CN105673375B - 一种数字控制水液压变量柱塞泵 - Google Patents

一种数字控制水液压变量柱塞泵 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种数字控制水液压变量柱塞泵，它包括后端盖（1）、配流盘（2）、旋转缸体组件（3）、壳体（4）、水液压电液比例阀（5）、奇数个柱塞滑靴组件（6）、回程盘（7）、变量斜盘（8）、连接杆（9）、斜盘衬套（11）、变量弹簧（12）、变量活塞（13）、前端盖（14）和轴（16）；通过水液压电液比例阀、变量活塞及变量斜盘的相互作用，控制泵的斜盘倾角变化，实现水液压泵的排量控制。本发明通过销钉与变量斜盘球面内部沟槽配合，可有效减少或消除因柱塞滑靴组件旋转摩擦力而带动变量斜盘旋转产生的侧向力，对连接杆及变量活塞组成的变量机构的侧向冲击，大大提高变量机构的寿命和可靠性。

Description

一种数字控制水液压变量柱塞泵
技术领域
本发明涉及容积泵技术领域，尤其涉及一种数字控制水液压变量柱塞泵。
背景技术
近年来，直接以水（过滤后的天然水，包括海水和淡水）代替矿物油作为工作介质的水液压传动与控制技术获得了突破性的进展，而且在广泛的工程应用中，相比传统油液压传动证明了具有环保、洁净、高效、使用维护方便、运行成本低等突出优越性。水液压传动与控制技术已经被广泛的应用于高压水雾化、海水淡化、高压水清洗、舞台驱动与控制、潜器浮力调节系统、海洋工程以及其他传动与控制领域。
水液压泵是水液压传动与控制系统的核心工作元件，一直作水液压技术中的关键技术被研究。在水液压系统中，以变量泵作为控制核心的泵控系统与阀控系统相比，具有效率高、发热量小、节约能源等突出优点。
相比传统油液压泵的柱塞式、叶片式和齿轮式等结构，由于水与矿物油相比，在理化特性方面有着较大的差别，如水的粘度较小，水膜厚度较薄，腐蚀性大，增加了密封、润滑的难度，目前国内外水液压泵以采用柱塞式结构为主。如丹麦Danfoss生产的Nessie系列水泵、德国Hauhinco水泵、美国Elwood淡水泵、日本小松工作室生产海水泵、华中科技大学研制的海水疏干泵及浮力调节泵、浙江大学研制的纯水泵等均为水液压柱塞泵，但目前市场和报道上所见产品均为水液压定量柱塞泵。以矿物油作为工作介质的油液压变量泵已经非常成熟，而以水作为工作介质的水液压变量柱塞泵成型产品国内外均未见相关报道。
申请公布号为：CN 104976165 A，发明专利申请公开：一种水压变量泵。该专利文献公开了一种水压变量泵，该泵采用油压系统驱动油缸，油缸通过机械连杆驱动双作用水压缸往复动作，实现吸排水过程。通过油压缸动作的变量控制，间接实现水压缸吸排水的变量控制。其原理与阀配流柱塞泵工作原理类似，但以水压缸替代柱塞泵柱塞做为吸排水工作元件时，由于水缸运动速度低，水缸往复运动的工作频率远远低于柱塞泵的工作频率，导致该泵存在压力脉动大等突出缺点，在以压力信号作为闭环控制反馈的信号的变量泵系统应用受到了很大的限制。
随着水液压传动与控制技术在食品、消防、钢铁、冶金、煤矿、化工、注塑、海洋工程、医药、粮食、包装、环保、水处理等领域的广泛应用，一般水液压定量泵加水液压控制阀的控制方式在功率调节、节约能源、提高效率、提高控制精度、实现数字化控制等方面已经远远不能满足越来越高的传动与控制要求。
发明内容
为解决目前没有水液压变量泵产品的不足，本发明提供了一种数字控制水液压变量柱塞泵。
本发明包括后端盖、配流盘、旋转缸体组件、壳体、水液压电液比例阀、奇数个柱塞滑靴组件、回程盘、变量斜盘、连接杆、销钉、斜盘衬套、变量弹簧、变量活塞、前端盖和轴，壳体上分别设有A高压水通道、B高压水通道和C高压水通道，后端盖和前端盖分别固定安装在壳体的两端，配流盘安装在后端盖上，并位于壳体内，斜盘衬套的一侧安装在前端盖上，变量斜盘活动安装在斜盘衬套上，旋转缸体组件通过滑动轴承活动安装在壳体的内壁上，并位于配流盘和斜盘之间，柱塞滑靴组件活动安装在旋转缸体组件内，且柱塞滑靴组件的球状柱塞末端活动装配在变量斜盘上，回程盘活动的安装在旋转缸体组件和柱塞滑靴组件之间，前端盖上分别设有轴通过孔、变量活塞通过孔和活塞腔，轴穿过前端盖上的轴通过孔密封装配在前端盖上，并与旋转缸体组件传动相连，变量活塞上设有凸台，变量活塞活动装配在前端盖上的活塞腔内，变量活塞的一端穿过前端盖上的变量活塞通过孔，且凸台抵在前端盖上，变量弹簧的两端分别抵在前端盖活塞腔的一侧和变量活塞的凸台上，变量活塞的另一端通过连接杆与变量斜盘的一侧传动相连，水液压电液比例阀安装在壳体的外壁上，且水液压电液比例阀的P口和泵高压出水P口分别与A高压水通道相通，水液压电液比例阀的T口和壳体内腔分别与C高压水通道相通，水液压电液比例阀的压力控制出水口和变量活塞前后腔分别与B高压水通道相通。
变量斜盘与斜盘衬套为球面接触，其中变量斜盘外球面采用注塑聚醚醚酮PEEK工程塑料的工艺。
斜盘衬套上过盈安装有销钉，销钉与变量斜盘球面内部沟槽按照设定的间隙配合。
本发明的技术效果体现在：
1、采用水液压电液比例阀与变量活塞、变量斜盘等变量机构配合，通过控制斜盘倾角的变化，实现水液压泵排量的数字控制。
2、变量斜盘外球面以注塑工艺注塑聚醚醚酮PEEK工程塑料，与衬套之间形成自润滑摩擦副，有效减少斜盘卡死等问题。
3、斜盘衬套上过盈安装有销钉，通过销钉与变量斜盘球面内部沟槽设定的间隙配合，可有效减少或消除因柱塞滑靴组件旋转摩擦力而带动变量斜盘旋转，产生的侧向力对连接杆及变量活塞组成的变量机构的侧向冲击，大大提高变量机构的寿命和可靠性。
4、全水润滑结构，解决了油水分离结构带来的工作介质污染问题，免维护，有效降低使用成本。
附图说明
附图1是本发明结构原理图。
附图2是变量斜盘主视图。
附图3是图2的A-A面剖视图。
附图4是变量机构组件放大图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如附图1、2、3、4所示，本发明包括后端盖1、配流盘2、旋转缸体组件3、壳体4、水液压电液比例阀5、奇数个柱塞滑靴组件6、回程盘7、变量斜盘8、连接杆9、斜盘衬套11、变量弹簧12、变量活塞13、前端盖14和轴16，壳体4上分别设有A高压水通道1-1、B高压水通道1-2和C高压水通道1-3，后端盖1和前端盖14分别固定安装在壳体4的两端，配流盘2安装在后端盖1上，并位于壳体4内，斜盘衬套11的一侧安装在前端盖14上，变量斜盘活动安装在斜盘衬套上，变量斜盘8活动安装在斜盘衬套11上，旋转缸体组件3通过滑动轴承活动安装在壳体4的内壁上，并位于配流盘2和斜盘8之间，柱塞滑靴组件6活动安装在旋转缸体组件3内，且柱塞滑靴组件6的球状柱塞末端活动装配在变量斜盘8上，回程盘7活动的安装在旋转缸体组件3和柱塞滑靴组件6之间，前端盖14上分别设有轴通过孔、变量活塞通过孔和活塞腔，轴16穿过前端盖14上的轴通过孔密封装配在前端盖10上，并与旋转缸体组件3传动相连，变量活塞13上设有凸台，变量活塞13活动装配在前端盖14上的活塞腔内，变量活塞13的一端穿过前端盖14上的变量活塞通过孔，且凸台抵在前端盖14上，变量弹簧12的两端分别抵在前端盖14活塞腔的一侧和变量活塞13的凸台上，变量活塞13的另一端通过连接杆9与变量斜盘8的一侧传动相连，水液压电液比例阀5安装在壳体4的外壁上，且水液压电液比例阀5的P口和泵高压出水P口分别与A高压水通道1-1相通，水液压电液比例阀5的T口和壳体内腔分别与C高压水通道1-3相通，水液压电液比例阀的压力控制出水口和变量活塞前后腔分别与B高压水通道1-2相通。
变量斜盘8与斜盘衬套11为球面接触，其中变量斜盘8外球面采用注塑聚醚醚酮PEEK工程塑料的工艺。
斜盘衬套11上过盈安装有销钉10，销钉10与变量斜盘8球面内部沟槽按照设定的间隙配合。
变量斜盘8，如附图1、2、3所示，与柱塞滑靴组件6接触面为平面结构。与斜盘衬套11接触面为球面结构，球面结构可有效增大斜盘倾角变量运动摩擦副的接触面积，优化斜盘的受力状况，同时为提高该摩擦副的自润滑性能，斜盘球面采用注塑聚醚醚酮PEEK工程塑料工艺。为有效减少或消除因柱塞滑靴组件旋转摩擦力而带动变量斜盘旋转产生的侧向力，对连接杆9及变量活塞13组成的斜盘变量控制机构的侧向冲击，变量斜盘8的摩擦副球面上加工有一槽，该槽与过盈安装在斜盘衬套11上的销钉10按照设定的间隙配合，大大提高变量机构的寿命和可靠性。
斜盘变量控制机构，如附图1、2、3、4所示，主要由水液压电液比例阀5、变量斜盘8、连接杆9、销钉10、斜盘衬套11、变量弹簧12、变量活塞13及通过后端盖1、壳体4以及前端盖14上的工艺孔和工艺沟槽连接起来的水流通道A、通道B、通道C组成。水液压电液比例阀5以板式固定安装在壳体4上。通道A连通泵的高压和水液压电液比例阀5的高压进水P口；通道B连通变量活塞13前腔14-1、后腔14-2和水液压电液比例阀5的压力控制水口；通道C连通水液压电液比例阀5的卸荷回进水T口和通过泵内腔连通的泵进水口。变量活塞13安装在前端盖14上的活塞腔14-1、14-2内，采用差压控制方式控制，即前后腔14-1、14-2均连通通道B。变量活塞13大径与活塞腔采用间隙配合，无需密封，有效的避免了变量活塞13因安装密封圈而产生的加工难度大、活塞爬行、控制滞后等问题。变量活塞13与变量斜盘8通过连接杆9和连接销钉连接，连接销钉和连接杆9为过盈配合，连接销钉和变量斜盘8、变量活塞13为间隙配合。变量活塞13安装的活塞前腔14-1内安装有预压紧的变量弹簧12。
本发明提供的数字控制水液压变量柱塞泵工作过程如下：
初始状态下，通道B内无压力水，在变量弹簧12的作用下，变量活塞13处于附图1、附图4所示的最右端位置，变量斜盘8倾角处于最大值。主轴16旋转，带动缸体旋转组件3、回程盘7和柱塞滑靴组件6旋转，柱塞滑靴组件6通过与回程盘7和变量斜盘8的相互作用，在缸体旋转组件3的缸孔内做往复运动。配流盘2固定的安装在后端盖1上。每旋转一周，柱塞在缸孔内的往复运动一次，通过缸体旋转组件3与配流盘2的相互作用，每组柱塞滑靴组件完成一次吸水和排水的过程。
根据变量斜盘8的工作受力状况分析，无论泵出口压力如何变化，变量斜盘8在特定奇数个的（5个、7个或9个）柱塞滑靴组件6反作用力合力的作用下，均不会改变变量斜盘8的倾角。初始状态下，在变量弹簧12的作用下，变量斜盘8倾角处于最大值，此时泵以最大排量工作。当泵出口有压力时，压力水通过通道A、水液压电液比例阀5、通道B进入前端盖14的变量活塞前后腔14-1、14-2内。在压力水的作用在变量活塞13上产生的推力等于变量弹簧12预压紧力和变量机构摩擦副的摩擦阻力之和时的压力定义为变量临界压力P0。泵出口压力小于或等于变量临界压力P0时，泵以最大排量工作；泵出口压力大于变量临界压力P0时，水液压电液比例阀5可以接受外部数字信号，通过控制变量活塞13的动作，实现泵输出排量的变化，具体如下：
当系统通过压力传感器（或其他电信号控制器）向比例放大器发出减小泵排量的变量信号时，比例放大器通过电信号的后处理，向水液压电液比例阀5发送变量信号。水液压电液比例阀5通过比例电磁铁控制阀芯运动，连通通道A与通道B，在压力水的作用下推动变量活塞13向减小斜盘倾角的方向（附图1、4所示的左侧）运动，减小变量斜盘8的倾角，实现排量减小。达到变量要求后，比例放大器根据压力传感器（或其他电信号控制器）反馈的变量停止信号向水液压电液比例阀5反馈停止变量信号。比例电磁铁收到停止变量信号后，控制阀芯以微开度连通通道A与通道B，此时通过水液压电液比例阀5阀芯微开度过流的压力水流量应刚好满足变量活塞腔向泵内腔的泄漏，通过外部动态反馈信号、比例放大器和水液压电液比例阀5的作用，保持变量活塞13的动态平衡，从而保持泵排量的动态稳定。当需要把泵的排量快速调节到到初始最大排量的工作状态时，通过水液压电液比例阀5连通通道B和卸荷通道C，将变量活塞上的压力水卸荷，在变量弹簧12的作用下，变量活塞13连同变量斜盘8回到倾角最大位置，泵回归最大排量。
以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种数字控制水液压变量柱塞泵，其特征在于它包括后端盖（1）、配流盘（2）、旋转缸体组件（3）、壳体（4）、水液压电液比例阀（5）、奇数个柱塞滑靴组件（6）、回程盘（7）、变量斜盘（8）、连接杆（9）、销钉（10）、斜盘衬套（11）、变量弹簧（12）、变量活塞（13）、前端盖（14）和轴（16），壳体（4）上分别设有A高压水通道（1-1）、B高压水通道（1-2）和C高压水通道（1-3），后端盖（1）和前端盖（14）分别固定安装在壳体（4）的两端，配流盘（2）安装在后端盖（1）上，并位于壳体（4）内，斜盘衬套（11）的一侧安装在前端盖（10）上，变量斜盘（8）活动安装在斜盘衬套（11）上，旋转缸体组件（3）通过滑动轴承活动安装在壳体（4）的内壁上，并位于配流盘（2）和斜盘（8）之间，柱塞滑靴组件（6）活动安装在旋转缸体组件（3）内，且柱塞滑靴组件（6）的球状柱塞末端活动装配在变量斜盘（8）上，回程盘（7）活动的安装在旋转缸体组件（3）和柱塞滑靴组件（6）之间，前端盖（14）上分别设有轴通过孔、变量活塞通过孔和活塞腔，轴（16）穿过前端盖（14）上的轴通过孔密封装配在前端盖（10）上，并与旋转缸体组件（3）传动相连，变量活塞（13）上设有凸台，变量活塞（13）活动装配在前端盖（14）上的活塞腔内，变量活塞（13）的一端穿过前端盖（14）上的变量活塞通过孔，且凸台抵在前端盖（14）上，变量弹簧（12）的两端分别抵在前端盖（14）活塞腔的一侧和变量活塞（13）的凸台上，变量活塞（13）的另一端通过连接杆（9）与变量斜盘（8）的一侧传动相连，水液压电液比例阀（5）安装在壳体（4）的外壁上，且水液压电液比例阀（5）的P口和泵高压出水P口分别与A高压水通道（1-1）相通，水液压电液比例阀（5）的T口和壳体内腔分别与C高压水通道（1-3）相通，水液压电液比例阀（5）的压力控制出水口和变量活塞（13）前后腔分别与B高压水通道（1-2）相通。
2.根据权利要求1所述的一种数字控制水液压变量柱塞泵，其特征在于变量斜盘（8）与斜盘衬套（11）为球面接触，其中变量斜盘（8）外球面采用注塑聚醚醚酮PEEK工程塑料的工艺。
3.根据权利要求1所述的数字控制水液压变量柱塞泵，其特征在于斜盘衬套（11）上过盈安装有销钉（10），销钉（10）与变量斜盘（8）球面内部沟槽按照设定的间隙配合。
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