一種用于液壓電梯驅動系統的柱塞式液壓泵

秦培亮，王洋，，翁蕓嫻，竇云霞

(1.蘇州農業職業技術學院信息與機電工程系，江蘇蘇州 215008；2.蘇州大學機電學院，江蘇蘇州 215021)

目前，在工業領域廣泛應用的節流調速系統液壓調速技術，主要有定量泵與節流閥組成的節流調速系統以及由變量泵驅動的泵調速系統兩種。功率大、流量與壓力連續可調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構極為復雜，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，使用壽命與機械效率降低。此外，連接于柱塞下端的滑靴結構復雜，摩擦條件極其惡劣，加上復雜的配流系統等，使得柱塞泵的制造工藝極其復雜。傳統的斜盤式軸向柱塞泵還有一個不容忽視的致命缺陷，即流量不穩定，產生所謂脈動率，如欲降低流量脈動率，不僅需要增加柱塞的個數，而且需要柱塞的個數為質數，例如3、5、7、11、13、17、19、23等。過多數量的柱塞實際是一種無奈的選擇，不僅造成機構復雜，而且制造成本居高不下。液壓電梯的液壓驅動系統，是一種典型的需要連續調速的液壓系統，從節能及運行成本上考量，采用伺服變量軸向柱塞泵調速比較理想，但是，伺服變量軸向柱塞泵極其昂貴的價格以及故障率較高的因素，限制了其在液壓電梯的應用。

文獻 ［1－2］對利用toggle機構進行力放大的夾具及壓緊裝置進行了介紹，作者在此基礎上創新設計了一種結構簡單、成本低廉的、可連續調節流量與壓力的柱塞式液壓泵，在大幅度降低生產成本的前提下，使用壽命較傳統的斜盤式軸向柱塞泵顯著提高，以滿足液壓電梯等領域對低成本、低故障率變量柱塞泵的要求。

1 柱塞式液壓泵的組成

用于液壓電梯驅動系統的柱塞泵由雙輸出軸電機(雙輸出軸電機為雙輸出軸伺服電機和雙輸出軸交流變頻電機的一種)，兩個旋向相反、導程相同的滾珠絲杠及螺母，兩副對稱鉸接的肘桿，兩個對稱的柱塞，進排油回路及穩壓器 (穩壓器上接有數字壓力開關)等組成。雙輸出軸電機的兩個輸出端分別固定連接著兩個旋向相反、導程相同的滾珠絲杠，在兩個滾珠絲杠上配合地設置有相應的螺母，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，體現了對稱美學的原則。

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 液壓電梯驅動系統的柱塞泵 (即將進入排油狀態)

圖2 液壓電梯驅動系統的柱塞泵 (即將進入進油狀態)

圖1所示為柱塞泵的待供油輸出狀態，此時兩個容腔中充滿壓力油，當雙輸出軸電機分別帶動兩個旋向相反、導程相同的滾珠絲杠轉動，兩個螺母副在滾珠絲杠的帶動下朝相反方向運動，即上面一個螺母向下運動、下面一個螺母向上運動，此時有一個力作用于肘桿上，利用鉸桿的角度效應對該力進行放大，放大的力作用于柱塞上，左、右兩個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閉，同時上面的單向閥打開，實現壓力油輸出，排出壓力油，排油回路通過單向閥與穩壓器相通，穩壓器與外部液壓系統相接;待電機帶動滾珠絲杠螺母副工作到如圖2所示位置時，排油行程結束，雙輸出軸電機反向旋轉，此時上面一個螺母向上運動、下面一個螺母向下運動，會帶動左、右兩個柱塞同時向內側對稱運動，這時，左、右兩個容腔的容積擴大，形成負壓，油箱中的液壓油在大氣壓的作用下，打開下面的單向閥，分別進入左、右兩個柱塞的容腔內，進入進油工作行程，進油路通過單向閥與油箱相通，電機帶動滾珠絲杠螺母副工作到如圖1所示位置時，進油行程結束，轉而進入排油階段，如此循環工作。

3 力學計算

圖1、2所示的柱塞泵，輸出液體的壓力計算公式為:

其中:M為電機輸出轉矩;

d為柱塞直徑;

α為肘桿壓力角;

η為總機械效率。

由公式 (1)可見:液壓泵所輸出的壓力p，在轉矩M、絲杠導程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變化。

圖1、2所示柱塞泵的排量計算公式為:

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°的變化區間內，是一個非線性遞減的函數，所以α1與α2即使差值相同，在不同位置時，泵的排量也是不一樣的。α1與α2在較大的區間取值時，排量較大;在較小的區間取值時，排量較小。綜合公式 (1)、(2)可以看出:通過控制系統，使得α在取值較大的區間內運行，可以得到低壓大流量泵;反之，使得α在取值較小的區間內運行，可以得到高壓小流量泵。

4 柱塞式液壓泵的優點及創新點

由于文中柱塞泵的動力元件為伺服電機和交流變頻電機的一種，并通過對稱的絲杠－螺母－肘桿機構推動柱塞運動，所以，通過數控編程控制伺服電機的角位移，完全可以任意選擇α所在的區間，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的轉速，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連續進行數字化控制與調節，非常適合需要對壓力及流量進行頻繁調整的場合，尤其適用于液壓電梯等需要大功率、連續調速的設備。

文獻［4］公開了一種對稱肘桿驅動的雙作用柱塞泵，但該雙作用柱塞泵僅僅表示了最后一級機械傳動裝置，如果加上前端的減速機構與驅動電機，就會發現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構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。文中柱塞泵的創新點在于:通過采用雙輸出軸的伺服電機或交流變頻電機，驅動對稱布置的絲杠－螺母－肘桿機構，繼而推動兩個柱塞同時進行向里或向外的對稱運動，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進行自動化控制與調節，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，柱塞運動過程的摩擦方式極為簡單，不僅能夠顯著延長其使用壽命，而且能夠提高機械效率，有利于節能。

5 結束語

介紹一種用于液壓電梯驅動系統的柱塞式液壓泵，該泵功能較為完善，對稱結構，柱塞泵的出口連接了液壓穩壓器，因此，能夠以穩定的流量向液壓執行系統輸出壓力液體。此外，液壓穩壓器上連接了數字壓力開關，可以根據壓力的變化來進行自動化控制，使得所輸出的壓力能夠滿足不同的需要。雙輸出軸電機－絲杠－螺母－肘桿機構與柱塞液壓泵裝置極為緊湊地集成在一起，加上數控系統或交流變頻等控制系統，以及穩壓器、壓力開關等，形成了一種機電液一體化的新型液壓動力元件裝置。這種新型的液壓動力裝置，與傳統的帶有伺服變量的斜盤式軸向柱塞泵相比，生產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.基于桿件可重構的角度效應增力夾具系統的設計［J］.機床與液壓，2012，40(5):117 －118.

［2］秦培亮，王洋，鐘康民.基于直線電機驅動的恒增力杠桿與二次正交toggle機構的壓緊裝置［J］.機械制造，2013(8):75－76.

［3］林文煥，陳本通.機床夾具設計［M］.北京:國防工業出版社，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.