新型三級壓力雙作用氣－液增壓裝置(泵)原理設計與分析

蘇萬清，鐘麗珠

(廣西水利電力職業技術學院，廣西南寧530023)

液壓技術具有系統體積小、質量輕、結構緊湊、功率大等諸多優點，在工農業、交通運輸、航空航天、海洋工程、礦產開采等領域得到廣泛應用。但液壓傳動要求液壓泵為保持系統壓力處于連續運行狀態，因此不僅造成系統功率浪費，而且增加液壓泵的磨損，降低使用壽命。相比之下，氣動技術以壓縮空氣作為工作介質，由于空氣具有較大的可壓縮性和較小的黏性，空氣的壓力勢能便于儲蓄和傳輸，使系統更容易實現保壓而保全功率;而且空氣是清潔和可循環利用的，所以氣壓傳動污染少，是一種“準綠色”的傳動技術，其優勢日益凸顯。但是，氣壓傳動也有一個自身難以克服的嚴重缺點，就是系統壓力不可能太高(一般pA=0.4 ～0.7 MPa)，因而往往容易造成系統壓力小、輸出動力不足或裝置體積過于龐大等問題?；谝陨显颍瘹鈩雍鸵簤杭夹g的優點，研發了一種具有3 級壓力輸出的雙作用氣－ 液增壓裝置(泵)。

1 新型三級壓力雙作用氣-液增壓裝置(泵)的組成和工作原理

新型三級壓力雙作用氣－液增壓裝置(泵)是一種將氣體的動力轉換成液體動力的能量轉換元件，它是利用靜壓傳遞原理，輸入較低壓力的氣體，經轉換后，以較高的液體壓力輸出。氣－ 液增壓裝置(泵)工作原理如圖1 所示。該裝置主要由活塞式液壓缸、柱塞式液壓缸、活塞式氣缸、順序閥、節流閥和單向閥組成［1］。

圖1 顯示，本裝置采用雙氣缸結構，活塞及缸體沿軸向方向由里到外對稱分布。中間至兩端依次為活塞式液壓缸及活塞、活塞式氣缸及活塞、柱塞式液壓缸及柱塞，其他氣動和液壓控制元件也基本呈對稱分布，壓縮空氣由氣動換向閥14 輸入，液壓油經增壓后由液壓換向閥3 輸出。氣動換向閥14 根據a 或b口傳來的氣壓信號(也可采用機動信號、行程控制)自動換向，氣缸活塞往復運動、自動循環(即所謂雙作用)，實現連續供油。

當壓縮空氣作用于氣缸21 活塞的右側(或氣缸23 活塞的左側)時，活塞整體向左(或右)運動，液體經單向閥13、9 (或單向閥15、19)吸入液壓缸22 的右腔(或左腔)和柱塞缸24 (或柱塞缸20)，同時，液壓缸22 的左腔(或右腔)和柱塞缸20 (或柱塞缸24)通過單向閥5、1 (或單向閥6、8)向外壓出液體，兩路匯合后進入執行機構，實現氣－液能量轉換;此時，因外界負載較小，裝置處于低壓、大流量工況工作，執行元件快速移動。隨著外界負載增大，系統壓力逐漸升高，氣動順序閥l0 (或18)在氣壓的作用下自動導通，壓縮空氣同時作用于氣缸21 活塞的右側(或氣缸23 活塞的左側)和氣缸23活塞的右側(或氣缸21 活塞的左側)，由原來的單缸作用變為雙缸作用;此時，液體的吸入和壓出情況與前述工況相同，但由于氣壓作用面積增加、作用力增大而提高液體的輸出壓力，裝置處于中壓、中流量工況工作(一次增壓)。當外界負載進一步增大，系統壓力進一步升高，液壓順序閥2 (或7)導通，柱塞缸卸荷，減小了液體壓力的作用面積;液壓缸20左腔(或右腔)通過單向閥5 (或單向閥6)單獨向外壓出高壓小流量液體，實現二次增壓，裝置處于高壓、小流量工況工作［2］。

圖1 新型三級壓力雙作用氣－液增壓裝置(泵)工作原理示意圖

2 工作特性分析

2.1 輸出壓力與輸出流量計算

設圖1 所示增壓裝置的輸入壓力為pq，各工況下的輸出壓力p 和輸出流量q 可由以下公式計算。

(1)低壓供油時的輸出壓力pL和輸出流量qL的計算公式:

(2)中壓(一次增壓)供油時的輸出壓力pM和輸出流量qM的計算公式:

(3)高壓(二次增壓)供油時的輸出壓力pH和輸出流量qH的計算公式:

式中:D1為氣缸內徑;

D2為中心液壓缸內徑;

d1為活塞桿直徑;

d2為柱塞直徑;

l 為活塞行程長度;

ηv為容積效率;

ηm為機械效率;

nL、nM、nH為分別為低壓、中壓和高壓時單位時間活塞往復行程數(次數/時間)，也稱為工作頻率。

上述式子表明:pH＞pM＞pL;若氣體輸入量恒定，顯然有:nL＞nM＞nH，即qL＞qM＞qH。

2.2 工作特性分析

該裝置的主要工作特性:

(1)氣動換向閥在氣壓信號的作用下自動換向，活塞往復運動并自動循環，實現雙作用，滿足對液壓系統連續、高效供油的要求;

(2)具有3 級壓力輸出，且可根據外界負載的變化進行高、中、低3 級壓力自動切換，匹配性能好，較大程度上滿足工程的實際需要(即對液壓系統多工況自動轉換的性能要求)，既能滿足液壓系統在大負載工況下的工作性能要求，在低負載工況下也不至于造成功率浪費;

(3)由于空氣具有壓縮性，使得氣－ 液增壓裝置具有蓄能器的功能，當外界負載與氣缸推力達到平衡時會自動保壓和蓄能，因此，在間歇性工況下，節能效果尤為突出，并減少了供油裝置的運行時間，提高使用壽命，同時可減緩液壓沖擊;

(4)調節節流閥11、17，可適當改變工作頻率n，從而改變裝置的輸出流量，增大執行元件的調速范圍;

(5)由于該裝置具有3 級壓力輸出且可自動切換，以及具有蓄能和自動保壓功能，有利于簡化液壓系統的組成，便于實現自動控制和系統集成化;

(6)該裝置的控制元件均呈對稱分布，在設計上較方便地與泵體連為一體，置于泵體內部，整體上提高了結構的集成度和整體性［3］;且便于采用閉式設計，油液封閉循環，油液蒸發及外泄少，故能顯著降低環境污染。

3 結束語

新型三級壓力雙作用氣－液增壓裝置(泵)是氣動和液壓技術有機結合、經優化組合而得到的裝置，集中了氣動和液壓技術的優點。該氣－液增壓裝置(泵)具有3 級液體壓力輸出并能實現自動轉換的功能，能滿足對液壓系統多工況的工作要求，利于節能。如采用閉式系統設計，將使結構更簡潔緊湊，環保效果更突出;對于采用壓縮空氣作為動力供給源的場合，使用氣－液增壓裝置(泵)尤為方便、安全和經濟。在綠色設計和制造理念日益深入人心的今天，氣－液增壓技術具有良好的推廣價值和廣闊的應用領域。

［1］李雪梅，丁峰．節能式增壓缸的設計與應用［J］．液壓與氣動，2006(9):40－41．

［2］吳宗澤．機械設計師手冊［M］．北京:機械工業出版社，2002．

［3］吳春玉，辛莉．液壓與氣動技術［M］．北京:北京大學出版社，2008(8):24－26．