一種無(wú)閥三柱塞式液壓增壓器的結(jié)構(gòu)與分析

鄧斌，譚紅，柯堅(jiān)，于蘭英，劉桓龍

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

液壓增壓器是一種用于提高液壓系統(tǒng)中工作壓力的元件，它其實(shí)是一種液壓放大器。在一個(gè)系統(tǒng)工作壓力較低的液壓系統(tǒng)中，僅當(dāng)局部需要高壓時(shí)，不需要單獨(dú)采用高壓泵，可以使用液壓增壓器，使局部達(dá)到所需的工作壓力［1］。

常見的增壓器分為單作用式和雙作用式，單作用式增壓器只能實(shí)現(xiàn)單程增壓，液壓能利用率較低，流量脈動(dòng)也較大［2］。雙作用式增壓器能實(shí)現(xiàn)連續(xù)增壓，液壓能的利用率較高。雙作用式增壓器一般是利用換向閥換向使雙作用式增壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)增壓。若采用電磁換向閥換向，長(zhǎng)時(shí)間工作，電磁線圈發(fā)熱，不僅影響閥的性能，還會(huì)導(dǎo)致油溫升高，嚴(yán)重時(shí)需要停機(jī)降溫，此外，在電源較遠(yuǎn)的情況下，還需為增壓器單獨(dú)增設(shè)一套電路［3］;若采用液控?fù)Q向閥換向，控制油路復(fù)雜，加大了增壓器設(shè)計(jì)制造的難度。

文中介紹一種新型的無(wú)閥結(jié)構(gòu)三柱塞式液壓增壓器，能脫離換向閥使增壓器實(shí)現(xiàn)連續(xù)增壓。

1 三柱塞式液壓增壓器工作原理

1.1 增壓器的組成

圖1 所示為三柱塞式液壓增壓器的系統(tǒng)原理圖。增壓器主要是由旋轉(zhuǎn)斜盤1、滑靴2、柱塞套3、擺動(dòng)盤4、進(jìn)油端蓋5、配流盤6、3 根增壓柱塞7、柱塞缸體8 以及增壓缸高壓腔出口閥組組成。旋轉(zhuǎn)斜盤與進(jìn)油端蓋的端面間的推力軸承以及旋轉(zhuǎn)斜盤與進(jìn)油端蓋的中心軸間的向心軸承圖中未畫出。

圖1 三柱塞式液壓增壓器系統(tǒng)原理圖

1.2 增壓器的關(guān)鍵部件

(1)配流盤

三柱塞式液壓增壓器配流盤結(jié)構(gòu)如圖2 所示。配流盤右端固定在柱塞缸體上，左端與擺動(dòng)盤用球面副連接。配流盤上有3 個(gè)配流窗口ap、bp、cp，配流窗口右端分別與增壓器的3 個(gè)增壓缸ag、bg、cg的低壓腔相通。進(jìn)油增壓缸的配流窗口左端與擺動(dòng)盤中心孔相通，回油增壓缸的配流窗口左端暴露在進(jìn)油端蓋里，與油箱相通。

圖2 配流盤

(2)擺動(dòng)盤

擺動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，擺動(dòng)盤左端與進(jìn)油端蓋的中心軸用球面副連接，擺動(dòng)盤的中心孔與進(jìn)油端蓋的中心孔相通。3 根增壓柱塞a、b、c 的活塞桿分別穿過(guò)擺動(dòng)盤上的3 個(gè)孔ak、bk、ck，并通過(guò)柱塞套與擺動(dòng)盤連接，3 根柱塞交替往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使擺動(dòng)盤繞兩球面副的球心擺動(dòng)。擺動(dòng)盤的擺動(dòng)，使其中心孔在三個(gè)配流窗口ap、bp、cp上連續(xù)運(yùn)動(dòng)，完成3 根增壓柱塞的交替進(jìn)油。

圖3 擺動(dòng)盤

1.3 增壓器的工作過(guò)程

如圖1 所示，給增壓器的Pin口供液壓油，此時(shí)擺動(dòng)盤中心孔僅與配流盤上的配流窗口ap接通，配流窗口bp、cp與油箱接通。液壓油通過(guò)配流窗口ap流入增壓缸ag的低壓腔，推動(dòng)增壓柱塞a 向右運(yùn)動(dòng)，給高壓腔的油液增壓以驅(qū)動(dòng)負(fù)載;同時(shí)進(jìn)油增壓柱塞a的活塞桿通過(guò)滑靴對(duì)斜盤有一個(gè)作用力，該作用力的分力給斜盤提供了繞進(jìn)油端蓋中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，促使斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使回油柱塞b、c 向左運(yùn)動(dòng);此時(shí)增壓缸bg、cg的低壓腔油液通過(guò)配流窗口bp、cp流回油箱，其高壓腔則形成負(fù)壓，促使油液通過(guò)單向閥從油箱吸入高壓腔，完成增壓缸低壓腔回油、高壓腔進(jìn)油的過(guò)程。3 根增壓柱塞的運(yùn)動(dòng)使擺動(dòng)盤繞兩球面副的球心擺動(dòng)。當(dāng)其中心孔轉(zhuǎn)動(dòng)到與配流窗口ap、bp同時(shí)接通時(shí)，增壓缸bg已經(jīng)完成回油，此時(shí)與增壓缸ag一起進(jìn)油，增壓柱塞a、b 一起為斜盤提供轉(zhuǎn)矩，促使斜盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)增壓缸cg繼續(xù)回油，進(jìn)而使擺動(dòng)盤繼續(xù)繞球心擺動(dòng)，其中心孔繼續(xù)在配流窗口上運(yùn)動(dòng)，之后中心孔會(huì)依次與配流窗口bp，bp、cp，cp，cp、ap接通，完成增壓器的一個(gè)增壓周期。

向增壓器的Pin口不斷供液壓油，增壓器就重復(fù)上述過(guò)程，3 個(gè)增壓缸交替進(jìn)、回油，完成連續(xù)增壓。

2 三柱塞式液壓增壓器的增壓柱塞位移分析

由增壓器的工作過(guò)程可知:斜盤旋轉(zhuǎn)一周，3 根增壓柱塞都完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)。選取增壓柱塞a，計(jì)算其運(yùn)動(dòng)位移與斜盤轉(zhuǎn)角間的關(guān)系。

如圖4 所示，設(shè)增壓柱塞a 處在點(diǎn)A 時(shí)斜盤轉(zhuǎn)角φ 為0，此時(shí)增壓柱塞a 處在最左端，位移為0。R 為柱塞所在的分度圓半徑，h 為t =0 時(shí)斜盤上AC 兩點(diǎn)的軸向高度差，即增壓柱塞行程。當(dāng)斜盤轉(zhuǎn)過(guò)角度為φ 時(shí)，斜盤上的A、C 兩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到圖示點(diǎn)B、D 位置，此時(shí)增壓柱塞a 也運(yùn)動(dòng)到圖示A'位置。作斜盤此時(shí)過(guò)BD 連線的剖視圖如圖，圖中A'E 垂直于BD，因此點(diǎn)A'和點(diǎn)E 在剖視圖中重合，由此可知EF 的長(zhǎng)度即為AA'的長(zhǎng)度，即剖視圖中EF 的長(zhǎng)即為此時(shí)增壓柱塞a向左運(yùn)動(dòng)的位移ya。

圖4 柱塞位移與斜盤轉(zhuǎn)角關(guān)系圖

根據(jù)相似三角形原理有以下比例關(guān)系:

其中:BF=R-Rcosφ;

BG=R;

AA' =ya;

OG=h/2。

增壓柱塞a 的位移ya與斜盤轉(zhuǎn)角φ 間的關(guān)系如下:

同理，可得出增壓柱塞b、c 的位移yb、yc與斜盤轉(zhuǎn)角φ 間的關(guān)系:

從式(2)— (4)可看出:3 個(gè)柱塞的軸向位移是斜盤轉(zhuǎn)角φ 的函數(shù)，且為3 個(gè)相位不同的余弦函數(shù)。

柱塞位移為正時(shí)，對(duì)應(yīng)增壓缸進(jìn)油;位移為負(fù)時(shí)，對(duì)應(yīng)增壓缸回油。根據(jù)3 根柱塞的位移關(guān)系式，可以得出斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周(令增壓缸ag剛進(jìn)油時(shí)斜盤轉(zhuǎn)角為0)3 個(gè)增壓缸進(jìn)油時(shí)所對(duì)應(yīng)的斜盤轉(zhuǎn)角區(qū)間:

3 三柱塞式液壓增壓器的力學(xué)分析

3.1 進(jìn)油柱塞受力分析

如圖5 所示，在斜盤軸線與進(jìn)油端蓋中心軸線所在平面內(nèi)(斜盤軸線與中心軸線夾角為γ)，對(duì)進(jìn)油柱塞進(jìn)行受力分析。圖中p1A1為系統(tǒng)供給的液壓油作用在進(jìn)油柱塞上的油壓力，p2A2為負(fù)載作用力，此外，進(jìn)油柱塞對(duì)斜盤有一個(gè)方向沿斜盤軸線向外的作用力，因此進(jìn)油柱塞受到斜盤的反作用力Fxa。平衡時(shí)有:

求得進(jìn)油柱塞對(duì)斜盤的作用力:

圖5 進(jìn)油柱塞受力圖

3.2 斜盤受力分析

如圖6 (a)所示，在中心軸線和斜盤軸線所在平面內(nèi)將Fxa分解為沿中心軸線方向的分力Fa和垂直于中心軸線方向的分力Fr。計(jì)算得出:

圖6 (b)是垂直于中心軸線平面內(nèi)力的視圖，圖中R 為柱塞所在分度圓半徑，φ 為此時(shí)斜盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度，F(xiàn)a方向垂直紙面向外，F(xiàn)r方向與OA 連線夾角為φ。Fr對(duì)中心軸有轉(zhuǎn)矩作用，此轉(zhuǎn)矩使斜盤繞中心軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)回油柱塞回油。

圖6 斜盤受進(jìn)油柱塞作用力圖

3.3 斜盤轉(zhuǎn)矩計(jì)算

根據(jù)得出的3 個(gè)增壓缸對(duì)應(yīng)的進(jìn)油區(qū)間，計(jì)算斜盤在轉(zhuǎn)動(dòng)一周內(nèi)(令增壓缸ag剛進(jìn)油時(shí)斜盤轉(zhuǎn)角為0)所受轉(zhuǎn)矩。斜盤受力如圖7 所示。

圖7 斜盤受力圖

同理，可得出其他轉(zhuǎn)角區(qū)間斜盤轉(zhuǎn)矩:

根據(jù)表達(dá)式(10)繪制如圖8 所示曲線，圖中縱坐標(biāo)為斜盤所受轉(zhuǎn)矩T 與(Fr×R)的比值，其中(Fr×R)可視為定值。

圖8 斜盤轉(zhuǎn)矩曲線圖

從圖8 可以看出:增壓器在工作過(guò)程中，進(jìn)油柱塞能為斜盤提供持續(xù)且較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，促使斜盤連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，不停帶動(dòng)回油增壓缸回油，完成3 個(gè)增壓缸交替進(jìn)回油的循環(huán)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)增壓。

4 結(jié)論

(1)介紹的是一種新型的三柱塞式液壓增壓器，在結(jié)構(gòu)上不同于傳統(tǒng)的雙作用式連續(xù)增壓器，能脫離換向閥實(shí)現(xiàn)連續(xù)增壓;

(2)分析了增壓器增壓過(guò)過(guò)程中，3 根增壓柱塞位移與斜盤轉(zhuǎn)角間的關(guān)系，得出了柱塞的位移表達(dá)式;

(3)通過(guò)增壓器的力學(xué)分析，得到了斜盤所受轉(zhuǎn)矩。斜盤轉(zhuǎn)矩曲線表明:在進(jìn)油壓力一定的情況下，進(jìn)油柱塞能為斜盤提供持續(xù)、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)配流過(guò)程的連續(xù)，保證增壓器的連續(xù)工作。

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