CN106286197B - 一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵 - Google Patents

一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵，当伺服控制器驱动直线电机以特定的运动规划往复运动时，一端柱塞处于吸水工况，对应的一体式配流阀中的吸入阀打开，流体通过缸体内部的导流通道从系统总吸水管吸入工作介质；另一端柱塞处于排水工况，对应的一体式配流阀中的压出阀打开，流体通过缸体内部导流通道从系统总出水管排出工作介质。当多个直线电机运动单元协同运行时，直线电机运动单元以三角波运动曲线分别错开90度相位差运行，形成的系统组合流量即可达到一个稳定的值。该直线电机驱动式柱塞泵系统适用于以海淡水、矿物油等作为工作介质的液压系统，在舰艇船舶、深海勘探等领域具有广泛应用前景。

Description

一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵
技术领域
本发明涉及一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵，属于泵类，适用于以海淡水、矿物油等作为工作介质的液压系统，在舰艇船舶、深海勘探等领域具有广泛应用前景。
技术背景
随着船舶的大型化和船舶功能的多样化，特别是针对军用舰船特殊的工况，对舰船液压泵的运行振动和耐振性能、较小的机械噪声和流体噪声、足够的抗冲击能力、良好的耐腐蚀和耐磨蚀性能以及可靠的密封结构和密封性能等都提出了特殊的要求。
目前在舰船上应用最为普遍的液压泵结构为轴向柱塞泵和涡轮涡杆减速器驱动的曲轴连杆柱塞泵结构。但这些结构形式的液压泵都存在以下问题：(1)均采用旋转电机作动力源，需要通过转换机构将电机的旋转运动转换为柱塞的直线运动，或泵与电机之间需要安装有减速器，结构庞大复杂，机械振动和噪声较大，机械效率低。(2)运动部件采用不平衡结构或者受力不平衡，难以在高速运行条件下实现平稳运转。液压系统中的电动机、液压泵都以高速回转，如果它们的转动部件不平衡，就会产生周期性的不平衡力，激励转轴系统振动，从而产生噪声。这种振动传动油箱和管路时，就会发出很大的声响，振动和噪声过大最终会影响到系统的正常工作。(3)安装有多对轴承，需要采用油液润滑，而油水分离结构由于存在因密封失效导致润滑失效和油液泄漏等重大隐患，尤其作为潜艇舱底泵，一旦润滑油泄漏将暴露潜艇目标。
因此，针对这些结构形式船用泵存在的问题，为了解决自身效率低、振动大、噪声高、控制非智能等缺陷，一种新型的直线电机驱动海水柱塞泵应运而生。直驱式柱塞泵采用大推力直线电机直接驱动柱塞，与高度集成化的配流阀组合而成，仅有柱塞——缸孔这一对摩擦副，而且避免了中间传动机构，再通过伺服控制系统规划每个驱动轴的运动方式。与传统船用泵相比，在振动和噪声等方面优势明显。可以预见，本发明专利在流体传动以及机电系统中具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明专利是要解决传统船用泵结构庞杂、振动噪声大、不易实现自动化控制等问题。采用直线电机作为驱动单元，探索柱塞泵新型的结构形式，能够有效缓解流体传动领域多种技术难题。本发明按如下方式实现：
一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵，该驱动式柱塞泵由机械系统和电气控制系统两部分组成。机械系统包括一体式配流阀1、缸体2、柱塞3、端面球轴承4、直线电机5、缸筒6、缸筒支撑法兰7、底座12、缸体支撑底座13。电气控制系统包括伺服控制器、驱动器、采集卡、工控机、位置反馈装置、水冷机等。
该驱动式柱塞泵由数组直线电机单元组成并分两层布置，每组直线电机运动单元的两端分别与两个柱塞3通过端面球轴承4连接。柱塞3与缸筒6之间通过动密封圈形式密封，每个柱塞3均配有一个一体式配流阀1以完成吸排水工作。缸筒6、缸筒支撑法兰7以及一体式配流阀1安装在缸体2上，每层的端面处各布置有一个缸体2，两层的直线电机单元对称布置。缸体2的内部设有导流通道，以完成内部的吸水以及排水工作，通过低压吸水口和高压出水口与多运动单元直驱式柱塞泵系统总吸水管和出水管路连接，缸筒支撑法兰7的底部连接有缸体支撑底座13，缸体支撑底座13安装在缸体2的两侧。工控机与伺服控制器通过网线连接，传输控制信号；工控机并与采集卡连接，在监控软件上显示采集到的压力，温度等信息；伺服控制器与驱动器通过信号线连接，传输控制信号；驱动器与直线电机通过信号线连接，交互位置反馈装置检测到的位移信号，以及控制信号；水冷机通过管路与直线电机连接，对直线电机内的循环水进行冷却。
直线电机5及缸体2的底面均开有横向矩形槽，与之对应是在底座12上也开有横向矩形槽。直线电机5和缸体2通过键的形式安装在底座12上，直线电机5和缸体2能够沿底座12进行横向移动，以方便调整零部件间的同心度。直线电机5与柱塞3之间连接的端面球轴承4也能够在空间内小范围扭动，使直驱泵系统在小偏差范围内具有自调心的功能。
直线电机5的电源信号线及控制信号线通过中间线槽、航空接头后再与单独的电气控制柜连接，方便系统运输及搬运途中的拆卸。直线电机5中安装有位置反馈装置，能够将直线电机5实时的位置信号传递给伺服控制器，方便对直线电机5的速度及推力输出大小进行调整。
当伺服控制器驱动直线电机以特定的运动规划往复运动时，一端的柱塞3处于吸水工况，对应的一体式配流阀中的吸入阀打开，流体通过缸体2内部的导流通道从系统总吸水管吸入工作介质；与此同时，另一端的柱塞处于排水工况，对应的一体式配流阀1中的压出阀打开，流体通过缸体内部导流通道从系统总出水管排出工作介质。
当多个直线电机运动单元协同运行时，直线电机运动单元以三角波运动曲线分别错开90度相位差运行，形成的系统组合流量即可达到一个稳定的值。
本发明的可取得的有益效果是：
采用直线电机作为动力驱动的形式，相比于传统旋转电机式柱塞泵，没有了中间传统环节，能够有效降低柱塞频繁往复运动引起的流量脉动和压力脉动。
通过伺服控制器改变每个直线电机运动单元的运动轨迹和相位，易于实现流量调节以及自动化控制等功能。当柱塞运动到行程末端时，由于换向会产生瞬时冲击，两层四个缸体采用对称布置的形式，能够在机械结构上产生抵消冲击的效果，有效的降低整个的系统冲击振动和噪声。
多运动单元直线电机驱动式柱塞泵由于直线电机驱动单元数量较多，具备冗余功能，而且整个系统对称式布置，使得部分运动单元发生故障时，仍然能够通过规划适应的运动曲线输出稳定的流量，保持直驱泵系统低振动低噪声的工作状态。
缸体与底座、直线电机与底座之间采用横向矩形键槽连接，直线电机与柱塞之间采用端面球轴承的连接方式，使得整个系统在轴向以及径向都具有调整同心度的能力。柱塞与缸筒如果不同心，会发生偏磨，最终导致泄漏量过大，整个直驱式柱塞泵系统失效。因此，能够有效提高直驱泵系统的寿命和稳定性。
多运动单元直线电机驱动式柱塞泵采用阀配流形式，抗污染性大大增强，减少了关键摩擦副的数量，基本满足舰船用泵的复杂工况，在舰艇船舶、深海勘探等领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1是本发明多运动单元直线电机驱动式柱塞泵的结构示意图。
图中：1、一体式配流阀，2、缸体，3、柱塞，4、端面球轴承，5、直线电机，6、缸筒，7、缸筒支撑法兰，8、缸体吸水口，9、缸体排水口，10、冷水机出水口，11、支架，12、底座，13、缸体支撑底座。
具体实施方式
如图1所示，下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵由机械系统和电气控制系统两部分组成。机械系统主要包括一体式配流阀1、缸体2、柱塞3、端面球轴承4、直线电机5、缸筒6、缸筒支撑法兰7、底座12、缸体支撑底座13。电气控制系统主要包括伺服控制器，驱动器，采集卡，工控机，位置反馈装置，水冷机等。
多运动单元直线电机驱动式柱塞泵由八组直线电机单元5分两层布置，每台直线电机分别由一台对应的驱动器驱动，伺服控制器向八台驱动器输出一定相位差的控制信号，从而驱动直线电机动子带动柱塞杆3，以一定的运动规划往复直线运动。
当直线电机5的动子带动柱塞杆3从左极限位置开始向右运动时，柱塞3腔内进入吸液行程，腔内形成负压，大气压使流体从缸体2上的吸水口经过缸体内部导流通道进入配流阀内，并克服吸入阀弹簧力流入柱塞腔。与此同时，直线电机另一端的柱塞处于排液行程，柱塞向右运动，流体挤开配流阀压出阀弹簧，经过另一端缸体内的导流通道，从缸体上的排水口排出，直至直线电机运动到右极限位置，完成单次吸液排液工作。
当直线电机内的位置反馈装置检测到直线电机动子到达右极限位置时，伺服控制器给出控制信号使直线电机动子再从右极限位置向左运动，右侧柱塞进入吸水行程，左侧柱塞进入排水行程，工作过程与前述相同。一个周期内，直线电机5往复运动一次，两侧柱塞均完成吸液、排液工况各一次。
同理，其他几台直线电机也按照伺服控制器给出的控制信号，以三角波或其他运动曲线规划以一定的相位差运动，实现整个多运动单元直线电机驱动式柱塞泵吸液和排液。例如八组直线电机运动单元以三角波运动曲线分别错开90度相位差运行，形成的系统组合流量即可达到一个稳定的值。或者当检测到其中两台直线电机出现故障无法运行时，剩下直线电机可以新的运动规划及相位差例如梯形波、相差120度运行，保证直驱式柱塞泵系统的输出流量稳定。
通过调整直线电机5的运动速度及运动规划或者协同工作直线电机的数量，即可实现直驱式柱塞泵系统的输出流量调节。

Claims (6)

1.一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于：该驱动式柱塞泵由机械系统和电气控制系统两部分组成；机械系统包括一体式配流阀(1)、缸体(2)、柱塞(3)、端面球轴承(4)、直线电机(5)、缸筒(6)、缸筒支撑法兰(7)、底座(12)、缸体支撑底座(13)；电气控制系统包括伺服控制器、驱动器、采集卡、工控机、位置反馈装置、水冷机；
该驱动式柱塞泵由数组直线电机单元组成并分两层布置，每组直线电机运动单元的两端分别与两个柱塞(3)通过端面球轴承(4)连接；柱塞(3)与缸筒(6)之间通过动密封圈形式密封，每个柱塞(3)均配有一个一体式配流阀(1)以完成吸排水工作；缸筒(6)、缸筒支撑法兰(7)以及一体式配流阀(1)安装在缸体(2)上，每层的端面处各布置有一个缸体(2)，两层的直线电机单元对称布置；缸体(2)的内部设有导流通道，以完成内部的吸水以及排水工作，通过低压吸水口和高压出水口与多运动单元直驱式柱塞泵系统总吸水管和出水管路连接，缸筒支撑法兰(7)的底部连接有缸体支撑底座(13)，缸体支撑底座(13)安装在缸体(2)的两侧；工控机与伺服控制器通过网线连接，传输控制信号；工控机并与采集卡连接，在监控软件上显示采集到的压力，温度信息；伺服控制器与驱动器通过信号线连接，传输控制信号；驱动器与直线电机通过信号线连接，交互位置反馈装置检测到的位移信号，以及控制信号；水冷机通过管路与直线电机连接，对直线电机内的循环水进行冷却；
直线电机(5)及缸体(2)的底面均开有横向矩形槽，与之对应是在底座(12)上也开有横向矩形槽；直线电机(5)和缸体(2)通过键的形式安装在底座(12)上，直线电机(5)和缸体(2)能够沿底座(12)进行横向移动，以方便调整零部件间的同心度；直线电机(5)与柱塞(3)之间连接的端面球轴承(4)也能够在空间内小范围扭动，使直驱泵系统在小偏差范围内具有自调心的功能。
2.根据权利要求1所述的一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于：当伺服控制器驱动直线电机以特定的运动规划往复运动时，一端的柱塞(3)处于吸水工况，对应的一体式配流阀中的吸入阀打开，流体通过缸体(2)内部的导流通道从系统总吸水管吸入工作介质；与此同时，另一端的柱塞处于排水工况，对应的一体式配流阀(1)中的压出阀打开，流体通过缸体内部导流通道从系统总出水管排出工作介质。
3.根据权利要求1所述的一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于：当多个直线电机运动单元协同运行时，直线电机运动单元以三角波运动曲线分别错开90度相位差运行，形成的系统组合流量即可达到一个稳定的值。
4.根据权利要求1所述的一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于：直线电机(5)的电源信号线及控制信号线通过中间线槽、航空接头后再与单独的电气控制柜连接，方便系统运输及搬运途中的拆卸；直线电机(5)中安装有位置反馈装置，能够将直线电机(5)实时的位置信号传递给伺服控制器，方便对直线电机(5)的速度及推力输出大小进行调整。
5.根据权利要求1所述的一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于：通过伺服控制器改变每个直线电机运动单元的运动轨迹和相位，易于实现流量调节以及自动化控制功能；当柱塞(3)运动到行程末端时，由于换向会产生瞬时冲击，两层的缸体(2)采用对称布置的形式，能够在机械结构上产生抵消冲击的效果，有效的降低整个的系统冲击振动和噪声。
6.根据权利要求1所述的一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于：通过调整直线电机(5)的运动速度及运动规划或者协同工作直线电机的数量，即可实现直驱式柱塞泵系统的输出流量调节。
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