一種無閥三柱塞式液壓增壓器的結構與分析

鄧斌，譚紅，柯堅，于蘭英，劉桓龍

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

液壓增壓器是一種用于提高液壓系統中工作壓力的元件，它其實是一種液壓放大器。在一個系統工作壓力較低的液壓系統中，僅當局部需要高壓時，不需要單獨采用高壓泵，可以使用液壓增壓器，使局部達到所需的工作壓力［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現單程增壓，液壓能利用率較低，流量脈動也較大［2］。雙作用式增壓器能實現連續增壓，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運動以實現連續增壓。若采用電磁換向閥換向，長時間工作，電磁線圈發熱，不僅影響閥的性能，還會導致油溫升高，嚴重時需要停機降溫，此外，在電源較遠的情況下，還需為增壓器單獨增設一套電路［3］;若采用液控換向閥換向，控制油路復雜，加大了增壓器設計制造的難度。

文中介紹一種新型的無閥結構三柱塞式液壓增壓器，能脫離換向閥使增壓器實現連續增壓。

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原理圖。增壓器主要是由旋轉斜盤1、滑靴2、柱塞套3、擺動盤4、進油端蓋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。旋轉斜盤與進油端蓋的端面間的推力軸承以及旋轉斜盤與進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原理圖

1.2 增壓器的關鍵部件

(1)配流盤

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

圖2 配流盤

(2)擺動盤

擺動盤的結構如圖3 所示，擺動盤左端與進油端蓋的中心軸用球面副連接，擺動盤的中心孔與進油端蓋的中心孔相通。3 根增壓柱塞a、b、c 的活塞桿分別穿過擺動盤上的3 個孔ak、bk、ck，并通過柱塞套與擺動盤連接，3 根柱塞交替往復運動，使擺動盤繞兩球面副的球心擺動。擺動盤的擺動，使其中心孔在三個配流窗口ap、bp、cp上連續運動，完成3 根增壓柱塞的交替進油。

圖3 擺動盤

1.3 增壓器的工作過程

如圖1 所示，給增壓器的Pin口供液壓油，此時擺動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。液壓油通過配流窗口ap流入增壓缸ag的低壓腔，推動增壓柱塞a 向右運動，給高壓腔的油液增壓以驅動負載;同時進油增壓柱塞a的活塞桿通過滑靴對斜盤有一個作用力，該作用力的分力給斜盤提供了繞進油端蓋中心軸轉動的轉矩，促使斜盤轉動，從而使回油柱塞b、c 向左運動;此時增壓缸bg、cg的低壓腔油液通過配流窗口bp、cp流回油箱，其高壓腔則形成負壓，促使油液通過單向閥從油箱吸入高壓腔，完成增壓缸低壓腔回油、高壓腔進油的過程。3 根增壓柱塞的運動使擺動盤繞兩球面副的球心擺動。當其中心孔轉動到與配流窗口ap、bp同時接通時，增壓缸bg已經完成回油，此時與增壓缸ag一起進油，增壓柱塞a、b 一起為斜盤提供轉矩，促使斜盤繼續轉動，帶動增壓缸cg繼續回油，進而使擺動盤繼續繞球心擺動，其中心孔繼續在配流窗口上運動，之后中心孔會依次與配流窗口bp，bp、cp，cp，cp、ap接通，完成增壓器的一個增壓周期。

向增壓器的Pin口不斷供液壓油，增壓器就重復上述過程，3 個增壓缸交替進、回油，完成連續增壓。

2 三柱塞式液壓增壓器的增壓柱塞位移分析

由增壓器的工作過程可知:斜盤旋轉一周，3 根增壓柱塞都完成一次往復運動。選取增壓柱塞a，計算其運動位移與斜盤轉角間的關系。

如圖4 所示，設增壓柱塞a 處在點A 時斜盤轉角φ 為0，此時增壓柱塞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 時斜盤上AC 兩點的軸向高度差，即增壓柱塞行程。當斜盤轉過角度為φ 時，斜盤上的A、C 兩點運動到圖示點B、D 位置，此時增壓柱塞a 也運動到圖示A'位置。作斜盤此時過BD 連線的剖視圖如圖，圖中A'E 垂直于BD，因此點A'和點E 在剖視圖中重合，由此可知EF 的長度即為AA'的長度，即剖視圖中EF 的長即為此時增壓柱塞a向左運動的位移ya。

圖4 柱塞位移與斜盤轉角關系圖

根據相似三角形原理有以下比例關系:

其中:BF=R-Rcosφ;

BG=R;

AA' =ya;

OG=h/2。

增壓柱塞a 的位移ya與斜盤轉角φ 間的關系如下:

同理，可得出增壓柱塞b、c 的位移yb、yc與斜盤轉角φ 間的關系:

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

柱塞位移為正時，對應增壓缸進油;位移為負時，對應增壓缸回油。根據3 根柱塞的位移關系式，可以得出斜盤轉動一周(令增壓缸ag剛進油時斜盤轉角為0)3 個增壓缸進油時所對應的斜盤轉角區間:

3 三柱塞式液壓增壓器的力學分析

3.1 進油柱塞受力分析

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

求得進油柱塞對斜盤的作用力:

圖5 進油柱塞受力圖

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。計算得出:

圖6 (b)是垂直于中心軸線平面內力的視圖，圖中R 為柱塞所在分度圓半徑，φ 為此時斜盤轉過的角度，Fa方向垂直紙面向外，Fr方向與OA 連線夾角為φ。Fr對中心軸有轉矩作用，此轉矩使斜盤繞中心軸旋轉，帶動回油柱塞回油。

圖6 斜盤受進油柱塞作用力圖

3.3 斜盤轉矩計算

根據得出的3 個增壓缸對應的進油區間，計算斜盤在轉動一周內(令增壓缸ag剛進油時斜盤轉角為0)所受轉矩。斜盤受力如圖7 所示。

圖7 斜盤受力圖

同理，可得出其他轉角區間斜盤轉矩:

根據表達式(10)繪制如圖8 所示曲線，圖中縱坐標為斜盤所受轉矩T 與(Fr×R)的比值，其中(Fr×R)可視為定值。

圖8 斜盤轉矩曲線圖

從圖8 可以看出:增壓器在工作過程中，進油柱塞能為斜盤提供持續且較穩定的轉矩，促使斜盤連續轉動，不停帶動回油增壓缸回油，完成3 個增壓缸交替進回油的循環過程，實現連續增壓。

4 結論

(1)介紹的是一種新型的三柱塞式液壓增壓器，在結構上不同于傳統的雙作用式連續增壓器，能脫離換向閥實現連續增壓;

(2)分析了增壓器增壓過過程中，3 根增壓柱塞位移與斜盤轉角間的關系，得出了柱塞的位移表達式;

(3)通過增壓器的力學分析，得到了斜盤所受轉矩。斜盤轉矩曲線表明:在進油壓力一定的情況下，進油柱塞能為斜盤提供持續、穩定的轉矩，實現配流過程的連續，保證增壓器的連續工作。

［1］甘茂治，康建設，高崎．軍用裝備維修工程學［M］．2 版．北京:國防工業出版社，2005．

［2］鄭澈，丁代存，單紹福，等．自動連續液壓增壓器研究與設計［J］．液壓與氣動，2010(5):75－77．

［3］隋文臣．液控雙作用增壓器的探討［J］．液壓與氣動，2004(10):59－61．

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［5］隋文臣．基于普通活塞式液壓缸組成的增壓器［J］．機床與液壓，2010，37(12):72－74，110．

［6］王興洲，徐超，何永森．增壓器全液壓自動換向裝置及其計算方法［J］．中南工業大學學報，2001(1):89－92．