CN116816663A - 一种双输入式叶片泵供能的液压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双输入式叶片泵供能的液压系统。本发明包括双输入式叶片泵、动力源和执行器，双输入式叶片泵的第一输入轴与第一动力源相连，双输入式叶片泵的第二输入轴与第二动力源相连，双输入式叶片泵的第一油液口与执行器通过油路相连双输入式叶片泵的第二油液口与油箱通过油路相连。本发明通过控制转子和浮动定子的转速，可以控制双输入式叶片泵的输出流量。通过两个动力源的调速，实现液压泵流量根据负载需求变化，从而实现节能。

Description

一种双输入式叶片泵供能的液压系统
技术领域
本发明涉及一种液压泵供能的液压系统，尤其是涉及一种双输入式叶片泵供能的液压系统。
背景技术
现有液压泵一般由单个动力源供能，液压泵的流量由动力源转速乘以排量决定。为了节能，液压泵的流量需要和负载流量相匹配，在工作过程中不断改变流量。变转速控制的定量液压泵可以通过负载压力流量匹配、泵控缸等方式提高液压系统的效率，是未来的发展方向。
常见动力源如发动机或感应电机，由于较大的转动惯量和转矩响应滞后等，不能做到快速调速，因此，节能液压系统一般采用变量泵，通过改变泵排量改变液压泵输出流量。一些高动态性能的动力源如永磁伺服电机可以快速改变转速，但成本较高，且最大功率受限。
叶片泵是通过叶片与转子和定子内表面所构成的工作容积，先由小到大吸油后再由大到小排油，将机械能转换为液压能输出的泵。CN201710419570.8提出了基于能量回收的集成式液压变速器，通过浮动定子，使定子也能输出机械能。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题和需求，本发明提出了一种双输入式叶片泵供能的液压系统。
本发明的技术方案如下：
本发明包括双输入式叶片泵、动力源和执行器，双输入式叶片泵的第一输入轴与第一动力源相连，双输入式叶片泵的第二输入轴与第二动力源相连，双输入式叶片泵的第一油液口与执行器通过油路相连。
所述双输入式叶片泵设置为多个，双输入式叶片泵之间并联、串联或者串并联设置。
两个所述双输入式叶片泵并联设置时，两个双输入式叶片泵之间通过机械齿轮进行连接，两个双输入式叶片泵的第一输入轴的第一动力源为同一个动力源，两个双输入式叶片泵的第二输入轴与对应的第二动力源相连，两个双输入式叶片泵的第一油液口与对应执行器通过油路相连。
两个所述双输入式叶片泵串联设置时，第一双输入式叶片泵的第一输入轴和第二双输入式叶片泵的第二输入轴均与同一个动力源相连，第一双输入式叶片泵的第二输入轴与第二双输入式叶片泵的第一输入轴分别与不同的动力源相连，两个双输入式叶片泵的第一油液口与对应执行器通过油路相连。
每个所述双输入式叶片泵与多个执行器相连。
所述双输入式叶片泵与执行器之间通过或者通过液压控制阀相连。
所述双输入式叶片泵包括第一输入轴、侧板、转子侧配流盘、叶片泵转子、浮动定子、定子侧配流盘和第二输入轴；
泵外壳内设置有第一输入轴、侧板、转子侧配流盘、叶片泵转子、浮动定子、定子侧配流盘和第二输入轴，第一输入轴穿过侧板和转子侧配流盘后与叶片泵转子同轴固连，叶片泵转子设置在浮动定子内，叶片泵转子与浮动定子同轴设置，浮动定子可转动，第二输入轴穿过定子侧配流盘后与浮动定子同轴固定。
所述双输入式叶片泵中输出流量的最大变化率满足以下公式：
q＝(ωr-ωs)·D·ηV
其中，表示双输入式叶片泵中输出流量的最大变化率，a表示第一动力源的最大加速度，a′表示第二动力源的最大加速度，ωr是转子转速，ωs是定子转速，D是双输入式叶片泵的排量，ηV是双输入式叶片泵的容积效率。
所述液压系统中，根据执行器的工况对第一动力源和第二动力源进行功率分配，进而优化双输入式叶片泵的转速。
所述第一动力源提供平均功率，工作在较高效率的小范围工作区域；第二动力源提供峰值功率。
本发明的有益效果是：
本发明通过浮动定子，使叶片泵成为双输入型叶片泵，采用两个动力源输入的结构，提高了动态响应，通过变转速而非变排量调节流量，避免了传统变量泵的高成本和低效率问题，也避免了单输入泵动态响应不足的问题。
由于流量由两个输入轴的转速差决定，因此本发明可在保证转速差的前提下，同时增大或减小两个输入轴的转速，相当于增加了控制的自由度，可以实现工作点优化，避免低速不稳定运行区域和低效率点等。
附图说明
图1为本发明的结构框架示意图；
图2为双输入式叶片泵的结构爆炸图；
图3为双输入式叶片泵的剖视图；
图4为单个双输入式叶片泵、两个执行器的连接示意图；
图5为液压系统的负载功率原理示意图；
图6为两个双输入式叶片泵的并联设置，并且有液压控制阀的示意图；
图7为两个双输入式叶片泵的串联设置，并且有液压控制阀的示意图；
图8为两个双输入式叶片泵的并联设置，并且无液压控制阀的结构示意图；
图9为两个双输入式叶片泵的串联设置，并且无液压控制阀的结构示意图；
图10为本发明应用于挖掘机的结构示意图；
图11为本发明应用于装载机的结构示意图；
图中：1、第一外壳壳体，2、第一输入轴，3、侧板，4、转子侧配流盘，5、叶片泵转子，6、浮动定子，7、第二外壳壳体，8、定子侧配流盘，9、第二输入轴，10、第三外壳壳体，11、液压控制阀，12、第一动力源，13、第二动力源，14、油箱。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括双输入式叶片泵、动力源和执行器，双输入式叶片泵的第一输入轴与第一动力源12相连，双输入式叶片泵的第二输入轴与第二动力源13相连，双输入式叶片泵的第一油液口与执行器通过油路相连，双输入式叶片泵的第二油液口与油箱14通过油路相连。本发明通过控制转子和浮动定子的转速，可以控制双输入式叶片泵的输出流量。通过两个动力源的调速，实现液压泵流量根据负载需求变化，从而实现节能。
如图2和图3所示，双输入式叶片泵包括第一外壳壳体1、第一输入轴2、侧板3、转子侧配流盘4、叶片泵转子5、浮动定子6、第二外壳壳体7、第三外壳壳体10、定子侧配流盘8和第二输入轴9；
泵外壳内设置有第一输入轴2、侧板3、转子侧配流盘4、叶片泵转子5、浮动定子6、定子侧配流盘8和第二输入轴9，第一输入轴2穿过侧板3和转子侧配流盘4后与叶片泵转子5同轴固连，叶片泵转子5设置在浮动定子6内，叶片泵转子5与浮动定子6同轴设置，浮动定子6可转动，第二输入轴9穿过定子侧配流盘8后与浮动定子6同轴固定，其中侧板3、转子侧配流盘4、浮动定子6、定子配流盘8和第二输入轴9之间固连后组成定子组件，第一输入轴2和转子5之间固连后组成转子组件。具体实施中，泵外壳由第一外壳壳体1、第二外壳壳体7和第三外壳壳体10依次组装而成。
双输入式叶片泵设置为多个，双输入式叶片泵之间并联、串联或者串并联设置。
如图6所示，两个双输入式叶片泵并联设置时，两个双输入式叶片泵之间通过机械齿轮进行连接，两个双输入式叶片泵的第一输入轴的第一动力源12为同一个动力源，第一动力源12通过机械齿轮作用于两个双输入式叶片泵，两个双输入式叶片泵的第二输入轴与对应的第二动力源13相连，两个双输入式叶片泵的第一油液口与对应执行器通过油路相连，两个双输入式叶片泵的第二油液口与油箱14通过油路相连。
如图7所示，两个双输入式叶片泵串联设置时，第一双输入式叶片泵的第一输入轴和第二双输入式叶片泵的第二输入轴均与同一个动力源相连，第一双输入式叶片泵的第二输入轴与第二双输入式叶片泵的第一输入轴分别与不同的动力源相连，两个双输入式叶片泵的第一油液口与对应执行器通过油路相连，两个双输入式叶片泵的第二油液口与油箱14通过油路相连。
每个双输入式叶片泵与多个执行器相连，如图4所示。
双输入式叶片泵与执行器之间通过或者通过液压控制阀11相连。由于本发明的结构导致流量的动态性能较高，因此执行器的驱动可以采用无阀的形式，通过调节流量直接控制执行器运动，无阀的结构如图8和图9所示。
双输入式叶片泵中输出流量的最大变化率满足以下公式：
q＝(ωr-ωs)·D·ηV
其中，表示双输入式叶片泵中输出流量的最大变化率，a表示第一动力源12的最大加速度，a′表示第二动力源13的最大加速度，ωr是转子转速，ωs是定子转速，D是双输入式叶片泵的排量，ηV是双输入式叶片泵的容积效率。
在保证泵的动态响应速度的同时，减小对高动态电机的装机功率需求，成本较低。双输入式叶片泵有两个动力源，若都采用最大加速度为a的电机作为输入，第一输入轴的电机以a的加速度正向加速，第二输入轴的电机以-a的加速度反向加速，则流量的最大变化率为：
采用动态性能相同的电机，流量最大变化率增大为单输入液压泵的两倍。
液压系统中，根据执行器的工况对第一动力源12和第二动力源13进行功率分配，进而优化双输入式叶片泵的转速，最终提高系统的运行效率。
液压流体对转子和浮动定子的作用力相等，方向相反：
其中，T1为液压流体对转子的转矩，T2为液压流体对定子的转矩，p为液压泵出口压力，ηM为双输入式叶片泵的机械效率。
P1＝T1·ω1
P2＝T2·ω2
其中，P1为转子的瞬时负载功率，P2为定子的瞬时负载功率，ω1和ω2分别为叶片泵转子5和浮动定子6的转速。
给定负载压力和流量，则在转速差(ω1-ω2)相同的情况下，通过选择ω1和ω2，可以实现第一动力源和第二动力源的工作点优化。
第一动力源12采用低成本的发动机或感应电机，在其额定转速附近工作，第二动力源13采用高动态伺服电机，其在比较大的范围内都能高效率工作，其能在较大范围中调速，提供峰值功率。该种方案主要通过高动态第二动力源调节流量，实现变转速控制的变流量输出，而第一动力源对动态性能要求较低。
如图5所示，第一动力源12提供平均功率，工作在较高效率的小范围工作区域；第二动力源工作点变化范围较大，提供快速变化的峰值功率，吸收多余功率，提供不足的驱动功率；即连接第一输入轴的转子转速ω1较高、变化较慢，连接第二输入轴的浮动定子转速ω2较低，变化较快。
本发明应用于挖掘机，形成挖掘机液压系统，如图10所示。具体地，两个双输入式叶片泵并联设置，第一动力源为发动机，第二动力源为电机。两个双输入式叶片泵分别用于直接驱动挖掘机的直线行走、左行走、回转、第二大臂和第一小臂，以及右行走、备选组件、第一大臂、铲斗以及第二小臂。
在挖掘机系统中，一般采用两个泵供能，分别驱动若干执行器。传统挖掘机采用两个变量泵，成本高，效率低。采用双输入式叶片泵，避免了变量泵在低排量下效率低的问题，实现了高动态的变转速流量调节，同时还可以对发动机的工作点进行调节。
本发明应用于装载机，形成装载机动力系统，如图11所示。具体地，采用一个双输入式叶片泵，第一动力源和第二动力源分别为发动机和电机。双输入式叶片泵通过液压控制阀驱动两个液压执行器。
在装载机上，作业系统采用双输入式叶片泵供能，第二输入轴采用电机，作为发电机或电机使用，吸收多余功率或提供不足功率，基于发动机和叶片泵的效率特性，对发动机工作点进行优化。发电电能可以储存在电池或供行走系统使用。
最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。

Claims (10)

1.一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，包括双输入式叶片泵、动力源和执行器，双输入式叶片泵的第一输入轴与第一动力源(12)相连，双输入式叶片泵的第二输入轴与第二动力源(13)相连，双输入式叶片泵的第一油液口与执行器通过油路相连。
2.根据权利要求1所述的一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，所述双输入式叶片泵设置为多个，双输入式叶片泵之间并联、串联或者串并联设置。
3.根据权利要求2所述的一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，两个所述双输入式叶片泵并联设置时，两个双输入式叶片泵之间通过机械齿轮进行连接，两个双输入式叶片泵的第一输入轴的第一动力源(12)为同一个动力源，两个双输入式叶片泵的第二输入轴与对应的第二动力源(13)相连，两个双输入式叶片泵的第一油液口与对应执行器通过油路相连。
4.根据权利要求2所述的一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，两个所述双输入式叶片泵串联设置时，第一双输入式叶片泵的第一输入轴和第二双输入式叶片泵的第二输入轴均与同一个动力源相连，第一双输入式叶片泵的第二输入轴与第二双输入式叶片泵的第一输入轴分别与不同的动力源相连，两个双输入式叶片泵的第一油液口与对应执行器通过油路相连。
5.根据权利要求1所述的一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，每个所述双输入式叶片泵与多个执行器相连。
6.根据权利要求1所述的一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，所述双输入式叶片泵与执行器之间通过或者通过液压控制阀(11)相连。
7.根据权利要求1所述的一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，所述双输入式叶片泵包括第一输入轴(2)、侧板(3)、转子侧配流盘(4)、叶片泵转子(5)、浮动定子(6)、定子侧配流盘(8)和第二输入轴(9)；
泵外壳内设置有第一输入轴(2)、侧板(3)、转子侧配流盘(4)、叶片泵转子(5)、浮动定子(6)、定子侧配流盘(8)和第二输入轴(9)，第一输入轴(2)穿过侧板(3)和转子侧配流盘(4)后与叶片泵转子(5)同轴固连，叶片泵转子(5)设置在浮动定子(6)内，叶片泵转子(5)与浮动定子(6)同轴设置，浮动定子(6)可转动，第二输入轴(9)穿过定子侧配流盘(8)后与浮动定子(6)同轴固定。
8.根据权利要求1所述的一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，所述双输入式叶片泵中输出流量的最大变化率满足以下公式：
q＝(ωr-ωs)·D·ηV
其中，表示双输入式叶片泵中输出流量的最大变化率，a表示第一动力源(12)的最大加速度，a′表示第二动力源(13)的最大加速度，ωr是转子转速，ωs是定子转速，D是双输入式叶片泵的排量，ηV是双输入式叶片泵的容积效率。
9.根据权利要求1所述的一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，所述液压系统中，根据执行器的工况对第一动力源(12)和第二动力源(13)进行功率分配，进而优化双输入式叶片泵的转速。
10.根据权利要求1所述的一种双输入式叶片泵供能的液压系统，其特征在于，所述第一动力源(12)提供平均功率，工作在较高效率的小范围工作区域；第二动力源(13)提供峰值功率。
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