CN110821772B - 高压无脉动液压泵 - Google Patents

Abstract

高压无脉动液压泵属于高压液压泵技术领域，目的在于解决现有技术存在的问题。本发明包括多个柱塞缸和驱动机构；通过驱动机构驱动多个柱塞缸的柱塞杆往复运动；柱塞缸的数量为2n+m+p个；每个柱塞缸的无杆腔分别连接进油管路和出油管路，2n+m+p个柱塞缸的出油管路流量叠加；每个柱塞缸包括压油工作段和吸油工作段，其中压油工作段包括匀加速压油段、匀速压油段和匀减速压油段；2n+m+p个柱塞缸中，每一时刻有n个处于加速压油段，m个处于匀速压油段，n个处于匀减速压油段，p个处于吸油工作段，并且，n个处于加速压油段的柱塞缸和n个处于匀减速压油段的柱塞缸一一对应为n组，每组中，每一时刻的两个柱塞缸的压油流量的和等于一个匀速压油段的柱塞缸的压油流量。

Description

高压无脉动液压泵

技术领域

本发明属于高压液压泵技术领域，具体涉及一种高压无脉动液压泵。

背景技术

自20世纪50年代以来，随着世界经济的发展，液压技术广泛用于各类工程机械、船舶、航空航天技术、微电子技术等领域，得到了迅猛发展，发展出了一套完备的液压装备体系。尤其在工程机械、机床、汽车制造业、冶金机械、游乐设备及武器装备等领域，液压技术必不可少。

目前，液压传动技术发展方向之一就是精密化、高压化，我国在高压精密液压领域还比较薄弱。所谓精密化，即是指液压传动速度平稳迅速，准确可靠，要求液压油输入执行元件的流量平稳，这对于精密机械尤其重要。高压，可以有效减小液压元件的体积，传递更大的动力。液压泵，是液压系统的动力元件，负责为液压传统系统提供液压能，所以液压泵的性能对于液压系统至关重要。由于液压泵内部几何构造的原因，输出油液的压力，流量脉动情况，价格和效率各不相同。流量脉动会导致系统管路有液压冲击现象，严重影响液压元件寿命，并使执行元件出现震动、“爬行”的现象，导致运动位置不准确。液压泵可分为齿轮泵(分内、外啮合)、叶片泵(分单作用、双作用)、柱塞泵(斜盘式、斜轴式)和螺杆泵。但是，齿轮泵输出压力小，效率低，且脉动大，但是成本低。叶片泵压力小，在考虑叶片厚度的现实情况下，存在一定的脉动。柱塞泵可以输出较高的油液压力，但是脉动大，困油现象较重。螺杆泵虽然理论上可以实现无脉动地输出油液，但是其造价较高，输出压力小。所以，目前的液压泵各有优缺点，不同的场合选用情况不同。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高压无脉动液压泵，解决现有技术存在的高压泵脉动大、困油现象以及无脉动泵输出压力小、造价高等问题；实现输出高压、流量无脉动、无困油现象的液压泵，尤其是面向要求高压，运动定位准确的精密场合，例如机床，机器人关节。

为实现上述目的，本发明的高压无脉动液压泵包括多个柱塞缸和驱动机构；通过驱动机构驱动多个柱塞缸的柱塞杆往复运动；

柱塞缸的数量为2n+m+p个，其中n≥1，m≥1，p≥1；每个柱塞缸的无杆腔分别连接进油管路和出油管路，2n+m+p个柱塞缸的出油管路流量叠加；

每个柱塞缸包括压油工作段和吸油工作段，其中压油工作段包括匀加速压油段、匀速压油段和匀减速压油段；2n+m+p个柱塞缸中，每一时刻有n个处于加速压油段，m个处于匀速压油段，n个处于匀减速压油段，p个处于吸油工作段，并且，n个处于加速压油段的柱塞缸和n个处于匀减速压油段的柱塞缸一一对应为n组，每组中，每一时刻的两个柱塞缸压油的流量的和为一个匀速压油段的柱塞缸压油的流量。

所述驱动机构为具有始终与柱塞缸的柱塞杆部接触的接触面，所述接触面沿着预定的环形轨迹延伸；2n+m+p个柱塞缸相对同一个接触面错相位圆周均布；

所述预定的环形轨迹为四段相互相切的曲线连接形成；其中：

第一段对应柱塞缸的匀加速压油段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×n，设360÷(2n+m+p)×n＝φ，则第一段曲线的参数化极坐标方程式为：

其中：

θ—凸轮转角(0≤θ≤φ)

ω—凸轮角速度(凸轮轴转速、为恒定值)

t—时间

ρ—距圆心距离

d—底圆半径(凸轮理论廓线中离圆心最近的距离)

a—径向加速度(设计者自定常数值，a大于0)

第二段对应柱塞缸的匀速压油段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×m，设，

第二段曲线的参数化极坐标方程式为：

其中v＝at_φ为恒值，t_φ表示θ＝φ时t的值；

第三段对应柱塞缸的匀减速压油段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×n，第三段的曲线方程式为：

其中

表示

时t的值，v＝at_φ为恒值；

当

时，ρ最大，离圆心最远；

第四段对应柱塞缸的吸油工作段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×p，第四段的曲线的两端分别和第一段的首端及第三段的尾端相切。

每个所述柱塞缸的无杆腔内设置有带动柱塞杆推出的复位弹簧，所述驱动机构为通过动力机构驱动绕回转轴线转动的外凸轮，所述接触面为外凸轮的外轮廓面。

所述外凸轮数量为一个，2n+m+p个柱塞缸以外凸轮回转轴线为中心圆周均布。

所述外凸轮的数量和柱塞缸的数量相等，2n+m+p个外凸轮以

度角错相位同轴固定在一个转轴上，2n+m+p个柱塞缸平行设置并分别和2n+m+p个所述外凸轮的外轮廓面接触。

所述外凸轮的数量为柱塞缸的数量的一半，2n+m+p个外凸轮以

度角错相位同轴固定在一个转轴上，2(2n+m+p)个柱塞缸每2n+m+p个为一组，每组的2n+m+p个柱塞缸平行设置并分别和2n+m+p个所述外凸轮的外轮廓面接触，两组在凸轮轴两侧水平对置分布。

每个所述柱塞缸的无杆腔内设置有带动柱塞杆推出的复位弹簧，所述驱动机构为内凸轮，所述接触面为内凸轮的内轮廓面。

所述内凸轮数量为一个，2n+m+p个柱塞缸以内凸轮回转轴线为中心圆周均布。

每个所述柱塞缸的无杆腔内设置有带动柱塞杆推出的复位弹簧，所述驱动机构为圆柱端面凸轮，所述接触面为圆柱端面凸轮的端面轮廓线。

所述圆柱端面凸轮数量为一个，2n+m+p个柱塞缸以圆柱端面凸轮回转轴线为中心圆周均布。

本发明的有益效果为：本发明的高压无脉动液压泵采用多个柱塞缸结合的形式，每个柱塞缸运用特殊函数曲线为轮廓线的内凸轮、外凸轮、圆柱端面凸轮为驱动元件，多个输出油量相互叠加，使每一个时刻总的输出流量始终不变，使液压泵即能像柱塞泵一样输出较高的压力，又无脉动现象。

附图说明

图1为本发明的高压无脉动液压泵中四缸四相位时结构示意图；

图2为本发明的高压无脉动液压泵中四缸四相位时每个柱塞缸作用原理图；

图3为本发明的高压无脉动液压泵中四缸四相位时每个缸相对凸轮曲线转角与流量关系图；

图4为为本发明的高压无脉动液压泵中八缸水平对置时结构示意图；

图5为本发明的高压无脉动液压泵中六缸六相位时结构示意图；

图6为本发明的高压无脉动液压泵中六缸六相位时每个柱塞缸作用原理图；

图7为本发明的高压无脉动液压泵中六缸六相位时每个缸相对凸轮曲线转角与流量关系图；

图8为为本发明的高压无脉动液压泵中十二缸水平对置时结构示意图；

图9为本发明的高压无脉动液压泵中四缸内凸轮作用时结构示意图；

图10为本发明的高压无脉动液压泵中六缸内凸轮作用时结构示意图；

图11为本发明的高压无脉动液压泵中四缸圆柱端面凸轮作用时结构示意图；

图12为本发明的高压无脉动液压泵中六缸圆柱端面凸轮作用时结构示意图；

其中：1、缸体，2、柱塞杆，3、复位弹簧，4、滚轮，5、外凸轮，6、转轴，7、单向阀，8、内凸轮，9、固定盘，10、圆柱端面凸轮，11、筒式柱塞缸体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明提供了一种新型的液压泵，使之在运行原理上可以实现高压无脉动地输出流量。本发明主要运用特殊函数曲线为凸轮的轮廓线，凸轮旋转控制几个柱塞运动，使几个柱塞输出流量叠加合成输出的流量稳定不变。这样既能实现输出流量无脉动，又可以保留柱塞泵能输出高压的特点。也可以说是一种新结构的柱塞泵。运用这种原理设计的高压无脉动柱塞泵又可分为盘状式、筒状式、水平式。

实施例一

本发明的高压无脉动液压泵包括多个柱塞缸和驱动机构；通过驱动机构驱动多个柱塞缸的柱塞杆2往复运动；

柱塞缸的数量为2n+m+p个，其中n≥1，m≥1，p≥1；每个柱塞缸的无杆腔分别连接进油管路和出油管路，2n+m+p个柱塞缸的出油管路流量叠加；

每个柱塞缸包括压油工作段和吸油工作段，其中压油工作段包括匀加速压油段、匀速压油段和匀减速压油段；2n+m+p个柱塞缸中，每一时刻有n个处于加速压油段，m个处于匀速压油段，n个处于匀减速压油段，p个处于吸油工作段，并且，n个处于加速压油段的柱塞缸和n个处于匀减速压油段的柱塞缸一一对应为n组，每组中，每一时刻的两个柱塞缸的压油量的和为一个匀速压油段的柱塞缸的压油量。

所述驱动机构为具有始终与柱塞缸的柱塞杆2部接触的接触面，所述接触面沿着预定的环形轨迹延伸；2n+m+p个柱塞缸相对同一个接触面错相位圆周均布；

所述预定的环形轨迹为四段相互相切的曲线连接形成；其中：

第一段对应柱塞缸的匀加速压油段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×n，设360÷(2n+m+p)×n＝φ，则第一段曲线的参数化极坐标方程式为：

其中：

θ—凸轮转角(0≤θ≤φ)

ω—凸轮角速度(凸轮轴转速、为恒定值)

t—时间

ρ—距圆心距离

d—底圆半径(凸轮理论廓线中离圆心最近的距离)

a—径向加速度(设计者自定常数值，a大于0)

第二段对应柱塞缸的匀速压油段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×m，设，

第二段曲线的参数化极坐标方程式为：

其中v＝at_φ为恒值，t_φ表示θ＝φ时t的值；

第三段对应柱塞缸的匀减速压油段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×n，第三段的曲线方程式为：

其中

表示

时t的值，v＝at_φ为恒值；

当

时，ρ最大，离圆心最远；

第四段对应柱塞缸的吸油工作段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×p，第四段的曲线的两端分别和第一段的首端及第三段的尾端相切。

每个所述柱塞缸的无杆腔内设置有带动柱塞杆2推出的复位弹簧3，所述驱动机构为通过动力机构驱动绕回转轴6线转动的外凸轮5，所述接触面为外凸轮5的外轮廓面。所述外凸轮5数量为一个，n的取值为1，m的取值为1，p的取值为1，柱塞缸的数量为四个，四个柱塞缸以外凸轮5回转轴6线为中心圆周均布；

柱塞缸的柱塞杆2端部带有滚轮4，与外凸轮5的外轮廓面线接触；复位弹簧3弹簧一端紧压柱塞杆2在缸体1内的这端，使柱塞杆2带有滚轮4的一端始终和外凸轮5接触；动力机构可以是驱动电机等提供回转力的动力源。

每个柱塞缸的无杆腔分别通过阀组件连接进油管路和出油管路。

所述阀组件至少包括一个单向阀7。

实施例二

所述外凸轮5数量为一个，n的取值为1，m的取值为1，p的取值为3，柱塞缸的数量为六个，六个柱塞缸以外凸轮5回转轴6线为中心圆周均布。

实施例三

参见附图1-3，本实施与实施例一的区别在于：所述外凸轮5数量为四个，n的取值为1，m的取值为1，p的取值为1，柱塞缸的数量为四个，四个所述外凸轮5以90度错相位同轴固定在一个转轴6上，四个柱塞缸平行设置并分别和四个所述外凸轮5的外轮廓面接触。

该实施例为四缸四相位液压泵，右部分外凸轮5中共有四个相位，每个相差90度。0度至90度匀加速压油，90度至180度匀速压油，180度至270度匀减速压油。最后的部分吸油，即用四分之一周期吸油。这样，在相同的曲率下，用四分之三周期压油，可以提高柱塞杆2压油行程，提高效率。但是需要提高复位弹簧3刚度，并提高进油单向阀7通流能力，以保证在四分之一周期内，滚轮4依然能够贴紧凸轮，充分吸油。

实施例四

参见附图4，本实施与实施例一的区别在于：所述外凸轮5数量为四个，n的取值为2，m的取值为2，p的取值为2，柱塞缸的数量为八个，四个所述外凸轮590度错相位同轴固定在一个转轴6上，八个柱塞缸每四个为一组，每组的四个柱塞缸平行设置并分别和四个所述外凸轮5的外轮廓面接触。

本实施为八缸四相位液压泵，水平单侧置放式液压泵同实施例三，采用双侧水平对置分布提高凸轮的转轴6寿命。

实施例五

参见附图5-7，本实施与实施例一的区别在于：所述外凸轮5数量为六个，n的取值为1，m的取值为1，p的取值为3，柱塞缸的数量为六个，六个所述外凸轮560度错相位同轴固定在一个转轴6上，六个柱塞缸平行设置并分别和六个所述外凸轮5的外轮廓面接触。

本实施为六缸六相位液压泵，右部分黑色粗体的为凸轮轮廓控制曲线，该曲线轮廓凸轮顺时针匀速旋转，在滚轮4接触点在图示标注的0到60度时，曲线会使柱塞从速度0开始均加速压进柱塞缸内，为匀加速压油段；在60度至120度时，柱塞匀速压入柱塞缸内，为匀速压油段；在120度至180度时，柱塞匀减速压入柱塞缸，为匀减速压油段，在180时度时，柱塞速度刚好减速至0。下部分反映了流量随凸轮旋转角度的变化曲线。在180度至360度，在复位弹簧3的作用下，柱塞杆2往回运动，为吸油过程，曲线和0至180度过程相反。整个过程共有六个相位，所以需要六缸，六个柱塞杆2，六个外凸轮5分别差60度角。六缸水平单侧置放式液压泵原理图。每个时刻都有三个柱塞缸吸油，三个柱塞缸压油。柱塞缸一端有两个单向阀7，一个只能进油，一个出油。每一时刻三个出油的柱塞缸速度不同，正好合成出油速度不变，凸轮轮廓曲线光滑，整个过程速度平稳。

实施例六

参见附图8，本实施与实施例一的区别在于：所述外凸轮5数量为六个，n的取值为2，m的取值为2，p的取值为6，柱塞缸的数量为十二个，六个所述外凸轮60度错相位同轴固定在一个转轴6上，十二个柱塞缸每六个为一组，每组的六个柱塞缸平行设置并分别和六个所述外凸轮5的外轮廓面接触。

单侧放置液压缸柱塞杆2会给凸轮轴很大径向力，凸轮轴旋转，会造成较大的交变应力，降低凸轮轴寿命，凸轮轴的凸轮曲线要符合函数轮廓，加工费相对较高，所以，为了同时提高凸轮轴利用率和寿命，本实施例在另一侧再水平放置六个柱塞缸，这样在两侧液压缸的作用力基本持平，由于柱塞缸不同时刻有的吸油，有的压油，两侧合力作用线不能完全重合，会多给凸轮轴一个水平转矩，相比单侧放置液压缸，凸轮轴所受弯矩会小很多，寿命会有所提高。

实施例七

参见附图9，本实施例与实施例一的区别在于：每个所述柱塞缸的无杆腔内设置有带动柱塞杆2推出的复位弹簧3，所述驱动机构为内凸轮8，所述接触面为内凸轮8的内轮廓面。多个柱塞缸的缸体1固定在一个固定盘9上。

所述内凸轮8数量为一个，n的取值为1，m的取值为1，p的取值为1，柱塞缸的数量为四个，四个柱塞缸以内凸轮8回转轴6线为中心圆周均布。

柱塞缸的柱塞杆2端部带有滚轮4，与内凸轮8的内轮廓面线接触；复位弹簧3弹簧一端紧压柱塞杆2在缸体1内的这端，使柱塞杆2带有滚轮4的一端始终和内凸轮8接触；动力机构可以是驱动电机等提供回转运动的动力源。

实施例八

参见附图10，本实施例与实施例七的区别在于：所述内凸轮8数量为一个，n的取值为1，m的取值为1，p的取值为3，柱塞缸的数量为六个，六个柱塞缸以内凸轮8回转轴6线为中心圆周均布。

实施例九

参见附图11，本实施例与实施例一的区别在于：每个所述柱塞缸的无杆腔内设置有带动柱塞杆2推出的复位弹簧3，所述驱动机构为圆柱端面凸轮10，所述接触面为圆柱端面凸轮10的端面轮廓线。一个筒式柱塞缸体11作为多个柱塞缸的缸体1。

所述圆柱端面凸轮10数量为一个，n的取值为1，m的取值为1，p的取值为1，柱塞缸的数量为四个，四个柱塞缸以圆柱端面凸轮10回转轴6线为中心圆周均布。

柱塞缸的柱塞杆2端部带有滚轮4，与圆柱端面凸轮10的端面线接触；复位弹簧3弹簧一端紧压柱塞杆2在缸体1内的这端，使柱塞杆2带有滚轮4的一端始终和圆柱端面凸轮10接触；动力机构可以是驱动电机等提供回转运动的动力源。

实施例十

参见附图12，本实施例与实施例九的区别在于：所述圆柱端面凸轮10数量为一个，n的取值为1，m的取值为1，p的取值为3，柱塞缸的数量为六个，六个柱塞缸以圆柱端面凸轮10回转轴6线为中心圆周均布。

运用该原理，液压泵可以设计成盘状式，筒状式。盘状式和筒状式都是含有函数曲线轮廓的旋转凸轮转动，带动柱塞杆2运动，缸体1不动，几个柱塞缸合成后流量不变，平稳。

Claims (10)

1.高压无脉动液压泵，其特征在于，包括多个柱塞缸和驱动机构；通过驱动机构驱动多个柱塞缸的柱塞杆往复运动；

柱塞缸的数量为2n+m+p个，其中n≥1，m≥1，p≥1；每个柱塞缸的无杆腔分别连接进油管路和出油管路，2n+m+p个柱塞缸的出油管路流量叠加；

每个柱塞缸包括压油工作段和吸油工作段，其中压油工作段包括匀加速压油段、匀速压油段和匀减速压油段；2n+m+p个柱塞缸中，每一时刻有n个处于加速压油段，m个处于匀速压油段，n个处于匀减速压油段，p个处于吸油工作段，并且，n个处于加速压油段的柱塞缸和n个处于匀减速压油段的柱塞缸一一对应为n组，每组中，每一时刻的两个柱塞缸的压油流量的和等于一个匀速压油段的柱塞缸的压油流量。

2.根据权利要求1所述的高压无脉动液压泵，其特征在于，所述驱动机构为具有始终与柱塞缸的柱塞杆部接触的接触面，所述接触面沿着预定的环形轨迹延伸；2n+m+p个柱塞缸相对同一个接触面错相位圆周均布；

所述预定的环形轨迹为四段相互相切的曲线连接形成；其中：

第一段对应柱塞缸的匀加速压油段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×n，设360÷(2n+m+p)×n＝φ，则第一段曲线的参数化极坐标方程式为：

其中：

θ—凸轮转角，取值为

ω—凸轮角速度，凸轮轴转速为恒定值

t—时间

ρ—距圆心距离

d—底圆半径，凸轮理论廓线中离圆心最近的距离

a—径向加速度，设计者自定常数值，a大于0

第二段对应柱塞缸的匀速压油段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×m，设，

第二段曲线的参数化极坐标方程式为：

其中v＝at_φ为恒值，t_φ表示θ＝φ时t的值；

第三段对应柱塞缸的匀减速压油段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×n，第三段的曲线方程式为：

其中

表示

时t的值，v＝at_φ为恒值；

当

时，ρ最大，离圆心最远；

第四段对应柱塞缸的吸油工作段，对应的圆心角为360÷(2n+m+p)×p，第四段的曲线的两端分别和第一段的首端及第三段的尾端相切。

3.根据权利要求2所述的高压无脉动液压泵，其特征在于，每个所述柱塞缸的无杆腔内设置有带动柱塞杆推出的复位弹簧，所述驱动机构为通过动力机构驱动绕回转轴线转动的外凸轮，所述接触面为外凸轮的外轮廓面。

4.根据权利要求3所述的高压无脉动液压泵，其特征在于，所述外凸轮数量为一个，2n+m+p个柱塞缸以外凸轮回转轴线为中心圆周均布。

5.根据权利要求3所述的高压无脉动液压泵，其特征在于，所述外凸轮的数量和柱塞缸的数量相等，2n+m+p个外凸轮以

度角错相位同轴固定在一根转轴上，2n+m+p个柱塞缸平行设置并分别和2n+m+p个所述外凸轮的外轮廓面接触。

6.根据权利要求3所述的高压无脉动液压泵，其特征在于，所述外凸轮的数量为柱塞缸的数量的一半，2n+m+p个外凸轮以

度角错相位同轴固定在一个转轴上，2(2n+m+p)个柱塞缸每2n+m+p个为一组，每组的2n+m+p个柱塞缸平行设置并分别和2n+m+p个所述外凸轮的外轮廓面接触，两组在凸轮轴两侧水平对置分布。

7.根据权利要求2所述的高压无脉动液压泵，其特征在于，每个所述柱塞缸的无杆腔内设置有带动柱塞杆推出的复位弹簧，所述驱动机构为内凸轮，所述接触面为内凸轮的内轮廓面。

8.根据权利要求7所述的高压无脉动液压泵，其特征在于，所述内凸轮数量为一个，2n+m+p个柱塞缸以内凸轮回转轴线为中心圆周均布。

9.根据权利要求2所述的高压无脉动液压泵，其特征在于，每个所述柱塞缸的无杆腔内设置有带动柱塞杆推出的复位弹簧，所述驱动机构为圆柱端面凸轮，所述接触面为圆柱端面凸轮的端面轮廓线。

10.根据权利要求9所述的高压无脉动液压泵，其特征在于，所述圆柱端面凸轮数量为一个，2n+m+p个柱塞缸以圆柱端面凸轮回转轴线为中心圆周均布。

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