一種用于液壓電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的柱塞式液壓泵

秦培亮，王洋，，翁蕓嫻，竇云霞

(1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與機(jī)電工程系，江蘇蘇州 215008；2.蘇州大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇蘇州 215021)

目前，在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)液壓調(diào)速技術(shù)，主要有定量泵與節(jié)流閥組成的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)以及由變量泵驅(qū)動(dòng)的泵調(diào)速系統(tǒng)兩種。功率大、流量與壓力連續(xù)可調(diào)的液壓泵主要是斜盤式軸向柱塞泵，但是斜盤式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，特別是柱塞要承受由徑向力而形成的力矩，從而使得其摩擦條件惡化，使用壽命與機(jī)械效率降低。此外，連接于柱塞下端的滑靴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，摩擦條件極其惡劣，加上復(fù)雜的配流系統(tǒng)等，使得柱塞泵的制造工藝極其復(fù)雜。傳統(tǒng)的斜盤式軸向柱塞泵還有一個(gè)不容忽視的致命缺陷，即流量不穩(wěn)定，產(chǎn)生所謂脈動(dòng)率，如欲降低流量脈動(dòng)率，不僅需要增加柱塞的個(gè)數(shù)，而且需要柱塞的個(gè)數(shù)為質(zhì)數(shù)，例如3、5、7、11、13、17、19、23等。過多數(shù)量的柱塞實(shí)際是一種無奈的選擇，不僅造成機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且制造成本居高不下。液壓電梯的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是一種典型的需要連續(xù)調(diào)速的液壓系統(tǒng)，從節(jié)能及運(yùn)行成本上考量，采用伺服變量軸向柱塞泵調(diào)速比較理想，但是，伺服變量軸向柱塞泵極其昂貴的價(jià)格以及故障率較高的因素，限制了其在液壓電梯的應(yīng)用。

文獻(xiàn) ［1－2］對利用toggle機(jī)構(gòu)進(jìn)行力放大的夾具及壓緊裝置進(jìn)行了介紹，作者在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的、可連續(xù)調(diào)節(jié)流量與壓力的柱塞式液壓泵，在大幅度降低生產(chǎn)成本的前提下，使用壽命較傳統(tǒng)的斜盤式軸向柱塞泵顯著提高，以滿足液壓電梯等領(lǐng)域?qū)Φ统杀尽⒌凸收下首兞恐玫囊蟆?/p>

1 柱塞式液壓泵的組成

用于液壓電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的柱塞泵由雙輸出軸電機(jī)(雙輸出軸電機(jī)為雙輸出軸伺服電機(jī)和雙輸出軸交流變頻電機(jī)的一種)，兩個(gè)旋向相反、導(dǎo)程相同的滾珠絲杠及螺母，兩副對稱鉸接的肘桿，兩個(gè)對稱的柱塞，進(jìn)排油回路及穩(wěn)壓器 (穩(wěn)壓器上接有數(shù)字壓力開關(guān))等組成。雙輸出軸電機(jī)的兩個(gè)輸出端分別固定連接著兩個(gè)旋向相反、導(dǎo)程相同的滾珠絲杠，在兩個(gè)滾珠絲杠上配合地設(shè)置有相應(yīng)的螺母，螺母固定連接在鉸支座上，兩副肘桿的一端鉸接在鉸支座上、另一端連接在柱塞上。該柱塞泵采用臥式對稱布局，體現(xiàn)了對稱美學(xué)的原則。

2 柱塞式液壓泵的工作原理

此柱塞式液壓泵的工作原理如圖1及圖2所示。

圖1 液壓電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的柱塞泵 (即將進(jìn)入排油狀態(tài))

圖2 液壓電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的柱塞泵 (即將進(jìn)入進(jìn)油狀態(tài))

圖1所示為柱塞泵的待供油輸出狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)容腔中充滿壓力油，當(dāng)雙輸出軸電機(jī)分別帶動(dòng)兩個(gè)旋向相反、導(dǎo)程相同的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)螺母副在滾珠絲杠的帶動(dòng)下朝相反方向運(yùn)動(dòng)，即上面一個(gè)螺母向下運(yùn)動(dòng)、下面一個(gè)螺母向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)有一個(gè)力作用于肘桿上，利用鉸桿的角度效應(yīng)對該力進(jìn)行放大，放大的力作用于柱塞上，左、右兩個(gè)柱塞容腔的容積縮小，對油液形成壓力，使得下面通向油箱的單向閥關(guān)閉，同時(shí)上面的單向閥打開，實(shí)現(xiàn)壓力油輸出，排出壓力油，排油回路通過單向閥與穩(wěn)壓器相通，穩(wěn)壓器與外部液壓系統(tǒng)相接;待電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠螺母副工作到如圖2所示位置時(shí)，排油行程結(jié)束，雙輸出軸電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)上面一個(gè)螺母向上運(yùn)動(dòng)、下面一個(gè)螺母向下運(yùn)動(dòng)，會(huì)帶動(dòng)左、右兩個(gè)柱塞同時(shí)向內(nèi)側(cè)對稱運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，左、右兩個(gè)容腔的容積擴(kuò)大，形成負(fù)壓，油箱中的液壓油在大氣壓的作用下，打開下面的單向閥，分別進(jìn)入左、右兩個(gè)柱塞的容腔內(nèi)，進(jìn)入進(jìn)油工作行程，進(jìn)油路通過單向閥與油箱相通，電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠螺母副工作到如圖1所示位置時(shí)，進(jìn)油行程結(jié)束，轉(zhuǎn)而進(jìn)入排油階段，如此循環(huán)工作。

3 力學(xué)計(jì)算

圖1、2所示的柱塞泵，輸出液體的壓力計(jì)算公式為:

其中:M為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;

d為柱塞直徑;

α為肘桿壓力角;

η為總機(jī)械效率。

由公式 (1)可見:液壓泵所輸出的壓力p，在轉(zhuǎn)矩M、絲杠導(dǎo)程s以及柱塞直徑d一定的情況下，取決于肘桿的壓力角α。壓力角越大，則液壓泵輸出的壓力越小;壓力角越小，則液壓泵輸出的壓力越大。因此，通過控制壓力角的大小，可以使液壓泵的輸出壓力在很大范圍內(nèi)變化。

圖1、2所示柱塞泵的排量計(jì)算公式為:

式中:ηV為柱塞泵的容積效率。

由公式 (2) 可見:由于 cosα在 α=0°～90°的變化區(qū)間內(nèi)，是一個(gè)非線性遞減的函數(shù)，所以α1與α2即使差值相同，在不同位置時(shí)，泵的排量也是不一樣的。α1與α2在較大的區(qū)間取值時(shí)，排量較大;在較小的區(qū)間取值時(shí)，排量較小。綜合公式 (1)、(2)可以看出:通過控制系統(tǒng)，使得α在取值較大的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，可以得到低壓大流量泵;反之，使得α在取值較小的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，可以得到高壓小流量泵。

4 柱塞式液壓泵的優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

由于文中柱塞泵的動(dòng)力元件為伺服電機(jī)和交流變頻電機(jī)的一種，并通過對稱的絲杠－螺母－肘桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)，所以，通過數(shù)控編程控制伺服電機(jī)的角位移，完全可以任意選擇α所在的區(qū)間，以及α1與α2的差值;而通過變頻器，也可以控制交流變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再加上其他電器控制裝置，從而也可以任意選擇α所在的區(qū)間以及α1與α2的差值。因此該柱塞泵所輸出的壓力和流量，能夠在很大的范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行數(shù)字化控制與調(diào)節(jié)，非常適合需要對壓力及流量進(jìn)行頻繁調(diào)整的場合，尤其適用于液壓電梯等需要大功率、連續(xù)調(diào)速的設(shè)備。

文獻(xiàn)［4］公開了一種對稱肘桿驅(qū)動(dòng)的雙作用柱塞泵，但該雙作用柱塞泵僅僅表示了最后一級(jí)機(jī)械傳動(dòng)裝置，如果加上前端的減速機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)該雙作用柱塞泵的整體布局極為不對稱。此外，該雙作用柱塞泵中的肘桿機(jī)構(gòu)是鉸接在齒輪端面的偏心銷軸上，該銷軸為懸臂梁，受力狀況極差。文中柱塞泵的創(chuàng)新點(diǎn)在于:通過采用雙輸出軸的伺服電機(jī)或交流變頻電機(jī)，驅(qū)動(dòng)對稱布置的絲杠－螺母－肘桿機(jī)構(gòu)，繼而推動(dòng)兩個(gè)柱塞同時(shí)進(jìn)行向里或向外的對稱運(yùn)動(dòng)，不僅能夠使得柱塞液壓泵的輸出壓力與流量在很大的范圍內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)化控制與調(diào)節(jié)，而且柱塞液壓泵的最主要的元件——柱塞，在理論上不承受任何徑向力，因此，柱塞運(yùn)動(dòng)過程的摩擦方式極為簡單，不僅能夠顯著延長其使用壽命，而且能夠提高機(jī)械效率，有利于節(jié)能。

5 結(jié)束語

介紹一種用于液壓電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的柱塞式液壓泵，該泵功能較為完善，對稱結(jié)構(gòu)，柱塞泵的出口連接了液壓穩(wěn)壓器，因此，能夠以穩(wěn)定的流量向液壓執(zhí)行系統(tǒng)輸出壓力液體。此外，液壓穩(wěn)壓器上連接了數(shù)字壓力開關(guān)，可以根據(jù)壓力的變化來進(jìn)行自動(dòng)化控制，使得所輸出的壓力能夠滿足不同的需要。雙輸出軸電機(jī)－絲杠－螺母－肘桿機(jī)構(gòu)與柱塞液壓泵裝置極為緊湊地集成在一起，加上數(shù)控系統(tǒng)或交流變頻等控制系統(tǒng)，以及穩(wěn)壓器、壓力開關(guān)等，形成了一種機(jī)電液一體化的新型液壓動(dòng)力元件裝置。這種新型的液壓動(dòng)力裝置，與傳統(tǒng)的帶有伺服變量的斜盤式軸向柱塞泵相比，生產(chǎn)成本及故障率大幅度降低，使用壽命顯著提高。

［1］秦培亮，鐘康民.基于桿件可重構(gòu)的角度效應(yīng)增力夾具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(5):117 －118.

［2］秦培亮，王洋，鐘康民.基于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的恒增力杠桿與二次正交toggle機(jī)構(gòu)的壓緊裝置［J］.機(jī)械制造，2013(8):75－76.

［3］林文煥，陳本通.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1987.

［4］王明娣，鐘康民，戴曉蘭，等.一種雙作用柱塞泵:中國，CN 102207066 B［P］.2011－10－05.