一种无阀三柱塞式液压增压器的结构与分析.pdf

2 0 1 5年 5月 第 4 3 卷 第 l 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 2 5 一 种无阀三柱塞式液压增压器的结构与分析 邓斌 ，谭红，柯坚，于兰英 ，刘桓龙 西南交通大学机械工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要对一种新型无阀结构的三柱塞式连续液压增压器进行了结构及工作原理分析，在增压柱塞位移与斜盘转角间的 关系和力学分析的基础上得到了斜盘转矩的表达式。斜盘转矩曲线表明在进油压力一定的情况下，进油柱塞能为斜盘提 供持续、稳定的转矩 ，实现配流连续，保证增压器的正常连续工作。 关键词 增压器 连续增压；三柱塞式 中图分 类号 T P 1 3 7 ． 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 0 - 0 8 1 - 3 Co mp o ne n t s a nd An a l ys i s o f a Ne w Thr e e - c y l i nd e r Tur b o c ha r g e r DE NG B i n，T AN Ho n g ，KE J i a n，YU L a n y i n g ，L I U Hu a n l o n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e wo r k i n g p r i n c i p l e a n d c o mp o n e n t s o f a n e w t h r e e - c y l i n d e r h y d r a u l i c t u r b o c h a r g e r w h i c h h a d n o v a l v e w e r e a n a l y z e d ．T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d i s p l a c e me n t o f t h e c y l i n d e r s a n d t h e a n g l e o f t h e i n c l i n e d d i a l wa s s t u d i e d ．T h e t o r q u e o f t h e i n c l i n e d d i a l wa s r e a c h e d b y t h e d y n a mi c s a n a l y s i S a b o u t t h e n e w h y d r a u l i c t u r b o c h a r g e r ．Th e t o r q u e c u r v e o f t h e i n c l i n e d d i a l s h o ws t h a t w h e n t h e p r e s s u r e o f s u p p l i e d o i l i s e q u al ，t h e t o r q u e o f t h e i n c l i n e d d i a l wh i c h i s s u p p l i e d b y t h e c y l i n d e r s i s s t e a d y a n d c o fi t i n u o u s ； t h e w o r k i n g o f t h e n e w h y d r a u l i c t u r b o c h a r g e r i s c o n t i n u o u s ． Ke y wo r d s T u r b o c h a r g e r ；C o n t i n u o u s b o o s t i n g p r e s s u r e；T h r e e c y l i n d e r 液压增压器是一种用于提高液压系统中工作压力 的元件 ．它其实是一种液压放大器。在一个系统工作 压力较低的液压系统中，仅当局部需要高压时，不需 要单独采用高压泵 ，可以使用液压增压器 ，使局部达 到所需 的工作压力 ⋯。 常见的增压器分为单作用式和双作用式 ，单作 用式增压器 只能 实现单程增压 ，液压 能利用率较 低 ，流量脉 动也较 大 l 2 ] 。双作 用式 增 压 器能 实 现连 续增压 ．液压能的利用率较高。双作用式增压器一 般是利用换 向阀换向使双作用式增压缸往复运动以 实现连续增压。若采用电磁换 向阀换 向，长时间工 作 ，电磁线 圈发 热 ，不 仅影 响阀 的性 能 ，还 会 导致 油温升高，严重时需要停机降温 ，此外，在电源较 远的情况下 ．还需为增压 器单独增设一套 电路[ 3 ] ； 若采用液控换向阀换 向，控制油路复杂 ，加大了增 压 器设计 制造 的难度 。 文 中介 绍一种 新型的无阀结构三柱塞式液压增压 器 ，能脱离换向阀使增压器实现连续增压。 1 三柱塞式液压增压器工作原理 1 ． 1增压 器 的组成 图 1 所示为三柱塞式液压增压器的系统原理 图。 增压器主要是由旋转斜盘 1 、滑靴 2 、柱塞套 3 、摆 动盘 4 、进油端盖 5 、配流盘 6 、3根增压 柱塞 7 、柱 塞缸体 8以及增压缸高压腔出口阀组组成。旋转斜盘 与进油端盖的端面间的推力轴承以及旋转斜盘与进油 端盖的中心轴间的向心轴承图中未画出。 l 一 旋转斜 盘 2 一 滑靴 6 一 配流盘7 一 增压柱 图 1 三柱塞式液压增压器系统原理图 1 ． 2增压器的关键部件 1 配流盘 三柱塞式 液压增 压器 配流盘 结构如图 2 所示 。配 流盘右端固定在柱塞缸体上，左端与摆动盘用球面副 连接 。配流盘上有 3 个 配流窗 口 a 。 、b 。 、C 。 ，配流 窗 口右 端分别 与增压 器 的 3个 增 压 缸 a 、b 、C 的低 压腔相通 。进 油增 压缸 的配流窗 口左 端与 摆动盘 中心孔 相通 。回 油增 压缸的配流 窗 口左 端暴露在进油端盖里， 与油箱相通。 国 图 2 配流盘 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 - 1 8 作者简介邓斌 1 9 6 4 一 ，博士生导师，主要研究方向为机电液一体化。E - m a i l b i n d h o m e ． s w j t u ． e d u 。 8 2 机床与液压 第4 3卷 2 摆动盘 摆动盘 的结构如图 3 所示 ．摆动盘左端与进油端 盖 的中心轴用球面副连接 ．摆动盘的中心孔 与进油端 盖 的中心孔相通 。3 根增压 柱塞 a 、b 、C的活塞杆分 别穿过摆动盘上的3个孑 L a b 、c ，并通过柱塞套 与摆 动 盘 连接 ，3根 柱 塞 交替往 复 运动 ，使 摆 动盘 绕两 球 面 副 的球 心 摆 动。 摆动盘 的摆动 ，使 其 中心 孔在三个 配流窗 口 a 、b 、 c 上 连 续 运 动 ，完 成 3根 增压柱塞的交替进油。 1 ． 3 增 压 器的工作 过程 图 3 摆 动盘 如 图 1 所示 ，给增 压器 的 P ． 口供 液压油 ，此 时 摆 动盘 中心 孔仅 与配 流盘 上 的配 流窗 口 a 接 通 ，配 流窗 口b 、c 与油箱接通 。液压油通过配流窗 口 a流p 人增 压缸 a IT 的低压腔 ，推动增压柱塞 a 向右运 动 ，给 高压腔的油液增压 以驱动负 载 ；同时进油 增压柱塞 a 的活塞杆通过滑靴对斜盘有一个作用力 。该作用力的 分力给斜盘提供了绕进油端盖中心轴转动的转矩 ，促 使斜盘转动 。从而使 回油 柱塞 b 、C向左 运动 ；此 时 增压缸 b 、C 的低压腔油液通过 配流窗 口 b C 流 回 油箱．其高压腔则形成负压 ，促使油液通过单向阀从 油箱吸人高压腔 ．完成增压缸低压 腔回油 、高压腔进 油的过程。3 根增压柱塞的运动使摆动盘绕两球面副 的球心摆动 。当其 中心孔转动到与配流窗 口 a b 。 同 时接通 时 ，增 压缸 b 已经 完成 回油 ，此时 与增 压缸 a 一起进油 ，增压柱塞 a 、b一起为斜盘提供转矩 ， 促使斜盘继续转动 ，带动增压缸 c 继续回油，进而使 摆动盘继续绕球 心摆 动 ，其 中心孔继续在配流窗 口上 运动 ，之后 中 心孔 会 依 次 与 配 流 窗 口 b ，b C ， C ，C 、a接通 ，完成增压器 的一个增压周期 。o 向增压器的 P ； 口不 断供液压油 ，增压器就重复上 述过程 ，3 个增压缸交替进 、回油 ，完成连续增压。 2三柱塞式液压增压器的增压柱塞位移分析 由增压器的工作过程可知 斜盘 旋转一周 ，3根 增压柱塞都完成一次往复运动。选取增压柱塞 a ，计 算其运动位移与斜盘转角间的关系。 如 图 4所示 ．设 增压柱 塞 a 处在点 A时斜盘转角 为 0 ，此时增压柱塞 a 处在最左端 ，位移为 0 。R为 柱塞所在 的分度 圆半径 ．h为 t 0时斜 盘上 A c两 点 的轴向高度差 ，即增压柱塞行程 。当斜盘转过角度为 时 ，斜盘上 的 A 、C两点运动到图示点 、D位 置 ， 此时增压柱塞 a 也运 动到图示 A 位置 。作斜盘此时过 B D连线的剖视图如图 ．图中 A E垂直 于 B D，因此点 A 和点 E在剖视图 中重合 ，由此可知 E F的长度 即为 A A 的长度 ．即剖视 图中 E F的长 即为此 时增 压柱塞 a 向左 运动的位移 Y 。 、＼ ／ 图4 柱塞位移与斜盘转角关系图 根据相似 三角形原理有 以下 比例关 系 C 1 G O G B 、 其中B F R R c o s 6； BGR； ， _y ； OGh ／ 2。 增压柱塞 a的位移 Y 与斜 盘转 角 咖间 的关 系如 下 y h 1- c o s b 2 同理 ，可得 出增压柱 塞 b 、C的位移 Y 、Y 与斜 盘转角 间的关系 y 了 h [ 1 _ c o s 咖 ] 3 y 了 h [ 1 - c 0 s j 4 从式 2 一 4 可看 出 3个 柱塞 的轴 向位 移是斜盘转角 的函数 ，且为 3个相位不同的余弦 函数 。 柱塞位 移 为正 时 ，对 应增 压 缸 进 油 ；位 移 为 负 时 ，对应增压缸 回油 。根据 3根柱塞 的位 移关 系式 ， 可 以得 出斜 盘转 动一周 令增 压缸 a 刚进油 时斜 盘 转角为 0 3 个增压缸进油时所对应 的斜盘转角 区间 增压缸 a s 进油区间[ O ，竹 ] ； 增 压 由 矾 1 0 , 2 竹 ] ； 增 压 缸 c 进 油 区 间 [ 莩 ， 挚 ] 。 3 三柱塞式液压增压器的力学分析 3 ． 1 进油柱塞受力分析 如图 5所示 ．在斜 盘轴 线与进 油端盖 中心轴 线所 在平面 内 斜盘轴线 与 中心 轴线夹 角为 y ，对进 油 柱塞进行受 力分 析 。图中 p ． A ． 为 系统供 给 的液压 油 作用在进油柱塞上的油压力，P ， A ， 为负载作用力，此 外 ．进油柱塞对斜盘有一个方 向沿斜盘轴线 向外 的作 用力 ，因此进油柱塞受 到斜 盘 的反作 用力 F 平衡 时有 ， ＼ 一 第 1 O期 邓斌 等 一种无 阀三柱 塞式 液压增压器的结构与分析 8 3 Pl Al - p2 A2 F c o s T 求得进油柱塞对斜盘 的作用力 Pl Al - p2 A2 ，x a 一 5 6 ． 图 5 进 油柱塞受力图 3 ． 2 斜盘受力分析 如 图 6 a 所 示 ，在 中心轴 线和斜 盘 轴线所 在 平面内将 F 分解为沿中心轴线方向的分力 F 和垂直 于中心轴线方向的分力 F 。计算得出 F F c o s T 7 F F s i n y P l A 1 - p 2 A 2 t a n y 8 图 6 b 是 垂直 于 中心 轴线 平 面 内力 的视 图 ， 图 中 为柱塞所在分度 圆半径 ，西为此时斜盘转过 的 角度 ，F 方 向垂 直纸 面 向外 ，F 方 向与 连线 夹 角为 。F 对中心轴有转矩作用，此转矩使斜盘绕中 心轴旋转。带动回油柱塞回油。 f ／ ／ ＼ 、 一 ／ ，／ 图 6 斜 盘受进 油柱塞作用力图 3 ． 3 斜盘转矩计算 的进 篙 妥 篓 竺 ，／ ，／ x 、 的 进 油 区 间 ， 计 算 斜 盘 在 转 动 一 ， ／、＼ 0杂 转 角 为 所 受 转 矩 。 斜 盘 受 力 ，／ 、 如图 7 所示 ” 、 ～一 ／ 由图 7可 知 ，当斜盘 转 角 图 7 斜盘受力图 为 l 0 ， 詈 l时 ， 增 压 缸 a g b 进 油 ， 计 算 出 此 时 斜 盘 s i s in 詈 Frx n 詈 9 Frx R s i n 孚 咖 o ≤ 咖 ≤ j j F i 詈 ≤ ≤ 了2 “i7 F 熘 s in 一 詈 ≤ 咖 F R i c 一 竽 ， c 竹 ≤ 西 ≤ 竽 ‘ 。 F i n 帅 ≤ ≤ F s in 咖 一 了4 rr 了 5 r r ≤ ≤2 订 根据表 达式 1 0 绘 制如 图 8所示 曲线 ，图中 纵坐标为斜 盘所受 转矩 与 F R 的 比值 ，其 中 F 尺 可视为定值 。 图 8 斜盘转矩曲线图 从图 8可以看出 增压器 在工作过程 中 ，进油 柱 塞能为斜盘提供持续且较稳定的转矩．促使斜盘连续 转动 ．不停 带动回油增 压缸 回油 ．完成 3 个增压缸 交 替进 回油的循环过程 ，实现连续增压。 4结 论 1 介 绍的是 一种新 型 的三柱塞式 液压增压 器 ， 在结构上不 同于传统 的双作用式连续增压器 ，能脱离 换向 阀实现连续增压 2 分析了增压器增压过过程中，3根增压柱塞 位移与斜盘转角间的关系，得出了柱塞的位移表达式； 3 通 过增 压器 的力 学分 析 ，得 到 了斜 盘所 受 转矩。斜 盘转 矩 曲线 表 明 在进 油压 力 一 定 的情 况 下 ，进油柱塞能为斜盘提供持续 、稳定的转矩 ，实现 配流过程的连续 ，保证增压器的连续工作 。 参考文献 [ 1 ]甘茂治， 康建设， 高崎． 军用装备维修工程学 [ M] ． 2版． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ]郑澈， 丁代存 ， 单绍福， 等． 自动连续液压增压器研究与 设计[ J _ ． 液压与气动， 2 0 1 0 5 7 5 7 7 ． [ 3 ]隋文臣． 液控 双作用增压器 的探讨 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 1 0 5 9 6 1 ． [ 4 ]隋文臣． 自控式双作用增压器的研究[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 4 9 1 0 6 1 0 8 ． [ 5 ]隋文臣． 基于普通活塞式液压缸组成的增压器 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 7 1 2 7 2 - 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