专利名称：一种电控变量柱塞泵及其泵控液压系统的制作方法
技术领域：
液压系统是一种流体动力传输系统，广泛应用于工业领域的各个方面，而液压系统的动力装置是其关键组成部分，很大程度上决定了系统的静、动态特性。本发明正是针对液压系统的动力装置提出了一种新型的变量泵，以及应用这种泵的泵控系统，特别是一种电控变量柱塞泵及其泵控系统。
背景技术：
现有的液压系统中的动力装置主要是液压泵，它是由原动机驱动的，将输入的电能或机械能转换为液压能，以压力和流量的形式输送到系统中去。液压泵一般由(旋转) 电动机带动，也有用其他动力机械(柴油机、汽油机、燃气机、蒸汽机等)带动的。液压泵按主要运动部件的形状和运动方式可分为齿轮式、叶片式、螺杆式、径向柱塞式、轴向柱塞式等。按工作容腔周期性变化而吸入和排出的液体容积是否恒定，又可分为定量泵和变量泵。 恒压变量泵的压力在全部流量范围内几乎是保持恒定的，其压力设定也是按系统工作工况的最高压力点设计的，实际系统的功率浪费较大。现有的柱塞泵的柱塞在缸体柱塞孔中作往复运动时，由柱塞与缸体上的柱塞孔组成的密闭工作容腔发生容积变化而实现吸、排油过程。根据柱塞和柱塞孔在缸体中的不同排列形式，柱塞泵分为径向式和轴向式两大类。轴向柱塞泵因柱塞的轴线与缸体的轴线平行，通常安放在缸体上的柱塞孔为5 11个(柱塞泵采用奇数柱塞以减少压力脉动)，且一周均勻分布。有阀式配流、端面配流、轴配流方式，端面配流的斜盘泵和斜轴泵是目前使用最广泛的柱塞泵。液压系统中也常常将电机和泵组装在一起构成油泵电机组。采用变量泵调节流量具有一定的节能效果，近年来使用越来越广泛。实现调节参数变化的机构称为变量机构，根据变量机构操纵力的形式，可分为手动、机动、电动、液控和电液控制等形式，按调节方式区分有压力控制、流量控制、功率控制等方式，本质都是改变液压泵的排量来实现变量，减少多余流量。现有的液压系统的调速一般有节流调速、容积调速和联合调速。节流调速回路是采用定量泵、流量阀、溢流阀和执行元件等组成的调速回路，通过调节流量阀改变进入或流出执行元件的流量来达到调速的目的，缺点是流体介质通过节流口时，能量损失大、效率低、发热量大。容积调速回路是通过改变液压泵或液压马达的排量来调节执行元件运动速度的回路，该回路中液压泵输出流量与负载流量相适应，没有溢流损失和节流损失，有定量泵变量马达、变量泵一定量马达、变量泵-变量马达三种，缺点是结构局限，响应慢，动态特性不理想。上述液压传动系统的基本知识可以参考教材《液压元件与系统》(李壮云主编，机械工业出版社，2005年8月第2版，书号ISBN 7-111-06871-8)，也可参考其他教材，以及各期《机床与液压》(CN44-1259/TH)的中文杂志。近年来，随着电气元器件的快速发展，电机的变频调速技术也在液压调速系统中有所体现，产生了诸如变频调速变量系统。通过变频调速手段实时改变电机的转速，从而改变液压泵的流量输出，达到调速的目的。缺点是频响不高，动态特性不理想。常规液压系统都是由动力装置(液压泵)、控制元件(液压阀)、执行元件(液压缸、液压马达)、负载对象、管路和辅助元件等组成，液压伺服系统还要有专门的控制器、传感系统等组件。由于负载和外扰动的存在，液压系统动力装置在实际工况下提供的瞬时流量，总是不可能与需要的流量完全匹配，从而产生了多余流量。多余流量为正，则要通过溢流或泄漏来消耗掉；多余流量为负，则要加大动力装置的流量输出或加大阀的开口去满足负载的要求。理想的情况就是需要多少流量，动力装置就提供多少流量，并且是及时的提供才能不形成多余流量。液压系统的效率低，能耗大，发热多等问题，本质上是多余流量造成的，不需要的流量必需排出去，造成泄漏损失和溢流损失，需要的流量得不到满足时(多余流量为负)，会造成负载驱动力不足，功率下降，还可能产生气蚀。现有的变量柱塞泵、变量叶片泵或其他变量泵的泵控系统，都是依靠变量机构来反应系统的流量需求的瞬时变化，做到快速反应是很困难的，前述的变频调速变量系统也同样反应较慢。另外，液压系统绝大部分都是节流控制，流量和压力的减少要通过节流口的减小来实现，节流损失巨大，都转化为热量了。而容积调速、变频调速都由于泵的变量机构和变频电机本身的频响低、反应慢，造成较多的瞬时多余流量，动态性能的提高也受到限制。本发明正是针对常规液压系统存在的问题，提出一种新型的电控变量柱塞泵以及相应的泵控系统，实现较快响应系统压力、流量等信息的变化，减少系统多余流量，同时能实现非节流控制，从而整体提高液压系统效率，减少能耗，同时能有助于系统的动态性能的改善。
发明内容
针对液压系统存在的多余流量带来的问题，本发明提出一种新型的电控变量柱塞泵及其泵控系统，将现有技术的柱塞泵的一个电动机带动所有相同的柱塞进行相同方式运动的集中式控制，改变为多个电动装置带动多个柱塞组的分散式控制，使得泵的流量输出和压力输出的控制更加精细，同时能够快速地响应液压系统对流量输出和压力输出的需求，提高了效率和控制精度，适时减少系统的多余流量，并使得整个液压系统构成和布置更加灵活，控制策略的实现方式更加多样。本发明的一种电控变量柱塞泵，包括泵壳、缸体、柱塞孔、柱塞组、机械连接装置、 电动装置、驱动器、进油通道、出油通道、进油阀、出油阀，缸体安装在泵壳中，柱塞孔分布在缸体中，柱塞与柱塞孔之间是动密封，柱塞、柱塞孔、进油阀和进油通道、出油通道和出油阀组成工作腔，柱塞孔中的柱塞的往复运动使得工作腔发生容积变化，实现吸油、排油，所述的泵至少有两组柱塞组，每组柱塞组至少一个柱塞，每组柱塞组由对应的一个电动装置驱动；驱动器根据控制量驱动各电动装置，电动装置通过机械连接装置驱动柱塞组的柱塞在柱塞孔中往复运动。本发明的电控变量柱塞泵的各个柱塞组之间的吸油和排油过程是相互独立的，所有柱塞组的吸、排油过程的叠加和合成构成了泵的吸油过程、排油过程。本发明的电控变量柱塞泵的机械连接装置，其一端连接电动装置，另一端同时连接一个柱塞组中的各柱塞的一端。本发明的电控变量柱塞泵的柱塞孔的轴线在缸体中的分布不限制在一个柱面上或一个平面上。本发明的电控变量柱塞泵的各柱塞组中的各单个柱塞可以选择不同的特征尺寸， 所述的柱塞组中的柱塞可以是套接结构。本发明的电控变量柱塞泵的电动装置输出的是旋转运动或直线运动，还可以是可逆的。本发明的一种电控变量柱塞泵的叠加结构形式，是由底板和底板上面的多个叠加单元组成，每个叠加单元包括一个或多个柱塞组及对应的机械连接装置、电动装置，每个叠加单元内部分布有柱塞孔以及与之联通的进油阀和进油通道、出油阀和出油通道，各层内部的进油通道相互联通并和底板上的进油通道联通，各层内部的出油通道也相互联通并和底板上的出油通道联通，驱动器驱动各柱塞组的电动装置。本发明的一种电控变量柱塞泵的泵控液压系统，包括所述的电控变量柱塞泵、传感系统、控制器、液压执行元件和负载对象，传感系统检测出负载对象的输出信号作为反馈信号，控制器接收传感系统的反馈信号和外部控制指令，并依据内置的控制算法生成控制量，电控变量柱塞泵的驱动器接收到控制器生成的控制量，驱动器提供相应的驱动电流和电压给电动装置，电动装置通过机械连接装置带动对应的柱塞组运动并产生相应的压力和流量输出，各柱塞组压力和流量输出叠加和合成泵的总的压力和流量输出，并推动液压执行元件来驱动负载对象作功。本发明提出的一种电控变量柱塞泵，是由泵壳、缸体、柱塞孔、柱塞组、机械连接装置、电动装置、驱动器、进油通道、出油通道、进油阀、出油阀组成，同时还要有油路接口、信号接口、电路接口，以及轴承等一些辅助部件共同组成。一般液压泵都会有个泵壳，也就是泵的壳体，它具有自身的安装、定位部位来固定整个泵，内部有空间能包容和安装缸体和柱塞组件、轴承等部件。泵壳上还要有出油接口、 进油接口的安装位置，有电路接口、信号接口的安装位置，以及驱动器、电动装置、机械连接装置的安装位置和相应的外部、内部空间。泵壳要有足够的强度承受内部、外部所施加的力。缸体安装在泵壳之中，缸体上分布有柱塞孔。有些缸体还可以和泵壳设计为一体， 但此时的缸体中可嵌入一个柱塞套与柱塞配合来充当柱塞孔的作用。柱塞套的材料选择上要能与柱塞的运动匹配，缸体的其余部分的材料就可以选择经济一些的。缸体的全部材料和结构要有足够的强度承受柱塞组和流体介质的作用力。柱塞孔是能与柱塞形成封闭的工作空间的腔体，其长短要完全满足柱塞全行程的运动，其形状与柱塞匹配，能保证柱塞运动的顺利，同时柱塞孔的内壁与柱塞之间有动密封，一般此动密封可选择间隙密封形式。若选择间隙密封，柱塞与柱塞孔之间的间隙设计要合理，间隙太小液压油膜的形成困难，可能会有干摩擦；间隙太大，压力油会从缝隙中大量泄漏。间隙设计的目的就是要保证柱塞与柱塞孔的内壁之间能够顺利地相对运动，泄漏小。 间隙大小的设计，以及柱塞表面上的平衡槽等细节结构的设计加工，现有的加工和设计技术都能够解决这些问题了。本发明中泵的工作腔就是指每个柱塞孔与对应的柱塞，以及相应的进油通道和进油阀、出油通道和出油阀共同构成的封闭的腔体。工作腔的体积在泵的工作过程中是不断变化的。泵的每个工作腔通过各自的进油通道和进油阀、出油通道和出油阀分别与整个泵所在的液压系统的回油回路、出油回路连接。整个泵所在的液压系统的回油回路是接液压系统油箱的低压油回路，提供给泵的吸油的，泵的柱塞组的进油通道与之连接；整个泵所在的液压系统的出油回路是液压系统提供给执行机构的高压油的压力回路，泵的柱塞组输出的压力油的出油通道与之连接。本发明的泵的工作腔的体积随柱塞在柱塞孔中的运动位置的变化而变化。当柱塞在柱塞孔中所占体积增大，其工作腔的容积就变小，介质受挤压，工作腔内的压力增大，当压力大到出油阀的开启压力时，工作腔排油。工作腔内的流体介质受到越多的挤压，工作腔通过出油通道和出油阀对外排油就越多。当柱塞在柱塞孔中所占有体积减小，其工作腔的容积就变大，工作腔内的流体介质的压力就减小，压力小到进油阀的开启压力时，工作腔吸油。工作腔内的的容积越大，工作腔通过进油阀和进油通道向内吸油就要越多。当工作腔需要吸油时，进油阀开启、出油阀关闭；当工作腔需要排油时，出油阀开启、进油阀关闭。进油阀、出油阀的开、闭可以按设定压力自动进行或受外部控制动作。柱塞在柱塞孔中的往复运动将实现流体介质在工作腔中被吸入、被挤出，进而完成整个柱塞组的吸、排油过程，所有柱塞组的吸、排油过程的叠加和合成就构成了整个泵的吸油过程、排油过程。本发明的一种电控变量柱塞泵的柱塞组，由一个或多个柱塞组成，构成一个独立的运动单元。本发明的一种电控变量柱塞泵的各个柱塞组之间的吸油过程和排油过程是相互独立的。可以同时让部分柱塞组排油，而让另一部分不动作、慢动作、快动作或吸油，或者它们同时排油但动作的速度、加速度不同；各柱塞组的吸油过程也可不同，柱塞组吸油的快慢、吸油的启停位置、启停时刻可以不同。这样，各个柱塞组的输出控制很灵活，泵输出的压力和流量的调节和也就很灵活，这一过程也不同于现有技术的柱塞泵的所有柱塞的相同的周期性的往复动作、相同的周期性地吸油、排油。各个柱塞组之间的吸油和排油过程是相互独立的，就是各个柱塞组的运动参数是各自独立变化的，也就是各个柱塞组的运动状态的变化和别的柱塞组的运动状态的变化不干涉，但同一时刻的泵的各柱塞组的所有各自独立的压力和流量的变化的叠加和合成，构成了泵的总的压力和流量的输出。上述的叠加和合成是指各柱塞组的吸油过程和排油过程中的动态过程是不同的，某一时刻的各柱塞组的吸油过程的相加或排油过程的相加即为叠加；若其中有部分柱塞组吸油，另部分柱塞组排油，两者的汇总、相加即为合成。泵的总的瞬时压力和流量的输出就是某一时刻的各柱塞组单元的压力和流量的输出的动态过程的和。柱塞组的运动参数是描述柱塞组中柱塞的运动的位置、速度、加速度、力等运动有关的参数。柱塞组的运动方式是柱塞组的启动、加速、减速、勻速、停止等动作方式。每一种运动方式都可以用相应的运动参数随时间变化的规律来描述。通过磁尺、电位计等其它测量装置，每一个柱塞的位置等运动参数都可以很方便地测量出来，为柱塞组的运动控制提供条件。通过改变指定可动作的柱塞组、改变柱塞组的运动参数，以及这些改变的组合，就可以适时而灵活地控制电控变量柱塞泵的压力、流量等输出参数。本发明的一种电控变量柱塞泵的柱塞组中的柱塞，是一个能够在柱塞孔中运动的实体。其材料要保证它具有一定的强度，能够机械加工，能够适应液压介质，能够在压力负荷的变化下正常运动。柱塞的形状一般是圆形的(现有技术的柱塞泵的柱塞都是圆形的)， 也就是实体的垂直截面是圆形的，但也可以设计成非圆形的，包括它的垂直截面是椭圆形、 菱形、长方形、正方形、环形、多边形等其他形状，只要能够在柱塞孔中往复运动即可。柱塞孔是和柱塞的形状、尺寸相匹配的，能保证两者的可装配，同时能实现有效的相对运动，两者之间有动密封。如果动密封采用间隙密封，重要的是要能构成良好的运动间隙的配合，符合耐磨性要求和油膜形成条件，泄漏还要尽量小。柱塞与柱塞孔的特征尺寸是表征柱塞与柱塞孔的形状的关键尺寸，如圆柱柱塞和柱塞孔的公称直径、有效长度；椭圆柱塞的长径、短径、有效长度；方形柱塞的边长、有效长度等关键尺寸；环形柱塞的内外公称直径、有效长度等。柱塞公称直径是指柱塞的外径的基本尺寸，柱塞孔公称直径为柱塞孔的内径的基本尺寸。有效长度是指柱塞的留缸长度与最大行程之和，留缸长度是指运动过程中需保留在缸孔中的最小柱塞长度，其值不能为零或负，否则柱塞就可能脱离柱塞孔。本发明的一种电控变量柱塞泵的各柱塞组中的各个柱塞，可以设计成具有不同特征尺寸的组合。一个柱塞组内部的各个柱塞的特征尺寸可以是相同的或不相同的，柱塞组之间的柱塞的特征尺寸也可以是相同的或不相同的，形成多种可选择的组合，为系统设计和控制算法的灵活留下巨大空间。 本发明的一种电控变量柱塞泵的柱塞组中的每一个柱塞，是通过机械连接装置与电动装置连接的，每个柱塞组中的所有柱塞的一端共同连接在一个机械连接装置的一端。机械连接装置的作用是将电动装置的动力可靠地传递给每一个柱塞组，其一端同时连接一个柱塞组中的每一个柱塞的一端，另一端连接一个电动装置。这种机械连接能够将电动装置的动力传递到柱塞上，将电动装置输出的机械能传递给每一个柱塞，带动柱塞在柱塞孔中运动，柱塞挤压各自工作腔中的流体介质，转化为流体介质的压力能。本发明的一种电控变量柱塞泵，至少有两组柱塞组，每组柱塞组至少有一个柱塞， 每组柱塞组由对应的一个电动装置驱动。本发明的一种电控变量柱塞泵的柱塞组，由一个或多个柱塞组成，构成一个独立运动单元，每个柱塞组的各柱塞拥有共同的动力来源，也就是共同一个电动装置提供的驱动力，各个柱塞组内部拥有的柱塞个数(柱塞数)可以不同。电动装置提供的驱动力是通过对应的机械连接装置传递给各自的柱塞组。本发明的一种电控变量柱塞泵的柱塞组可以是套接结构。套接结构是指柱塞公称直径大的柱塞内部设计成中空的柱塞孔结构，可以再装一个公称直径小一些的柱塞，这些大、小柱塞之间可以相对运动，有动密封结构，有对应的进、出油路。这种套接结构还可以循环套接，多个柱塞不断套接成一个柱塞组，或多个相同结构形式的柱塞组一组套一组地套接，或者一个柱塞组内部分套接、部分不套接。本发明的一种电控变量柱塞泵的柱塞孔分布在缸体中，在缸体中的分布和布置很
7灵活。由于各个柱塞组之间的运动、结构是相互独立的，柱塞孔也是结构上相互独立的，柱塞孔在泵的缸体中的排列和分布只要不影响柱塞组的吸油、排油过程和内部油路的设计， 其在缸体中的排列和分布不受限制。现有技术的柱塞泵，其径向柱塞泵的柱塞和柱塞孔是沿着圆形缸体的回转轴线的径向方向布置的，所有柱塞和柱塞孔的中轴线分布在垂直于缸体回转轴线的一个平面上； 现有技术的轴向柱塞泵的柱塞或柱塞孔是彼此平行的，柱塞和柱塞孔的中轴线是均勻地分布在缸体回转轴线的一周的一个圆柱面上的。本发明的一种电控变量柱塞泵的各柱塞和柱塞孔的中轴线之间的相对位置可以是平行的，也可以是不平行的、不在一周上。各柱塞和柱塞孔的中轴线在空间的位置没有限制，可以是垂直、平行、相交等其它方位，只要保证柱塞在柱塞孔中的运动正常、吸排油通道不相互干涉且畅通，并能够和机械连接装置可靠连接即可。这也给缸体和泵壳的结构设计带来很大的灵活性，只要满足安装环境，外观和形状可以灵活变化。甚至还可以借助液压叠加阀、液压插装阀、液压多路阀的概念设计多种结构形式的泵。本发明的一种电控变量柱塞泵的电动装置，它是能够将电能转化为机械能的装置。本发明中的电动装置可以是旋转电机、直线电机、电磁驱动装置等形式的电力驱动装置，电动装置相应的输出的运动方式是旋转运动或直线运动，也可以是其它种类的合成运动。所谓合成运动是指不同方向上的不同运动形式在一个运动体上的合成，例如螺旋运动就是平面上的旋转运动和垂直平面方向上的直线运动的合成。本发明的一种电控变量柱塞泵的电动装置，其输出端与机械连接装置连接，并通过机械连接装置将动力传递给柱塞组，驱动柱塞组往复运动。每个柱塞组对应一个电动装置，最终的各柱塞组的往复运动是直线的往复运动，是对应的电动装置通过机械连接装置的变换、传递得到的推力和拉力带动的。当电动装置的输出的是旋转运动时，机械连接装置能将这种旋转运动变换为直线运动(如滚珠丝杠)，同时将动力传递给柱塞组；当电动装置的输出的是直线运动时，机械连接装置能将这种直线运动动力直接传递给柱塞组；当电动装置的输出的是复合运动时，机械连接装置能将这种复合运动变换为直线运动，同时将动力传递给柱塞组。 本发明的一种电控变量柱塞泵的电动装置，还可以是可逆的。也就是说该电动装置能够将电能转化为机械能并通过机械连接装置传递给柱塞组，实现柱塞组的直线运动； 反过来也能将柱塞组直线运动的机械能通过机械连接装置传递回来，再通过电动装置转变为电能，并通过驱动器反向传输给电能存储系统。这种可逆的能量转化将使得系统更加节能，为系统多余的液压能转化为电能的再利用提供途径。此时，泵所在的液压系统在油路设计上要能够保证多余的液压流量能进入工作腔，反推柱塞组中的柱塞在柱塞孔中直线运动，通过机械连接装置带动电动装置产生一定量的电能。此时的相应的驱动器、机械连接装置也需要有相应的可逆运动的设计。 本发明的一种电控变量柱塞泵的各电动装置，是由驱动器根据给定的控制量驱动的。驱动器提供给各电动装置功率输出所需的电动能量，驱动器要满足各电动装置在额定功率内的各种运动的功率需求，并控制电动装置的运动方式和运动参数。电动装置的启动、 加速、减速、勻速、停止等运动方式，以及相应的运动参数(加速度、速度、力、力矩、扭矩等) 的实现都是由驱动器给定和控制的。
泵的一个驱动器驱动泵的所有电动装置，并通过机械连接装置驱动对应的柱塞组的运动，这种方式已不同于现有技术的柱塞泵的柱塞在柱塞孔中的往复运动。现有技术的往复运动是一种旋转电动机带动下的重复的周期性的往复运动，它们的柱塞在柱塞孔中主要做一种重复的、相同运动方式的直线运动。本发明的柱塞泵的柱塞的运动，虽然总体上每个柱塞的吸油、排油过程也对应着柱塞的有去、有回的往复运动，但已没有固定的往复运动周期，而是由驱动器强制的指令性的运动。各柱塞组的电动装置的功率大小、结构形式、结构参数与相应的柱塞组匹配。在保证液压系统额定压力和最大流量需求的原则下，柱塞组中的柱塞数、柱塞公称直径和柱塞有效长度等特征尺寸将影响电动装置的驱动功率的大小的选定，使得柱塞组的中的柱塞运动速度、加速度和力等运动参数能按需要有相应的变化。各电动装置的驱动功率可以按照上述原则灵活选配。在电动装置是可逆的时候，其驱动器、机械连接装置也要有相应的可逆的设计，保证电能的产生和反向传输给电能存储系统。为了液压系统的集成化，本发明的一种电控变量柱塞泵可以设计成叠加结构形式。本发明的电控变量柱塞泵的叠加结构形式称为电控变量柱塞叠加泵。电控变量柱塞叠加泵由多个叠加单元组成，其最下面一层的叠加单元为底板，底板的上面叠加有多层叠加单元，各叠加单元内部分布有柱塞孔以及对应的与之联通的进油阀和进油通道、出油阀和出油通道，所有叠加单元之间的内部的进油通道都相互联通，所有叠加单元之间的内部的出油通道也相互联通，各层之间有静密封结构保证叠加单元的各进、出油通道的连接处不泄漏，所有叠加单元通过贯穿于各叠加单元中的连接螺钉孔，并用螺钉相互紧固叠加在一起构成了整个电控变量柱塞叠加泵。每个泵有一个驱动器，驱动器接收控制器设定的控制量后，给各叠加单元的电动装置提供相应的驱动电流和电压。底板是一层特殊的叠加单元。底板上有进油口、出油口，进油口与泵所在的液压系统回油回路及油箱连接，出油口与泵所在的液压系统的高压油的压力油路连接，提供压力油给所在的液压系统。底板上有泵的固定所需的螺钉孔，以及叠加单元之间连接的通孔或螺钉孔。底板上的进油口、出油口分别与其内部对应的的进油通道、出油通道联通。每个柱塞组的各柱塞通过机械连接装置与各自的电动装置连接，在驱动器接收到控制量后，驱动器提供给所有电动装置各自相应的驱动电流和电压，柱塞组的柱塞在电动装置的驱动下作往复直线运动。柱塞和柱塞孔以及进油阀和进油通道、出油阀和出油通道共同组成工作腔，柱塞运动时工作腔的容积发生变化，完成吸、排油动作。每个柱塞组的吸、 排油动作是独立完成的，所有柱塞组的吸、排油动作的合成和叠加构成了电控变量柱塞叠加泵的总的压力、流量的输出。本发明的一种电控变量柱塞叠加泵的每个叠加单元可以有一个或多个柱塞组，可以分布在同一侧面或不同侧面，各工作腔的进油通道、出油通道互不干涉，且内部的所有进油通道、所有出油通道共同联通，并和对应的底板的上的进油通道、出油通道联通。每个柱塞组中的柱塞的特征尺寸、结构形式的设计和选取是相互独立的，可动柱塞组的确定和运动参数的确定也是各自独立的，这样能为泵所在的液压系统的控制提供灵活多样的控制策略。电控变量柱塞叠加泵是本发明的电控变量柱塞泵的一种结构形式，也是有同样功能的泵壳、其它辅助装置。只是叠加单元之间无需管子和其它形式的连接体，结构紧凑，尤其是泵的更改方便，很容易在排量、功率、外形等参数的变动上灵活处理，是本发明的电控变量柱塞泵的一种独特的结构形式。本发明的一种电控变量柱塞泵的泵控液压系统，包括了上述本发明的电控变量柱塞泵，还包括传感系统、控制器、液压执行元件和负载对象，以及管路等其它辅助元件。本发明的一种电控变量柱塞泵的泵控液压系统，其系统的动力元件是本发明所述的电控变量柱塞泵，提供液压动力。传感系统适时获取液压系统的内部参数变化信息，同时获取负载对象输出的反馈信号。控制器负责接收系统的外部指令，以及根据内置的控制算法生成控制量，并传输给本发明所述的电控变量柱塞泵的驱动器。液压执行元件是液压系统的能量转换元件，将压力能转换为机械能等其它能量的元件，如液压缸、液压马达。系统的负载对象为系统克服阻力的有效作功的所驱动的物体或过程，而负载为系统作功过程中需克服的阻力，如惯性负载、粘性负载、弹性负载、摩擦负载，以及这些负载的复合负载等。传感系统检测出负载对象的输出信号，作为泵控液压系统的反馈信号，传感系统进行信号处理后并传输给控制器。这一反馈信号是泵控液压系统需要控制的负载对象的运动参数或过程参数，比如位置伺服系统的负载对象的位移、速度伺服系统的负载对象的速度、速度伺服系统的负载对象的加速度和加加速度、力伺服系统的负载对象的力等运动参数，以及液位控制系统的负载对象的液位、温度控制系统的温度、流量控制系统的流量等过程参数。传感系统还检测液压系统的其它参数(温度、噪音等)信号、柱塞组的位移信号等信号，然后进行信号处理并传输给控制器。控制器接收传感系统的各输出信号，并将其中的反馈信号(负载对象的输出信号)与外部控制指令进行比较，并依据内置的控制算法生成控制量，控制量的大小决定了各个柱塞组的电动装置的驱动器的输出的电流和电压的大小、方向，从而决定了各柱塞组输出的压力或流量的大小。各个柱塞组的压力和流量的输出的叠加构成了整个电控变量柱塞泵的压力和流量的输出，控制器进而控制了电控变量柱塞泵的总的压力和流量的输出，从而控制了系统的负载对象的运动参数或过程参数。本发明的电控变量柱塞泵的驱动器所依据的给定的控制量，就是由电控变量柱塞泵的泵控系统的控制器设定的。本发明的电控变量柱塞泵的泵控系统的控制器，能够接受系统的外部指令，同时根据系统负载对象的输出，并按照内置的控制算法，给电动装置设定控制量，实现对电动装置的输出的控制。电动装置的输出是传递给所连接的机械连接装置的力或转矩，其输出的力或转矩的大小、方向以及其大小和方向的变化规律，是依据控制器给电动装置的驱动器设定的控制量的变化而相应变化的。控制器具有外部指令的接收接口、控制量输出接口、接受传感系统信号的接口，以及系统的其它参数的信号接口。其控制量输出接口和电动装置的驱动器相连。由于本发明的一种电控变量柱塞泵的各个柱塞组的吸油和排油过程是相互独立的，各个柱塞组的各个柱塞的直径、长度等特征尺寸又可以各不相同，不同运动参数和不同特征尺寸的组合繁多，所以本发明的电控变量柱塞泵的泵控系统的控制器的控制算法的设计也非常灵活。在液压系统需要小流量时，可以只驱动一部分的柱塞组(也就是可动作柱塞组)，或只驱动一部分的小直径柱塞的柱塞组，或一部分的慢动作的大直径的阻塞组，也可以是这些方式的组合；当液压系统需要较大流量时，可以在上述情况下增加可动作柱塞组，也可以增加驱动一部分的直径较大一些柱塞的柱塞组，也可以只增加部分柱塞组的运动速度， 也可以是这些方式的组合；当液压系统需要更大流量时，可以驱动全部柱塞组，或只驱动一部分的大直径柱塞的柱塞组，也可以更大地加大部分柱塞组的运动速度，也可以是这些方式的组合。柱塞组运动速度、特征尺寸、可动作柱塞组数决定了泵的瞬时排量的不同。本发明的电控变量柱塞泵的泵控系统的控制器，依据系统的反馈信号，其内置的控制算法在接受到外部指令后能完成选择可动作柱塞组、确定被选定的柱塞组的运动方式、设定柱塞组的运动参数，生成控制量并传输给驱动器，驱动器依据控制量输出相应功率大小的电流和电压驱动电动装置，电动装置通过机械连接装置带动对应的柱塞组运动，并使得泵产生相应的总的压力和流量输出，推动执行机构带动负载对象作相应的运动和过程的变化，完成作功过程。而这种负载对象的运动和过程的变化的参数又适时地被传感系统所感知、测量，转化为反馈信号，再传输给控制器，控制器再与外部指令比较得到偏差值，再依据内置的控制算法得到新的控制量给驱动器，驱动器驱动相应的电动装置。循环往复，本发明的电控变量柱塞泵的泵控系统将实现对负载对象的适时控制。外部指令变化时，控制器依据控制算法和反馈信号，产生的控制量就会相应变化， 电控变量柱塞泵的瞬时流量就会相应变化，从而引起负载对象输出作相应的变化，并适时再反馈给系统的输入端和外部指令进行比较，产生新的控制量。循环往复，电控变量柱塞泵的泵控液压系统就能实现对外部指令的跟随。基于各个柱塞组之间的吸油和排油过程是相互独立的，通过改变指定可动作的柱塞组、改变柱塞组的运动参数，以及这些改变的组合，就可以灵活改变电控变量柱塞泵的输出，进而控制负载对象的输出。这种通过适时控制泵的瞬时排量进而控制负载对象的运动参数和过程参数，同时可跟随外部指令的变化，是本发明的一种电控变量柱塞泵的泵控系统的基本原理。由于本发明的一种电控变量柱塞泵的所有多个柱塞被分成了柱塞组，改变了现有技术的一个电动机带动一个油泵的所有柱塞作相同运动的集中控制模式，实现泵的不同柱塞组由不同电动装置驱动的分散控制模式。各柱塞组之间的吸油和排油过程相互独立，让泵的压力、流量等参数控制变得细化，能更准确地控制压力和流量等参数的输出，使得相应的泵控系统能更快速地响应系统负载的变化，同时使得系统控制精度、快速性都能得到提高，从根本上减少了系统的多余流量和多余能耗，提高了效率，同时整个液压系统构成和布局更加灵活，控制方法更加多样。同样的原理和方法也可以运用到其它流体动力系统中。
附图1为一种电控变量柱塞泵的结构示意图。附图2为一种柱塞的套接结构示意图。附图3为一种电控变量柱塞叠加泵的结构示意图。附图4为电控变量柱塞泵的泵控液压系统原理框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。在附图1中，给出了一种电控变量泵的结构示意图。图中的文字“η组”表示一个泵中有η个柱塞组(η > 2的自然数)，图中的省略号表示出没有显示出来的η组柱塞组的其它柱塞组，图中显示了其中的两组柱塞组，一组是两个柱塞的，一组是一个柱塞的。附图1中的一个柱塞组的电动装置101连接着对应的机械连接装置100的一端， 机械连接装置100的另一端连接着两个柱塞99、103的一端端部。柱塞99、柱塞103和相应的缸体87上的柱塞孔，以及进油通道97、出油通道96、进油阀95和90、出油阀94、93，一起分别构成了工作腔98、工作腔104。驱动器102通过信号连接通道80分别连接电动装置 101、电动装置81，以及各柱塞组的所有的其它电动装置，并通过信号连接通道80将电流和电压加载给电动装置101、电动装置81等其它所有电动装置。信号连接通道80与各柱塞组的所有电动装置通过导线连接，包括信号线、电力线。当驱动器102接收到控制量后，驱动器102将提供相应的电流和电压给电动装置 101，电动装置101将产生相应的扭矩或力，通过连接的机械连接装置100转化为柱塞99和柱塞103的直线运动的推力或拉力。柱塞99和柱塞103的直线运动是这种推力或拉力作用下的往复直线运动，对应的工作腔98、104的体积也就相应的从大到小、从小到大地往复变化，并伴随着排、吸油动作。当工作腔排油时，通过出油通道96、出油阀94和93向液压系统的出油回路91排出压力油；当工作腔吸油时，通过进油通道97、进油阀95和90从液压系统的回油回路92中吸油。附图1中的另一个柱塞组的电动装置81连接着对应的机械连接装置82的一端， 机械连接装置82的另一端连接着一个柱塞83的一端端部。柱塞83和相应的缸体87上的柱塞孔，以及进油通道86、出油通道85、进油阀88、出油阀89，一起分别构成了工作腔84。 驱动器102通过信号连接通道80连接电动装置81，并通过连接通道80将电流和电压加给电动装置81。当驱动器102接收到控制量后，驱动器102将提供相应的电流和电压给电动装置 81，电动装置81将产生相应的扭矩或力，通过连接的机械连接装置82转化为柱塞83的直线运动的推力或拉力。柱塞83的直线运动是这种推力或拉力作用下的往复直线运动，对应的工作腔84的体积也就相应的从大到小、从小到大地往复变化，并伴随着排、吸油动作。当工作腔排油时，通过出油通道85、出油阀89向液压系统的出油回路91排出压力油；当工作腔吸油时，通过进油阀88、进油通道86从液压系统的回油回路92中吸油。上述工作腔的容积的变化是柱塞组中柱塞的往复运动的结果，并伴随着相应的吸、排油的过程。每个柱塞组的运动都是独立的，所有柱塞组的吸、排油过程的合成和叠加， 构成了整个电控变量柱塞泵的吸、排油过程。附图1中只画出了柱塞组中有一个、两个柱塞的情况，多个柱塞的运动方式是与此相同的。当多个柱塞套接时，只是机械连接装置的结构、进油通道和出油通道的结构不同，其工作方式也是相同的。附图1中柱塞采用的是圆柱形的，相应的柱塞孔也是圆柱形的，柱塞与柱塞组之间采用的是间隙密封方式，间隙设计遵循原则保证柱塞与柱塞孔间的正常的相对运动、泄漏小。非圆柱形柱塞的工作原理相同。电动装置81、电动装置101是可逆的。在对应的柱塞83、柱塞99和103的反向作用下，通过机械连接装置82、100的将动力反向传递给电动装置81、电动装置101，电动装置 81和电动装置101可以产生一定量的电能，并通过信号连接通道80和驱动器102反向传输给电能存储系统。泵及泵控系统是否需要工作在可逆状态，何时工作在可逆状态，由控制器及外部指令来设定。附图1中电动装置81、101如果选择直线电机，所对应的机械连接装置82、100就可以是简单的可靠连接即可；如果电动装置81、101选择的是旋转电机，机械连接装置82、 100可以选择可逆向运动的滚珠丝杠；如果电动装置81、101选择的是电磁铁驱动装置，所对应的机械连接装置82、100也可以是简单的可靠连接即可。附图1中每个柱塞组对应一个电动装置，相应的机械连接装置也只有一个，各柱塞组共同由一个驱动器提供各自所需的相应的驱动电流和电压，驱动器接收泵控液压系统的控制器给泵设定的控制量，并由此确定每个柱塞组的驱动电流和电压的大小、方向。附图 1中的文字“控制量”是由泵所在的液压系统的控制器设定的，“回油回路”、“出油回路”分别是泵所在的液压系统接油箱的回油油路和接执行机构的高压的压力油回路。附图1中省略了电控变量柱塞泵的泵壳，以及其它辅助装置部分。附图2给出了一种柱塞套接结构示意图。图2中的缸体201上有柱塞孔200，与柱塞 202共同组成工作腔。柱塞202内部被加工成空腔的柱塞孔，并与柱塞203套^，且共同组成工作腔206。柱塞203内部又被加工成空腔的柱塞孔，并与柱塞204套拣且共同组成工作腔205。附图2中没有画出各工作腔相应的进、出油通道，现有技术可以设计加工出这些通道的。比如在柱塞的内壁上可以钻一个或多个纵向、横向的孔，形成进、出油通道。附图2中的各套接柱塞之间采用的是间隙密封结构，也可以采用其它动密封结构，只要保证柱塞与柱塞孔间的正常的相对运动、泄漏小即可。附图2中的套接结构是柱塞公称直径大的柱塞内部设计成中空的柱塞孔结构，可以再装一个或多个公称直径小一些的柱塞，这些大、小柱塞之间可以相对运动，有动密封结构，有对应的进、出油路。附图2中的各柱塞与相应的机械连接装置连接，这种套接结构还可以循环套接， 多个柱塞不断套接成一个柱塞组，或多个相同结构形式的柱塞组一组套一组地套接，或者一个柱塞组内部分套接、部分不套接。并通过机械连接装置与对应的电动装置连接。附图3为一种电控变量柱塞叠加泵的结构示意图。电控变量柱塞叠加泵是本发明的电控变量柱塞泵的叠加结构形式的泵，其工作原理是来源于本发明的电控变量柱塞泵。 附图3中的电控变量柱塞叠加泵是由叠加单元305、叠加单元327，以及底板322 —起叠加并通过螺钉紧固而构成的。底板322上有出油通道314、进油通道323，有泵的安装固定的螺钉孔321、315，底板322与叠加单元305、叠加单元327通过贯穿于各叠加单元中的连接螺钉孔304和311用螺钉紧固连接并叠加在一起的。叠加单元305在顶端位置，上表面上有连按螺钉孔304和311的紧固螺钉的安装位置，下表面与叠加单元327接触。两层叠加单元305和327的各自的出油口、进油口对应联通，在接触面上的出油口和进油口的联通位置有静密封(图中省略了)，使得不泄漏。叠加单元305中有柱塞孔与对应的柱塞303之间是间隙密封，可以相互运动。驱动器300接收到控制量后，提供相应的电流和电压驱动电动装置301产生扭矩或力，通过机
13械连接装置302将力传递给柱塞303，柱塞303在柱塞孔中往复运动。柱塞303和叠加单元 305中相应的柱塞孔，以及出油通道307、出油阀309、进油通道308、进油阀310共同组成工作腔306，并在柱塞303的往复运动过程中完成吸、排油动作。叠加单元305的吸油通过共同的进油通道323吸入的，叠加单元305的排油通过共同的出油通道312、314排出的。叠加单元327中有柱塞孔与对应的柱塞3 之间是间隙密封，可以相互运动。驱动器300接收到控制量后，提供相应的电流和电压驱动电动装置325产生扭矩或力，通过机械连接装置3 将力传递给柱塞324，柱塞3M在柱塞孔中往复运动。柱塞3M和叠加单元 327中相应的柱塞孔，以及出油通道319、出油阀317、进油通道318、进油阀316共同组成工作腔320，并在柱塞324的往复运动过程中完成吸、排油动作。叠加单元327的吸油通过共同的进油通道313、323吸入的，叠加单元327的排油通过共同的出油通道314排出的。底板322上的出油通道314和叠加单元305、327的出油通道是联通的，通过出油口共同连接到泵所在的液压系统的压力油路上；底板322上的进油通道323和叠加单元 305、327的进油通道是联通的，通过进油口共同连接到泵所在的液压系统的回油油路上。附图3所示的一种电控变量柱塞叠加泵，每个叠加单元由一个或多个柱塞组及对应的机械连接装置、电动装置构成，一个驱动器驱动各柱塞组的电动装置。如果叠加单元中有多个柱塞组(图中只画了一组柱塞组的情况)，结构上可以分布在同一侧，也可以分布在不同侧面，各工作腔的进油通道、出油通道互不干涉，内部的所有进油通道相互联通且与底板的上的进油通道联通，内部的所有出油通道相互联通且与底板的出油通道联通。附图3所示的电控变量柱塞叠加泵的外面还有泵壳(图中省略了)等其它相关辅助装置。附图4为电控变量柱塞泵的泵控液压系统原理框图。整个电控变量泵的泵控液压系统主要有本发明所述的电控变量柱塞泵、控制器、执行机构、传感系统、负载对象组成。附图4的虚线框的“电控变量柱塞泵”为本发明所述的电控变量柱塞泵，是本发明的泵控液压系统的液压动力源，其主要由“驱动器”、“电动装置”、“机械连接装置”、“柱塞组” 构成。附图4中的“传感系统”测量泵控系统的运动参数，特别是“负载对象”的“输出” 作为反馈信号，采集和处理后传输给“控制器”，“控制器”依据“外部指令”和反馈信号，以及内置的控制算法得到“控制量”，并传输给“驱动器”。其“驱动器”能够接收“控制器”发出的“控制量”的信息，并依据“控制量”提供相应的电流和电压给“电动装置”，通过“机械连接装置”带动“柱塞组”作相应的运动，输出相应的压力和流量的液压介质，由此推动“执行机构”带动“负载对象”克服负载作功。“负载对象”的运动和过程的变化的参数又适时地被 “传感系统”所感知、测量，转化为反馈信号，再传输给“控制器”，“控制器”再与“外部指令” 比较得到偏差值，再依据内置的控制算法得到新的“控制量”给“驱动器”，驱动相应的“电动装置”。循环往复，本发明的电控变量柱塞泵的泵控系统将实现对负载对象的适时控制。本文上述双引号所括部分对应附图4的框图中的文字部分，也是本发明的电控变量柱塞泵的泵控液压系统的主要组成部分。附图4中的“系统的其它参数信号”为液压系统的反馈信号以外的其它参数信号， 比如液压系统的温度信号、柱塞的位移信号、工作腔的压力信号、液压系统的压力回路的流量信号等，作为系统控制时的参考信号。
附图4为电控变量柱塞泵的泵控液压系统，在“外部指令”变化时，依据控制算法， “电控变量柱塞泵”的“控制量”就会相应变化，“电控变量柱塞泵”的瞬时流量就会相应变化，从而引起“负载对象”输出作相应的变化，并适时反馈给系统的输入端和“外部指令”进行比较，产生新的“控制量”。循环往复，电控变量柱塞泵的泵控液压系统就能实现对“外部指令”的跟随。
权利要求
1.本发明的一种电控变量柱塞泵，包括泵壳、缸体、柱塞孔、柱塞组、机械连接装置、电动装置、驱动器、进油通道、出油通道、进油阀、出油阀，缸体安装在泵壳中，柱塞孔分布在缸体中，柱塞与柱塞孔之间是动密封，柱塞、柱塞孔、进油阀和进油通道、出油通道和出油阀组成工作腔，柱塞孔中的柱塞的往复运动使得工作腔发生容积变化，实现吸油、排油，其特征在于至少有两组柱塞组，每组柱塞组至少一个柱塞，每组柱塞组由对应的一个电动装置驱动；驱动器根据控制量驱动各电动装置，电动装置通过机械连接装置驱动柱塞组的柱塞在柱塞孔中往复运动。
2.如权利要求1所述的电控变量柱塞泵，其特征在于各个柱塞组之间的吸油和排油过程是相互独立的，所有柱塞组的吸、排油过程的叠加和合成构成了泵的吸油过程、排油过程。
3.如权利要求1所述的电控变量柱塞泵的机械连接装置，其特征在于一端连接电动装置，另一端同时连接一个柱塞组中的各柱塞的一端。
4.如权利要求1所述的电控变量柱塞泵的柱塞孔，其特征在于柱塞孔的轴线在缸体中的分布不限制在一个柱面上或一个平面上。
5.如权利要求1所述的电控变量柱塞泵的柱塞组，其特征在于各柱塞组中的各单个柱塞可以选择不同的特征尺寸。
6.如权利要求5所述的电控变量柱塞泵的柱塞组，其特征在于所述的柱塞组中的柱塞是套接结构。
7.如权利要求1所述的电控变量柱塞泵的电动装置，其特征在于所述的电动装置其输出的是旋转运动或直线运动。
8.如权利要求7所述的电控变量柱塞泵的电动装置，其特征还在于是可逆的。
9.如权利要求1所述的电控变量柱塞泵的叠加结构形式，其特征在于由底板和底板上面的多个叠加单元组成，每个叠加单元包括一个或多个柱塞组及对应的机械连接装置、 电动装置，每个叠加单元内部分布有柱塞孔以及与之联通的进油阀和进油通道、出油阀和出油通道，各层内部的进油通道相互联通并和底板上的进油通道联通，各层内部的出油通道也相互联通并和底板上的出油通道联通，驱动器驱动各柱塞组的电动装置。
10.本发明的一种电控变量柱塞泵的泵控液压系统，包括所述的电控变量柱塞泵、传感系统、控制器、液压执行元件和负载对象，传感系统检测出负载对象的输出信号作为反馈信号，控制器接收传感系统的反馈信号和外部控制指令，并依据内置的控制算法生成控制量， 其特征在于电控变量柱塞泵的驱动器接收到控制器生成的控制量，驱动器提供相应的驱动电流和电压给电动装置，电动装置通过机械连接装置带动对应的柱塞组运动并产生相应的压力和流量输出，各柱塞组压力和流量输出叠加和合成泵的总的压力和流量输出，并推动液压执行元件来驱动负载对象作功。
全文摘要
本发明公开了一种电控变量柱塞泵主要由驱动器(102)、电动装置(101、81)、机械连接装置(100、82)、n组柱塞组、缸体(87)、进油通道(97、88)、出油通道(96、85)、进油阀(88、90、95)、出油阀(89、93、94)组成，配上控制器、执行机构、反馈系统、负载对象可构成相应的泵控系统。控制器按收外部指令和反馈信号并依据内置的控制算法产生控制量，驱动器依据控制量改变电动装置的驱动电流和电压，电动装置通过机械连接装置带动柱塞组作相应的直线运动完成吸、排油，泵的瞬时排量跟随外部指令的变化，实现对负载对象的运动参数和过程变化的控制。整个泵控系统结构简单、响应快，控制策略灵活多变。
文档编号F15B21/08GK102168671SQ20111011348
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者许宏 申请人:许宏