一种对称通轴式定量轴向柱塞泵及其控制方法与流程

本发明属于液压泵设备技术领域，涉及一种柱塞泵及其控制方法，特别是涉及一种对称通轴式定量轴向柱塞泵及其控制方法。

背景技术：

一部完整的机器主要由原动机、传动机构和工作机三部分组成。传动机构通常分为机械传动、电气传动和流体传动；流体传动是以流体为工作介质进行能量转化、传递和控制的传动，包括液体传动和气体传动。而实现流体传动的液压泵有齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、活塞泵等类型。

柱塞泵是一种容积泵，通过柱塞在缸体内的往复运动，改变缸体内密闭空间的大小从而实现液体的吸入与排出。由于其主要运动部件为圆柱形，易于加工和保证较高的配合精度，因而能保证在较高的工作压力下仍有较高的容积效率。径向柱塞泵和轴向柱塞泵是柱塞泵中最为常见的类型，轴向柱塞泵是液压系统中的重要设备，以高效率、方便变量等优势广泛应用于工业设备、工程机械、行走车辆等领域。其中，轴向柱塞泵又可分为斜盘式轴向柱塞泵和斜轴式轴向柱塞泵。当缸体轴线和传动轴轴线重合时，称为斜盘式轴向柱塞泵；当缸体轴线和传动轴轴线形成夹角时，称为斜轴式轴向柱塞泵。

轴向柱塞泵的优点为参数高、效率高、寿命长、变量方便且形式多、单位功率的重量轻、柱塞泵主要零件均受压应力且材料强度性能可得以充分利用。轴向柱塞泵的缺点为结构较复杂，零件数较多、自吸性差且压力波动性大，制造工艺要求较高、成本较贵，噪音大。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有轴向柱塞泵噪声水平过高、流量和压力波动较大以及轴向力较大等缺陷以及生产成本高等不足，提出一种对称通轴式定量轴向柱塞泵及其控制方法，在不增加体积的情况下增加了柱塞的数目，采用了自密封结构，简化了泵体结构，减少了轴向力，使输出更为平稳，可有效解决压力脉动等技术缺陷，可有效降低噪音，进一步降低生产成本。

本发明的技术方案是：一种对称通轴式定量轴向柱塞泵，其特征在于：所述定量轴向柱塞泵由传动轴、轴承、轴向定位套、壳体组件、中间壳体、传动球副、缸体部件、柱塞支座、柱塞和配流盘构成；所述柱塞支座连接设置在传动轴的中部，所述柱塞支座的圆周方向设有若干个圆柱通孔，所述圆柱通孔内均匀交错设有左球铰支座和右球铰支座，所述柱塞支座的左端设有左传动球副，所述柱塞支座的右端设有右传动球副，所述左传动球副外侧设有左缸体部件，所述右传动球副外侧设有右缸体部件；所述左缸体部件和右缸体部件均由缸套、缸体、轴向定位环和球副轴向定位件构成，所述球副轴向定位件设置在缸体的内部，所述轴向定位环对球副轴向定位件进行轴向定位后通过沉头螺钉连接固定在缸体的右端面上，所述缸体的左端面圆周方向上设有若干个缸套安装孔，所述缸套设置在所述缸套安装孔内，所述左缸体部件中的缸套与左球铰支座之间设有左柱塞，所述右缸体部件中的缸套与右球铰支座之间设有右柱塞，所述左传动球副左侧设有左轴向定位套，所述右传动球副右侧设有右轴向定位套，所述左轴向定位套左侧设有左轴承，所述右轴向定位套右端设有右轴承，所述左轴承上套设有左壳体组件，所述右轴承上套设有右壳体组件，所述左壳体组件和右壳体组件的内端面均带斜盘的倾斜式结构，所述左壳体组件的斜盘上一端设有左端壳压油窗口，另一端设有左端壳吸油窗口；所述右壳体组件的斜盘上一端设有右端壳压油窗口，另一端设有右端壳吸油窗口，左端壳吸压油窗口与右端壳吸压油窗口形成相位角；所述左壳体组件与左缸体部件之间设有左配流盘，所述右壳体组件与右缸体部件之间设有右配流盘，所述左配流盘、右配流盘通过弹性圆柱销分别与左壳体组件、右壳体组件上的斜盘结构相连接，所述中间壳体通过连接螺栓连接固定在左壳体组件与右壳体组件之间，所述中间壳体的外部设有进油口和出油口，所述中间壳体内部设有中间吸油槽和中间压油槽，所述进油口与中间吸油槽相连通，所述出油口与中间压油槽相连通，所述中间吸油槽的左端与所述左端壳吸油窗口相连通，所述中间吸油槽的右端与所述右端壳吸油窗口相连通，所述中间压油槽的左端与所述左端壳压油窗口相连通，所述中间压油槽的右端与所述右端壳压油窗口相连通。

所述传动轴的中部设有花键，与之配合连接的柱塞支座、左传动球副和右传动球副中心均设有花键孔。

所述左柱塞和右柱塞的结构相同，左右柱塞的一端为球形结构，另一端为半球形结构，球形结构与半球形结构的内部设有相互连通的细长孔，球形结构与左右球铰支座铰接连接且能自润滑，半球形结构与缸套形成滑动密封连接。

所述左轴承的左外侧设有垫圈和密封圈。

所述左缸体部件和右缸体部件、左传动球副和右传动球副、左柱塞和右柱塞、左球铰支座和右球铰支座均以柱塞支座为中心呈轴对称设置。

所述左端壳吸压油窗口与右端壳吸压油窗口形成相位角，相位角的取值范围为3～15°。

所述左柱塞和右柱塞的个数相同，均为7～12个。

所述左配流盘和右配流盘的倾斜角度相同，倾斜角度为3～9°。

一种对称通轴式定量轴向柱塞泵的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)轴向柱塞泵的机构运动过程；

(1-1)当外界的动力给传动轴提供动力，传动轴形成旋转运动，传动轴传递扭矩给左传动球副、右传动球副以及柱塞支座；

(1-2)左传动球副、右传动球副、柱塞支座分别带动左缸体部件和右缸体部件作旋转运动和微小摆动、左右柱塞等速旋转运动；

(1-3)缸套与左右柱塞之间同时作相对移动和摆动完成吸油和压油动作；

(2)轴向柱塞泵的吸压油过程；

(2-1)右壳体组件中从柱塞X1至柱塞X6形成吸油，每个柱塞和缸套形成的容腔由小逐渐变大，在吸油窗口内完成吸油过程；

(2-2)右壳体组件中从柱塞P1至柱塞P6形成压油，每个柱塞和缸套形成的容腔由大逐渐变小，在压油窗口内完成压油过程；

(2-3)由于中间壳体内部设有中间吸油槽和中间压油槽，中间吸油槽的左端与左端壳吸油窗口相连通，中间吸油槽的右端与右端壳吸油窗口相连通，中间压油槽的左端与左端壳压油窗口相连通，中间压油槽的右端与右端壳压油窗口(27)相连通，通过中间吸压油槽连通的油路实现吸压油过程；

(2-4)左壳体组件的吸压油过程与右壳体的吸压油过程形成超前或滞后动作的相位角；

(3)轴向柱塞泵的润滑和密封过程；

在压油过程中，压力由小变大，迫使柱塞内腔在油压作用下沿其径向发生微量胀大，柱塞外球面与缸套内壁形成滑动的线接触，并实现密封；同时，通过柱塞中部的细长孔实现柱塞与球铰支座的自润滑。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种对称通轴式定量轴向柱塞泵及其控制方法，柱塞泵结构新颖，控制方法原理清晰，在不增加体积的情况下增加了柱塞的数目，简化了泵体结构，柱塞数量多且相对于柱塞支座对称布置，形成了自润滑和自密封结构，该泵体脉动小、有效降低了噪音、轴向力，与传统的斜盘泵、斜轴泵相比，其质量更轻，生产的成本更低，关键在于其有效解决了压力脉动等技术缺陷，输出更为平稳，进一步降低了生产成本。

附图说明

图1 为本发明整体全剖结构示意图。

图2 为本发明中壳体组件全剖结构示意图。

图3 为图2中A-A方向的中间壳体移出断面结构示意图。

图4 为图2中B-B方向的左壳体组件断面结构示意图。

图5 为图2中C-C方向的右壳体组件断面结构示意图。

图6 为图3中D-D方向剖后旋转90°的中间壳体结构示意图。

图7 为图5中E-E方向全剖结构示意图。

图8 本发明中柱塞支座连同柱塞和球铰支座的全剖结构示意图。

图9 为图8中F-F方向的全剖结构示意图。

图10 为本发明中球铰支座与柱塞支座的装配结构示意图。

图11 为本发明中缸体部件的结构示意图。

图12 为本发明中柱塞的动作顺序示意图。

图中：传动轴1、密封圈2、垫圈3、左轴承4、左配流盘5、左传动球副6、左缸体部件7、中间壳体8、柱塞支座9、右缸体部件10、右传动球副11、右配流盘12、右轴承13、右轴向定位套14、右壳体组件15、连接螺栓16、右柱塞17、左柱塞18、左壳体组件19、左轴向定位套20、进油口21、出油口22、中间吸油槽23、中间压油槽24、左端壳压油窗口25、左端壳吸油窗口26、右端壳压油窗口27、右端壳吸油窗口28、斜盘29、弹性圆柱销30、左球铰支座31、右球铰支座32、花键孔33、圆柱通孔34、缸套35、缸体36、沉头螺钉37、轴向定位环38、球副轴向定位件39、缸套安装孔40、细长孔41。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～图11所示，一种对称通轴式定量轴向柱塞泵，由传动轴1、轴承、轴向定位套、壳体组件、中间壳体8、传动球副、缸体部件、柱塞支座9、柱塞和配流盘构成；柱塞支座9连接设置在传动轴1的中部，柱塞支座9的圆周方向设有若干个圆柱通孔34，圆柱通孔34内均匀交错设有左球铰支座31和右球铰支座32，柱塞支座9的左端设有左传动球副6，柱塞支座9的右端设有右传动球副11，左传动球副6外侧设有左缸体部件7，右传动球副11外侧设有右缸体部件10；左缸体部件7和右缸体部件10均由缸套35、缸体36、轴向定位环38和球副轴向定位件39构成，球副轴向定位件39设置在缸体36的内部，轴向定位环38对球副轴向定位件39进行轴向定位后通过沉头螺钉37连接固定在缸体36的右端面上，缸体36的左端面圆周方向上设有若干个缸套安装孔40，缸套35设置在缸套安装孔40内，左缸体部件7中的缸套35与左球铰支座31之间设有左柱塞18，右缸体部件10中的缸套35与右球铰支座32之间设有右柱塞17，左传动球副6左侧设有左轴向定位套20，右传动球副11右侧设有右轴向定位套14，左轴向定位套20左侧设有左轴承4，右轴向定位套14右端设有右轴承13，左轴承4上套设有左壳体组件19，右轴承13上套设有右壳体组件15，左壳体组件19和右壳体组件15的内端面均带斜盘29的倾斜式结构，左壳体组件19的斜盘29上一端设有左端壳压油窗口25，另一端设有左端壳吸油窗口26；右壳体组件15的斜盘29上一端设有右端壳压油窗口27，另一端设有右端壳吸油窗口28，左端壳吸压油窗口与右端壳吸压油窗口形成相位角；左壳体组件19与左缸体部件7之间设有左配流盘5，右壳体组件15与右缸体部件10之间设有右配流盘12，左配流盘5、右配流盘12通过弹性圆柱销30分别与左壳体组件19、右壳体组件15上的斜盘结构相连接，中间壳体8通过连接螺栓16连接固定在左壳体组件19与右壳体组件15之间，中间壳体8的外部设有进油口21和出油口22，中间壳体8内部设有中间吸油槽23和中间压油槽24，进油口21与中间吸油槽23相连通，出油口22与中间压油槽24相连通，中间吸油槽23的左端与左端壳吸油窗口26相连通，中间吸油槽23的右端与右端壳吸油窗口28相连通，中间压油槽24的左端与左端壳压油窗口25相连通，中间压油槽24的右端与右端壳压油窗口27相连通。

如图1所示，一种对称通轴式定量轴向柱塞泵，传动轴1的中部设有花键，与之配合连接的柱塞支座9、左传动球副6和右传动球副11中心均设有花键孔33。左右缸体部件7、柱塞支座9以及左右传动球副8由传动轴1带动做等角速度旋转，保证左右柱塞与缸套35的圆周等角速度转动；球副轴向定位件39使得缸体部件与传动球副沿球副表面产生左右摆动，并通过缸体部件的内花键与传动球副的外花键相啮合，实现圆周动力的传递。传动轴、左右缸体部件、柱塞以及左右传动球副的花键数目取决于安装于柱塞部件上双铰柱塞组件的数量；同时安装在柱塞支座左右的双铰柱塞组件之间的相位角度也与传动轴与左右缸体部件、柱塞部件以及左右传动球副的花键数目有关。比如当柱塞支座左右的双铰柱塞组件数量分别为12个时，如要有相位差，比如相差15°，则花键数目为12齿。

如图8所示，一种对称通轴式定量轴向柱塞泵，左柱塞18和右柱塞17的结构相同，左右柱塞的一端为球形结构，另一端为半球形结构，球形结构与半球形结构的内部设有相互连通的细长孔41，球形结构与左右球铰支座铰接连接，半球形结构与缸套形成滑动密封连接。在充入高压液体时，迫使左右柱塞（半球形结构一端）内腔在油压作用下，沿其径向发生微量涨大，柱塞外球面与缸套内壁形成滑动的线接触密封。

如图1所示，一种对称通轴式定量轴向柱塞泵，左轴承的左外侧设有垫圈3和密封圈2；左缸体部件7和右缸体部件10、左传动球副6和右传动球副11、左柱塞18和右柱塞17、左球铰支座31和右球铰支座32均以柱塞支座9为中心呈轴对称设置。缸套通过过盈配合与缸体固联，通过球副轴向定位件与传动球副配合实现缸体部件的运动，完成一周范围内双铰柱塞与缸套的相对运动与液体的泵入、泵出；左右缸体部件与左右配流盘构成配流副与油路。

如图1所示，一种对称通轴式定量轴向柱塞泵，左端壳吸压油窗口与右端壳吸压油窗口形成相位角，相位角的取值范围为3～15°。

如图8所示，一种对称通轴式定量轴向柱塞泵，左柱塞18和右柱塞17的个数相同，均为7～12个；左配流盘5和右配流盘12的倾斜角度相同，倾斜角度为3～9°。

如图1所示，一种对称通轴式定量轴向柱塞泵的控制方法，包括如下步骤：

(1)轴向柱塞泵的机构运动过程；

(1-1)当外界的动力给传动轴1提供动力，传动轴1形成旋转运动，传动轴1传递扭矩给左传动球副6、右传动球副11以及柱塞支座9；

(1-2)左传动球副6、右传动球副11、柱塞支座9分别带动左缸体部件7和右缸体部件10作旋转和微小摆动；柱塞等角速度与缸套等角速度旋转实现路径：传动轴与柱塞支座、传动球副通过花键连接，同时驱动柱塞支座、传动球副与其等角速度旋转；而传动球副与缸体部件也是通过花键连接的，他们也是等角速度旋转的。因此，当传动轴1转动时，固定于柱塞支座上的柱塞等角速度与缸体部件等角速度旋转。

(1-3) 缸体部件的轴向摆动实现路径：不论配流盘固定或改变角度，缸体部件的端面总是和配流盘配合，他们之间既有相对旋转运动，又要起到密封作用，实现液体泵入、泵出的需要或流量改变的需要。传动球副与球副轴向定位件相配合，球副轴向定位件通过轴向定位环固联在缸体上。当传动轴带动传动球副与配流盘产生相对旋转运动时，配流盘推动球副轴向定位件进而带动缸体部件产生相对摆动，实现柱塞与缸套的相对运动，再通过配流盘上的吸油窗口、压油窗口以及相关油路，实现液体的泵入与泵出。缸套与左右柱塞之间同时作相对移动和摆动完成吸油和压油动作；

(2)轴向柱塞泵的吸压油过程(以图4中的右壳体组件、图12中的白色柱塞为例)；

(2-1)右壳体组件15中从柱塞X1至柱塞X6形成吸油，每个柱塞和缸套35形成的容腔由小逐渐变大，在吸油窗口内完成吸油过程；

(2-2)右壳体组件15中从柱塞P1至柱塞P6形成压油，每个柱塞和缸套35形成的容腔由大逐渐变小，在压油窗口内完成压油过程；

(2-3)由于中间壳体8内部设有中间吸油槽23和中间压油槽24，中间吸油槽23的左端与左端壳吸油窗口26相连通，中间吸油槽23的右端与右端壳吸油窗口28相连通，中间压油槽24的左端与左端壳压油窗口25相连通，中间压油槽24的右端与右端壳压油窗口27相连通，通过中间吸压油槽连通的油路实现吸压油过程；

(2-4)左壳体组件的吸压油过程与右壳体的吸压油过程形成超前或滞后动作的相位角；

(3)轴向柱塞泵的润滑和密封过程；

在压油过程中，压力由小变大，迫使柱塞内腔在油压作用下沿其径向发生微量胀大，柱塞外球面与缸套内壁形成滑动的线接触，并实现密封；同时，通过柱塞中部的细长孔实现柱塞与球铰支座的自润滑。

实施例1

一种对称通轴式定量轴向柱塞泵，每转排量为120ml，柱塞数量为24个，配油盘的倾斜角度为9°，转速为2000r/min。

运行效果如下：

(1)泵的输出更加平稳，脉动小：只有斜盘泵、斜轴泵流量脉动的1/4。

(2)效率高：在2000r/min的转速下，传动效率为92.4%。

(3)噪声低：约67dbA。

(4)质量轻：约20KG，而斜轴泵约为26KG，斜盘泵约为50KG。