一种基于动力耦合作动阀的三柱塞数字排量泵及变排量操作策略

本发明属于数字液压，具体涉及一种基于动力耦合作动阀的三柱塞数字排量泵及变排量操作策略。

背景技术：

1、柱塞变量泵是保证各种重大设备液压系统正常运行的核心原件。由于其一般基于模拟量控制方式进行变排量操作，导致其对工作环境极其敏感，极大提高了其制造技术门槛。柱塞变量泵由于死区体积、配流盘处泄露与剪切摩擦以及泵口节流等因素限制，导致了其低排量下工作效率极低的固有缺点。一方面继续迭代发展我国高性能液压元件制造技术可能使我国液压领域长期处在追赶世界先进技术阶段；另一方面，即使我国完成高性能液压元件的技术迭代，也无法消除传统柱塞变量泵的固有缺点。近年来，基于数字排量技术的数字排量泵/马达由于其全排量工作范围内高能效、工作环境敏感程度低的优点而被广泛关注。数字排量技术实现的基础单元称为数字配流单元，其由一个柱塞和两个高速开关阀组成，多个数字配流单元组合形成数字排量泵/马达。该技术通过独立控制配流单元的高速开关阀实现油液的吸排。数字排量泵/马达的功能实现依赖于低压损、快速响应的高速开关阀，因此其结构设计也根据高速开关阀的特殊结构具有很大差异。目前我国公开的数字泵技术中，应用于数字配流单元的开关阀多为商用插装式电磁阀，该类电磁阀不能同时兼顾低压损和快速响应性能，导致研发数字泵能效并不理想。

2、如图1所示，左图为上海交通大学研发的五柱塞径向数字排量马达，其设计特征为每个柱塞都配有两个高速开关阀，分别连接至液压系统高压端和低压端。工作过程中开关阀保持高频交替连续开关以实现排量调节。该技术类似电子技术领域中的占空比调速原理，通过控制阀门单周期内开启时间占比进而调节数字马达排量。该数字马达中开关阀工作特征为单柱塞行程内开关阀需要连续多次开关。

3、如图1所示为现有技术1，右图为太原科技大学设计的数字排量泵，其设计特征类似传统斜盘柱塞变量泵，柱塞沿圆周均匀分布，每个柱塞配置一个高速开关阀和一个单向止回阀，其中高速开关阀接入低压端，止回阀接入高压端。工作过程中当柱塞吸油时高速开关阀打开，油液由低压端被吸入柱塞腔内；当柱塞排油时，高速开阀关闭，柱塞腔内油液经止回阀泵送入高压油端，从而完成泵送功能。该设计中通过改变柱塞工作个数以及开关阀的启闭相位实现变排量控制。该技术对开关阀响应要求较低，一个柱塞行程内开关阀仅需要完成一次启闭。

4、上海交通大学数字马达方案对高速开关阀开关频率较高，使用过程中开关阀寿命难以保证，且由于阀门冲程较小，配流过程中会产生较高的节流损失，难以保证数字马达高能效特性。

5、太原科技大学数字排量泵方案比较符合数字排量理念，但是一方面其保留了斜盘柱塞泵的滑靴结构，低排量高压工作过程中的流体剪切与摩擦损失不可避免且对工作环境敏感性较高；另一方面其高压端口采用被动止回阀，其开关特性依赖于阀门两端压差，这意味着在该端口节流损失始终存在。另外，该设计采用电磁插装阀替代高速开关阀，开关阀压损和响应时间难以满足数字排量技术需求，该设计保留了数字排量技术的数字变排量控制特征，但是并不能发挥数字排量技术的高能效、工作环境不敏感的优点。

6、如图2所示，现有技术2为本发明人前期提出的基于动力耦合作动阀的数字配流机构概念，有如下3种缺陷：

7、1.耦合驱动缺陷：为线圈通电时，由于耦合铁芯横向尺寸较大造成瞬态响应中铁芯中的磁扩散现象不可忽略，在通电初期，会出现铁芯中央磁通远小于边缘磁通。铁芯表面磁通快速饱和是保证阀门快速响应的重要条件，对于大面积特征耦合铁芯而言，该结构无法保证开关阀快速响应。

8、2.密封缺陷：箱体中充满磁流变液，为防止磁流变液污染液压系统中的液压油，需要设置o-型圈密封磁流变液。一方面，平动件在工作过程中需要实现高频往复运动，因此o型圈既需要设计合适的压缩量保证密封效果，压缩量又不宜设计过大从而提高平动件的运动阻力；另一方面该种动密封方式不能完全保证磁流变液密封，在高频往复运动过程中总会由磁流变液沿o型圈配合间隙泄入液压系统。

9、3.开关阀缺陷：采用滑阀结构作为开关阀，基于该阀结构的数字配流单元在数字排量泵中存在两个缺陷：1.低压损滑阀阀芯需要阀芯具备更长的轴肩或更大通径的轴肩，这导致其相比于座阀阀芯的质量会成倍增加，从而导致响应速度降低。2.滑阀在工作过程中几乎不受系统压力影响，因此需要持续为驱动器通电来保证滑阀阀芯的位置，这增大了其电能损耗。

技术实现思路

1、本发明在基于动力耦合作动阀的数字配流机构概念上(现有技术2)重新设计数字配流机构，包括行列式对柱塞母泵的适配性、对密封结构，插装阀结构和耦合驱动结构的改进，降低了配流机构中阀门的瞬态响应时间与能量损失。此外，本发明给出数字配流机构的集成方案，形成多柱塞数字排量泵，并针对数字排量泵/马达给出变排量操纵策略。对于耦合驱动缺陷，本发明给出双线圈拓扑结构以减小磁扩散过程对开关阀瞬态响应带来的影响。对于密封缺陷，本发明提出一种新的柔性膜密封方式，将动密封转化为静密封，即实现磁流变液的完全密封，又降低了系统阻力。对于开关阀缺陷，本发明设计了适用与动力耦合作动器的低压损止回阀结构，且由该阀构成的配流机构能够充分柱塞腔与工作油口的压差保证阀芯位置，仅需在指定相位短时间通电即可实现开关阀启闭，从而极大降低工作过程中的电能损耗。

2、针对背景技术存在的问题，本发明设计了一种基于动力耦合作动阀的三柱塞数字排量泵/马达，包括行列式径向的三柱塞母泵，泵头，隔板，油封垫，主油封，密封填料，密封定位环，密封套，副油封，l型连接板和3组数字配流单元；

3、高压端口与液压油路的高压端连接；

4、低压端口与液压油路的低压端连接；

5、所述数字配流单元包括1个往复柱塞及2个高速开关阀；所述往复柱塞通过连杆连接在曲轴上；所述曲轴在转动过程中，各柱塞间保持120°相位差；所述泵头单侧设置有3个互不连通的柱塞腔，分别与母泵的柱塞对应；所述柱塞腔分别设置有油道支路，用于安装压力传感器；所述副油封嵌入密封套内，并与密封定位环、密封填料、主油封、密封垫圈依次套装在柱塞上；所述柱塞插装入泵头的柱塞腔内；所述母泵与泵头中间设置有隔板；所述l连接板固定在泵头下方；所述隔板分别与泵头和l连接板可拆卸连接，从而实现泵头与母泵的密封连接。隔板上开有3个连通柱塞的油孔，用于添加润滑机油。

6、本发明基于前述数字配流单元设计了行列式径向三柱塞数字排量泵(马达)，且该结构能够根据需求沿曲轴方向拓展至多柱塞数字排量泵(马达)。

7、在上述方案的基础上，所述数字配流单元包含底部回油盘，顶部回油盘，主阀块，密封连杆，薄膜密封结构，插装阀和动力耦合作动器；

8、所述底部回油盘固定在泵头上方，并设置有3个工作油孔和6个回油孔；3个工作孔分别与泵头的3个柱塞腔和主阀块底部的3个工作油口连接且互不连通，6个回油孔通过内部孔道连通至回油口；所述主阀块设置有6个插装阀孔，分别与底部回油盘的6个回油孔相对应，并与底部回油盘插装连接；每个插装阀孔的底部都开有密封槽，并设置有o型密封圈；所述底部回油盘与主阀块连接锁紧，通过压紧密封圈密封；所述主阀块的每个工作油孔分别通过斜孔与两侧的插装阀孔连通，使得每个柱塞腔直接连通2个开关阀，形成一组配流单元；

9、所述主阀块上方设置有垂直于插装孔的6个外部端口，每个外部端口对应一个插装阀孔且互不连通，所述外部端口用于插装阀与液压系统的高压端口或低压端口的连接；插装阀直接插装入主阀块的插装孔，底部嵌入底部回油盘的回油口插装槽中；每个柱塞腔配置的2个插装阀插装方向相反；插装阀外部开有密封槽，并嵌入o型圈；插装阀外壁与插装孔内壁紧密贴合，压紧o型圈；每组配流单元中的两个插装阀插装方向相反，取阀门开启方向为正方向，连接高压端口的插装阀正向插装，低压端口插装阀反向插装；所述顶部回油盘下方设置有6个回油口，6个回油口均通过内部孔道连通至回油口；顶部回油盘的6个回油口下方设置有插装槽，与所述主阀块插装连接；插装阀外壁与其内壁紧密贴合，通过压紧o型圈实现间隙密封；所述密封连杆一端与插装阀阀芯通过螺纹连接，另一端经顶部回油盘的回油口通过所述薄膜密封结构与动力耦合作动器连接。

10、在上述方案的基础上，所述插装阀包括弹簧，阀芯，插装阀套和一组阀芯滑道；

11、所述插装阀套外壁开有密封槽，用于安装o型圈；所述阀芯滑道分别设置插装阀套两端，用于约束阀芯；所述阀芯滑道连通底部回油盘的回油口，其上方的滑道设置有定位孔，用于限制阀芯开口度；阀芯与阀芯滑道配合面开有三个沟槽，用于防止油液从间隙泄漏；阀芯两端开有与密封杆连接的螺纹孔，弹簧用于使插装阀处于常开状态，且弹簧自然状态下无预紧力。

12、进一步地，所述阀芯与阀芯滑道采用间隙配合，间隙控制在0～13微米。本发明设计了适配动力耦合作动器的止回插装阀结构，阀芯具有更轻的质量，开关阀具有更高的额定流量。

13、在上述方案的基础上，所述薄膜密封结构包括密封座，密封膜，骨架，密封连杆和密封帽；所述密封帽将密封薄膜扣压在密封连杆上，骨架与密封连杆可拆卸连接并压紧密封帽与密封薄膜；所述密封薄膜留有足够的余量，并被密封座压合在顶部回油盘的回油口上方，密封座与顶部回油盘可拆卸连接；所述密封座与密封薄膜的接触面开有密封槽，内部设置有o型圈。

14、进一步地，密封薄膜使用3丝～5丝规格的强塑性pe材料，以降低系统运动阻力。

15、本发明所述薄膜密封结构将动密封系统转化为静密封系统，能够完全避免磁流变液泄漏，污染液压油路，且降低了系统运动阻力。

16、在上述方案的基础上，所述动力耦合作动器包含箱盖，转盘，轴承，轴承端盖，转轴，箱体，耦合铁芯；

17、所述箱体通过锁耳固定在顶部回油盘上；三组转盘固定在转轴上，转轴穿过箱体并通过箱体上设置的轴承座与轴承，y型密封圈，轴承端盖以及必要定位环形成旋转轴系结构；所述轴承端盖固定在箱体上；所述转盘沿径向设置有圆形耦合槽，骨架平行插入耦合槽内；所述骨架一端与插装阀连接，另一端通过箱盖上的线性轴承约束；所述骨架处于耦合槽中央，其两侧分别与转盘形成工作间隙；所述骨架上镶嵌入耦合铁芯，所述耦合铁芯中线圈接线端通过骨架侧面圆孔穿出并通过箱盖引出箱体，与外部激励电源相连。

18、进一步地，所述箱体内部充满磁流变液，为节约磁流变液，不参与工作的箱体内部空间安装有箱体填料。填料材料需保证密度小、磁绝缘，不易腐蚀。

19、在上述方案的基础上，所述耦合铁芯包含铁芯，主线圈，铁环，副线圈；所述主线圈通过铁环的小孔与副线圈串联，且两线圈电流方向相反。铁芯、工作间隙中的磁流变液、转盘和铁环形成闭合磁路，使磁感应线穿过铁芯与铁环，从而使铁芯和铁环与转盘间隙间的磁流变液固化，形成有效耦合工作面。副线圈嵌套在铁环外圈，其电流与主线圈流向相反，从而在铁环中形成相同方向的磁感应线，增加耦合面的磁通密度，并防止闭合磁路中磁通外泄。

20、进一步地，所述耦合铁芯的内外线圈匝数比为7:3。

21、本发明给出耦合铁芯的拓扑结构，能够显著提升动力耦合作动器的瞬态力学性能，显著降低了开关阀操纵时间。针对大面积耦合铁芯该拓扑思想能够扩展至多层线圈结构，保证系统瞬态力学性能。

22、第二方面，提供一种数字排量泵的变排量操作策略，具体包括均流比控制和行程比控制；

23、采用所述均流比方式控制时：三组配流单元独立工作，动力耦合作动器不通电时，泵处于空转状态，柱塞吸排油过程均经lp端口流入或者流出，此时柱塞泵排量为0；仅为一组配流单元的动力耦合作动器进行相位激励时，柱塞泵实现1/3排量，在两组配流单元同时工作和三组配流单元同时工作时，实现2/3排量和满排量；

24、采用所述行程比方式控制时：柱塞在吸油冲程时满排量工作，当柱塞处于排油冲程时，根据柱塞行程位置确定lp侧动力耦合驱动器激励相位，从而控制柱塞腔中油液返回lp的比例，从而控制单个配流单元的排量。

25、本发明的有益效果：

26、本发明所述数字排量泵/马达能实现全排量范围内数字变排量操纵。

27、本发明所述数字排量泵/马达全排量范围内工作效率在90％以上。

28、本发明所述数字排量泵/马达三组配流单元独立工作，互不影响，提高数字泵/马达使用的可靠性。

29、本发明所述薄膜密封结构能够完全避免磁流变液泄漏，污染油路系统。同时该结构降低了系统运动阻力。

30、本发明所述数字配流机构能够大量节约配流过程中的电能损耗与节流损失。

31、本发明所述耦合铁芯结构能够大幅度提高动力耦合作动器的瞬态力学性能，能够在短时间内达到驱动力饱和状态。