流量方向均为流出油口为正，流进油口为负，定义图2中向右为位移正方向，当配流阀处于中位时位移为零，定义，第一壳体、第四壳体所在的泵模块1为第一泵模块11，第一泵模块11的动子31及柱塞位移为x₁，运动速度为v₁，第二壳体、第三壳体所在的泵模块为第二泵模块12，第二泵模块12的动子31及柱塞位移为x₂，运动速度为v₂。定义吸排油柱塞的作用面积为A_p。

定义符号函数sign(x)为

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

动子31做往复运动，已经定义了图2中位移向右为正方向，位移原点为配流阀的中位，针对位移取值的正负，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3所示的本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵的第一工况示意图，A₁油口52与P₁油口53连通，B₁油口82与D₁油口81连通；A₂油口62与P₂油口63连通，B₂油口72与D₂油口71连通。吸排油容腔经配流阀连接至对外油口X油口101的连通方式为：A_C2油口60—A₁油口52—P₁油口53—X油口—C₁油口83—D₂油口71—B₂油口72—Bc₁油口80，此时A_C2油口60与Bc₁油口80作用于泵的X油口101，X油口101的流量为A_pv₁-A_pv₂；吸排油容腔经配流阀连接至对外油口Y油口的连通方式为：Ac₁油口50—A₂油口62—P₂油口63—Y油口102—C₂油口73—D₁油口81—B₁油口82—Bc₂油口70，此时Ac₁油口50与Bc₂油口70作用于泵的Y油口102，Y油口102的流量为-A_pv₁+A_pv₂。

当x₁＞0且x₂＜0时，如图4所示的本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵的第二工况示意图，A₁油口52与P₁油口53连通，B₁油口82与D₁油口81连通；A₂油口62与T₂油口61连通，B₂油口72与C₂油口73连通。吸排油容腔经配流阀连接至对外油口X的连通方式为：Ac₁油口52—A₂油口62—T₂油口61—P₁油口53—X油口101—P₁油口53—A₁油口52—Ac₂油口60，此时Ac₁油口50与Ac₂油口60作用于泵的X油口101，泵X油口101的流量为-A_pv₁-A_pv₂；吸排油容腔经配流阀连接至对外油口Y的连通方式为：Bc₁油口80—B₂油口72—C₂油口73—Y油口102—C₂油口73—D₁油口81—B₁油口82—Bc₂油口70，此时Bc₁油口80与Bc₂油口70作用于泵的Y油口102，Y油口102的流量为A_pv₁+A_pv₂。

当x₁＜0且x₂＜0时，如图5所示的本发明实施例提供的双蝶形协同配流泵的第三工况示意图，A₁油口52与T₁油口51连通，B₁油口82与C₁油口83连通；A₂油口62与T₂油口61连通，B₂油口72与C₂油口73连通。吸排油容腔经配流阀连接至对外油口X油口101的连通方式为：Ac₁油口50—A₂油口62—T₂油口61—P₁油口53—X油口101—C₁油口83—B₁油口82—Bc₂油口70，此时Ac₁油口50与Bc₂油口70作用于泵的X油口101，泵X油口101的流量为-A_pv₁+A_pv₂；吸排油容腔经配流阀连接至对外油口Y的连通方式为：Ac₂油口60—A₁油口52—T₁油口51—P₂油口63—Y油口102—C₂油口73—B₂油口72—Bc₁油口80，此时Ac₂油口60与Bc₁油口80作用于泵的Y油口102，Y油口102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双蝶形协同配流泵的第四工况示意图，A₁油口52与T₁油口51连通，B₁油口82与C₁油口83连通；A₂油口62与P₂油口63连通，B₂油口72与D₂油口71连通。吸排油容腔经配流阀连接至对外油口X油口101的连通方式为：Bc₁油口80—B₂油口72—D₂油口71—C₁油口83—X油口101—C₁油口83—B₁油口82—Bc₂油口70，此时Bc₁油口80与Bc₂油口70作用于泵的X油口101，泵X油口101的流量为A_pv₁+A_pv₂；吸排油容腔经配流阀连接至对外油口Y油口102的连通方式为：Ac₁油口50—A₂油口62—P₂油口63—Y油口102—P₂油口63—T₁油口51—A₁油口52—Ac₂油口60，此时Ac₁油口50与Ac₂油口60作用于泵的Y油口102，Y油口102的流量为-A_pv₁-A_pv₂。

直线电机的动子31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101与Y油口102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102流量与X油口101流量大小相等，方向相反。

若两个泵模块1的直线电机的动子做正弦往复运动，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

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=S_p\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\\ x_2=S_p\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&pi;}/2)\end{array}\right.,$ 即 $\left\{\begin{array}{c}{x}_1=S_p\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\\ x_2=S_p\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\end{array}\right.$

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)

图7为本发明实施例提供的两泵模块运动相位差为π/2时的流量曲线图。根据上述函数得到泵两个泵模块动子位移、动子速度、泵X油口101流量及泵Y油口102流量的曲线如图7所示,Y油口的流进油量与X油口的流出油量相同，第一泵模块11的柱塞速度v₁的相位滞后第二泵模块12的柱塞速度v₂的相位π/2，而第一泵模块11的柱塞位移x₁的相位滞后第二泵模块12的柱塞位移x₂的相位π/2。

图8为本发明实施例提供的两泵模块运动位差为-π/2时的流量曲线图。当相位差为-π/2，同样得到泵两个泵模块1动子位移、动子速度、泵X油口101流量及泵Y油口102流量的曲线如图8所示，Y油口的流出油量与X油口的流入油量相同，第一泵模块11的柱塞速度v₁的相位超前第二泵模块12的柱塞速度v₂的相位π/2，而第一泵模块11的柱塞位移x₁的相位超前第二泵模块12的柱塞速度位移x₂的相位π/2。

根据流量曲线可以看出两个泵模块的相位差决定了泵油的流量方向，流量脉动的频率为动子运动频率的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 (6)

1.一种双蝶形协同配流泵，其特征在于，包括至少一个泵单元，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。

2.根据权利要求1所述的双蝶形协同配流泵，其特征在于，所述配流阀为两位三通阀。

3.根据权利要求2所述的双蝶形协同配流泵，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。

4.根据权利要求3所述的双蝶形协同配流泵，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，沿逆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A_C2油口，与第二壳体的阀芯腔连通的T₂油口、A₂油口和P₂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D₂油口、B₂油口和C₂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B_C1油口，与第四壳体的阀芯腔连通的D₁油口、B₁油口和C₁油口；

所述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。

5.根据权利要求1-4任一项所述的双蝶形协同配流泵，其特征在于，所述动子通过直线轴承滑动安装在所述定子内。

6.根据权利要求5所述的双蝶形协同配流泵，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。