基于切换配流及编列策略的开式数字泵变排量配流系统的制作方法

本发明涉及数字泵领域，具体是一种基于切换配流及编列策略的开式数字泵变排量配流系统。

背景技术：

液压传动系统具有功率密度大、极限工作参数高、响应频率快等突出优点，在各工业领域中都获得了极为广泛的应用，然而其同时存在的效率低、能耗大等缺点，已显著影响到液压传动技术的核心竞争力与持续性发展。2013年，美国能源部评估当前最先进液压传动系统的整体效率平均约为22％，并指出每1％能量使用效率的提高将会带来近200亿美元的收益。节能和环保是当今社会发展的重要主题，使得如新颁布的“tierivengineemissionregulations”等公路和非公路车辆的排放法规也日趋严格，整机装备制造商所面临的环保和能源危机压力日益增大，燃油成本也在日渐攀高，迫切需求开发更加节能高效的液压元器件与系统。

数字泵概念的提出，在结构原理上突破了传统斜盘式柱塞泵中各吸排油柱塞容腔之间的联动约束关系，每个柱塞容腔都通过一组高速开关阀来实现独立的吸、压排油配流，可以对不必要做功的柱塞容腔进行实时卸载，因此可以彻底克服传统泵高效区狭窄难题，同时更具变量控制优势，代表了液压泵极具潜力与希望的前沿发展方向，是业界的研究热点与关注焦点。然而数字泵的性能在极大程度上受制于高速开关阀产品的性能，高速开关阀的频响决定了数字泵能达到的转速范围和变量动态性能，高速开关阀的通流能力决定了数字泵每一柱塞容腔的吸排油流量的大小，同时驱动高速开关阀所需的电力损失以及阀口的节流损失对数字泵的效率特性也具有显著的影响，如何保证高速开关阀动作时阀口两端的压力平衡以减小节流损失，如何降低高速开关阀启闭时的滞后现象对配流的精度与可靠性的影响，这些基础性关键问题与数字泵配流阀的设置及其配流控制方法密切相关。

nieling等论述了数字泵可能采用的不同的配流阀设置方案，如图1所示。对于两位两通阀与两位三通阀组合配流方案a，由于两位三通阀左右位高速切换时难以采用锥形座阀形式进行密封，因此将造成较大的泄漏损失；三位三通阀配流方案b中其中位机能难以实现需高速切换的吸、压排油配流功能；对于两位三通阀配流方案c，由于此时其柱塞容腔不能与吸排油口隔离，使得柱塞容腔吸排油过渡时无法实现预升压或预卸压，在配流过程中将造成较大的节流损失及压缩损失；两位两通阀与两位四通阀组合方案d适用于含偶数个数柱塞的数字泵，可以减少所需的阀的总数，但需要额外的若干个高速的两位四通阀；采用液控单向阀配流的方案e，由于单向阀特性，可以达到近乎理想的配流状态。

如图2所示为目前较为典型的基于两位两通高速开关阀控制配流的数字泵配流方案原理，在每个柱塞容腔上配置两个高速开关阀进行吸、压排油配流。坦佩雷理工大学的tammisto、普度大学的holland和merrill及国内浙江大学的张斌等都对此进行了相关研究。张斌等于2016年公开了一种流量离散开关控制数字式轴向柱塞泵及一种多排数字轴向柱塞泵发明专利，通过调节对各个柱塞对应的进口高速开关阀和出口高速开关阀的工作顺序，来实现对流量离散开关控制数字式轴向柱塞泵输出流量的变量控制。

tammisto于2010年在in-line单向阀阀配流泵基础上，开发了一台基于两个两位两通高速开关阀控制配流的三柱塞数字泵，高速开关阀可以在阀口两端高压差作用下正常开启和关闭。测试结果显示，在小排量工况时，配流阀的功率损耗占的比例是相当大的，考虑驱动阀的电力损失在内，在20％小排量，转速1000r/min工况下，所开发的三柱塞数字泵的总效率约为55％。2016年tammisto在一个6柱塞的in-line单向阀阀配流泵基础上开发了由三个三位三通高速开关阀控制配流的第二代六柱塞数字泵，最大排量10.8cm³/r，测试结果发现由于高速开关阀配流误差的存在导致了较大的压缩容积损失的产生，但由于减小了阀口处的泄漏损失，在40％～100％满排量工况范围内，六柱塞数字泵效率普遍达到了70％以上。

holland和merrill采用两个两位两通高速开关阀控制柱塞容腔的吸、压排油配流过程，理论分析了7柱塞的数字泵及3柱塞的数字泵在流量限流控制策略及流量回流控制策略模式下的工作状态，并基于cat660单向阀阀配流泵改造开发了一台三柱塞数字泵，最高转速700r/min，最高压力172bar，最大输出流量19.34l/min。理论分析及测试结果显示，高速开关阀阀口启闭滞后现象会导致较大能量损失的产生，数字泵最大的功率损失来源于高速开关阀阀口的节流损失以及驱动开关阀的电力损失。为了减小开关阀阀口启闭滞后问题带来的不利影响，breidi在michael和kyle研究基础上，于2017年设计了一种通过实时检测数字泵吸排油口压力来修正开关阀阀口启闭滞后导致的配流误差的控制算法，测试结果显示在70％～100％满排量工况范围内取得了较好的效果。

上海交通大学施光林等于2016年公开了一种数字配流恒流量径向柱塞泵发明专利，该数字泵是在一种五柱塞低速大扭矩液压马达的基础上进行改造开发的，在每一个柱塞的无杆腔都安装有一个二位三通高速开关阀来实现吸、压排油配流。浙江大学顾临怡、李林等，于2014年提出采用液控单向阀控制柱塞单元有效输出/输入实现轴向柱塞泵/马达配流及变量的配流机构，在每个柱塞配备1个吸油液控单向阀、1个排油液控单向阀和为2个液控单向阀提供触发信号的2个控制滑阀，所有的吸油液控单向阀控制滑阀由吸油驱动环统一控制，所有的排油液控单向阀控制滑阀由排油驱动环统一控制，通过调节驱动环位移，改变控制滑阀给出的触发信号来实现对轴向柱塞泵/马达的阀配流无级变量。

目前的研究结果表明：对于基于两个两位两通高速开关阀控制配流的数字泵配流方案，在不同压力、转速等工况下柱塞的每一周旋转过程中，当柱塞容腔理想的预升压和预卸压过程结束瞬间，如果此时高速开关阀能精准地在这一瞬间开启或关闭，那么此时阀口两端压力即基本处于平衡状态，可以保证较小的阀口压差损失的产生，然而由于开关阀启闭滞后以及介质压缩性与温度和工况的变化等问题，柱塞容腔达到理想的预升压和预卸压结束瞬间那一时刻难于确定，即使该时刻能精确计算出来，高速开关阀也难于实现精准地在这一瞬间开启或关闭，因此事实上阀口执行启闭动作时两端压力平衡难于得到有效地精确控制，使得产生了较大的阀口节流损失，由于两个高速开关阀需要频繁的执行启闭动作，也使得产生了较大的驱动电力损失；对于其它的配流方案，也正如前文所论述，存在如产生较大的泄漏损失等诸多缺点。因此，数字泵的配流阀设置及其配流控制方法，仍有待于更深入的研究。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于切换配流及编列策略的开式数字泵变排量配流系统，目的是为了减小驱动高速开关阀执行动作时所产生的电力损失，减小阀口节流损失，提高配流精度与可靠性，延长高速开关阀的服役寿命，使得数字泵获得更为理想的配流特性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于切换配流及编列策略的开式数字泵变排量配流系统，其特征在于：包括装配在开式数字泵每个柱塞单元低压配流油路的常闭高速开关阀、吸油单向阀，装配在开式数字泵每个柱塞单元高压配流油路的排油单向阀，以及控制器、低压油箱和安装在泵轴端的角位移编码器，所述常闭高速开关阀、吸油单向阀各自阀口一端分别通过油路与对应的柱塞单元柱塞容腔装配连接，常闭高速开关阀、吸油单向阀各自阀口另一端分别通过油路与泵的低压吸油口及低压油箱连接，所述排油单向阀阀口一端通过油路与对应的柱塞单元柱塞容腔装配连接，排油单向阀阀口另一端通过油路与泵的高压排油口及负载回路连接，所述控制器通过控制线分别与各个常闭高速开关阀控制连接，角位移编码器通过信号线与控制器信号传递连接；

对于每个柱塞单元，由其对应的常闭高速开关阀及吸油单向阀在低压配流油路进行主动控制完成吸油配流，由排油单向阀在高压配流油路进行自动控制完成压排油配流，通过泵轴端安装的角位移编码器实现对柱塞行程位置的检测；当柱塞单元处于工作状态时常闭高速开关阀置于弹簧位，由吸、排油单向阀完成吸、压排油配流功能，即低压油箱中的油液由吸油单向阀进入柱塞单元的柱塞容腔后，当柱塞进入排油行程时，再通过排油单向阀输出至负载回路；当需要使柱塞单元置于卸载状态时，控制器在柱塞处于吸油行程的1/3位置时驱动常闭高速开关阀打开阀门即可，此时柱塞单元通过吸油单向阀从低压油箱吸入低压油之后，当柱塞进入排油行程时，再将低压油通过常闭高速开关阀打开的阀口排回至低压油箱；

所述的控制器内置有控制开式数字泵变排量工况需求的编列策略变量控制算法，依据开式数字泵的变排量控制精度需求确定泵的控制周期，在一个控制周期内基于设计的一种编列策略控制算法，生成一列由1和0组成的数字码流，以确定开式数字泵中各个常闭高速开关阀的得电顺序，1对应于得电，0对应于失电，通过数字码流驱动各个常闭高速开关阀在一个控制周期内有规律的执行启闭动作，实现开式数字泵的排量平滑地变化调节。

所述的基于切换配流及编列策略的开式数字泵变排量配流系统，其特征在于：所述的常闭高速开关阀为二位二通常闭高速开关阀。

所述的基于切换配流及编列策略的开式数字泵变排量配流系统，其特征在于：所述的常闭高速开关阀、吸油单向阀可由一个内部集成了吸油单向阀功能的二位二通常闭高速开关阀代替。

所述的基于切换配流及编列策略的开式数字泵变排量配流系统，其特征在于：所述编列策略变量控制算法所需输入的参数为数字码流的总位数及排量比，排量比为当前排量与满排量的比值，定义排量比为1时对应满排量，排量比为0.5时对应50％满排量，排量比为0时对应零排量，在一个泵排量控制周期内的一个数字码流中，首先将1以最小步长编列于码流中，在此基础之上评估排量误差如仍不满足精度要求后，再以更大的一个步长将1编列于码流中，如此往复编列码流，直至达到变排量控制精度需求；

记需要达到的排量比为β，数字码流的总位数为n，则数字码流中1的最小编列步长δ1由下式(1)计算得到：

δ1＝[β^-1](1)，

在计算得到最小编列步长δ1后，将码流中的第一位编列为数字1，并在此后的每隔δ1位处编列数字1，为了计算数字1的下一个编列步长δj，需要对参数εj进行计算，如下式(2)所示，其中bits表示数字码流：

式(2)中，n为大于或等于1的自然数。

数字1的下一个编列步长δj通过下式(3)进行计算：

在得到编列步长δj后，数字1将从码流的第δj-1位置处开始进行编列，并在之后的每隔步长δj位置处编列一个数字1；

重复公式(2)和(3)，计算得到数字1的新的下一个编列步长，并将数字1依据步长进行编列，直至计算得到的编列步长超过码流的总位数之后，说明此时排量已达到了变量控制精度需求，将没有排列数字1的位置处置0，最终得到了该排量所对应的数字码流，通过在泵的一个控制周期内往高速开关阀阀组驱动器输送该数字码流，即可将泵的排量平滑地调节至所期望的排量值。

与现有技术相比，本发明的优点为：

本发明所提供的基于切换配流原理及编列策略的开式数字泵变排量配流系统，通过单向阀与高速开关阀之间的切换控制配流，保留单向阀配流优点的同时，实现了它的变量主动控制，高速开关阀常态是处于弹簧位，只在变量控制过程中时才被置于得电状态，大大节约了驱动常闭高速开关阀的电力损耗，同时对于开式数字泵还可以节约50％数量的高速开关阀，降低了整体成本。在变量控制过程中，由于只需要在柱塞吸油行程中1/3时刻驱动常闭开关阀开启即可，提供了充足的行程裕度以充分保证开关阀执行动作时阀口前后压差基本为零，且都处于一个低压状态，使得阀口节流损失可以控制在一个很小的数量级范围内，同时也大为简化了配流控制算法，可以显著提高配流精度与可靠性，延长开关阀的服役寿命。

本发明所提供的新配流系统充分发挥了单向阀的理想配流特性，同时密封性能好漏损小，输出压力高，温度环境适应能力强，避免了电磁阀控制压排油配流过程中由于微小配流误差即造成的开关阀阀口两端压力不平衡及压力冲击问题的产生。

附图说明

图1是现有技术nieling等人提出的数字泵配流阀设置方案。

图2是现有技术两高速开关阀控制配流的数字泵配流原理示意图。

图3是本发明具体实施例中开式数字泵切换配流系统示意图。

图4是本发明具体实施例中数字泵排量比为43％时编列的数字码流图。

图3中标号为：柱塞1、柱塞2、柱塞3、柱塞4、柱塞5、可扩展柱塞单元6、油箱7、节流阀8、排油单向阀9、吸油单向阀10、常闭高速开关阀11、柱塞单元12、信号线13、控制器14、控制线15、柱塞容腔16、低压油箱17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图3所示，基于切换配流及编列策略的开式数字泵变排量配流系统，包括装配在开式数字泵每一柱塞单元12低压配流油路的常闭高速开关阀11、吸油单向阀10，装配在开式数字泵每一柱塞单元12高压配流油路的排油单向阀9，以及控制器14、油箱7、低压油箱17和安装在开式数字泵轴端的角位移编码器，常闭高速开关阀11、吸油单向阀10各自阀口一端分别通过油路与对应的柱塞单元内的柱塞容腔16装配连接，常闭高速开关阀11、吸油单向阀10各自阀口另一端分别通过油路与泵的吸油口及低压油箱17连接，排油单向阀9阀口一端通过油路与对应的柱塞单元内的柱塞容腔16装配连接，排油单向阀9阀口另一端通过油路与泵的排油口及负载回路连接，控制器14通过控制线15分别与各个常闭高速开关阀11控制连接，角位移编码器通过信号线13与控制器14信号传递连接。

对于每个柱塞单元12，由常闭高速开关阀11及吸油单向阀10在低压配流油路进行主动控制完成吸油配流，由排油单向阀9在高压配流油路进行自动控制完成压排油配流，通过泵轴端安装的角位移编码器实现对柱塞行程位置的检测；当柱塞单元12处于工作状态时常闭高速开关阀11置于弹簧位，由吸、排油单向阀10、9完成吸、压排油配流功能，即低压油箱17中的油液由吸油单向阀10进入柱塞单元12中的柱塞容腔后，在柱塞进入压排油行程时再通过排油单向阀9输出至负载回路；当需要使柱塞单元12置于卸载状态时，控制器14在柱塞处于吸油行程的1/3位置时驱动常闭高速开关阀11打开阀门即可，此时柱塞单元中的柱塞容腔通过吸油单向阀10从低压油箱17吸入低压油之后，在柱塞进入排油行程时再将低压油通过常闭高速开关阀11打开的阀口排回至低压油箱17。

图3中所示开式数字泵含有5个柱塞单元，但不局限于只适应于为5个柱塞单元，同样可以为含有其它数目柱塞单元，如图3中留有的可扩展柱塞单元6所示，可以扩展至含有其他任意个数目的柱塞单元。

控制器14内置有控制开式数字泵变排量工况需求的编列策略变量控制算法，依据开式数字泵的变排量控制精度需求确定泵的控制周期，在一个控制周期内基于设计的一种编列策略控制算法，生成一列由1和0组成的数字码流，以确定开式数字泵中各个常闭高速开关阀11的得电顺序，1对应于得电，0对应于失电，通过数字码流驱动各个常闭高速开关阀11在一个控制周期内有规律的执行启闭动作，实现开式数字泵的排量平滑地变化调节。

常闭高速开关阀11为二位二通常闭高速开关阀。

常闭高速开关阀11、吸油单向阀10可由一个内部集成了吸油单向阀功能的二位二通常闭高速开关阀代替。

编列策略变量控制算法所需输入的参数为数字码流的总位数及排量比，排量比为当前排量与满排量的比值，定义排量比为1时对应满排量，排量比为0.5时对应50％满排量，排量比为0时对应零排量，在一个泵排量控制周期内的一个数字码流中，首先将1以最小步长编列于码流中，在此基础之上评估排量误差如仍不满足精度要求后，再以更大的一个步长将1编列于码流中，如此往复编列码流，直至达到变排量控制精度需求。

记需要达到的排量比为β，数字码流的总位数为n，则数字码流中1的最小编列步长δ1由下式(1)计算得到：

δ1＝[β^-1](1)，

在计算得到最小编列步长δ1后，将码流中的第一位编列为数字1，并在此后的每隔δ1位处编列数字1，为了计算数字1的下一个编列步长δj，需要对参数εj进行计算，如下式(2)所示，其中bits表示数字码流：

式(2)中，n为大于或等于1的自然数。

数字1的下一个编列步长δj通过下式(3)进行计算：

在得到编列步长δj后，数字1将从码流的第δj-1位置处开始进行编列，并在之后的每隔步长δj位置处编列一个数字1。

重复公式(2)和(3)，计算得到数字1的新的下一个编列步长，并将数字1依据步长进行编列，直至计算得到的编列步长超过码流的总位数之后，说明此时排量已达到了变量控制精度需求，将没有排列数字1的位置处置0，最终得到了该排量所对应的数字码流，通过在泵的一个控制周期内往高速开关阀阀组驱动器输送该数字码流，即可将泵的排量平滑地调节至所期望的排量值。

本发明包括油箱7、节流阀8、信号线13、控制器14、控制线15，以及柱塞1、柱塞2、柱塞3、柱塞4、柱塞5，其中每一个柱塞单元12都含有吸油单向阀10、排油单向阀9及常闭高速开关阀11各一只。吸油单向阀10与常闭高速开关阀11，通过泵中的孔道、吸油腔及液压管道等油路与低压油箱17相连接，排油单向阀9通过泵中的孔道及排油腔等油路，与负载回路相连接，在泵中的相关机构驱动下柱塞1～5在柱塞孔中不断地执行往复运动。

如图4所示为排量比为43％时，基于编列控制策略由控制器14内的算法生成的数字码流示意图，该数字码流依次地输送至柱塞1～5中对应的高速开关阀的驱动器中。

本发明的工作过程如下：

数字泵在原动机驱动下，通过如斜盘、偏心轮、凸轮、曲轴等机构，使得柱塞1～5在柱塞孔中执行周而复始的往复运动。每一柱塞单元中的吸油单向阀10与高速开关阀11，阀口一端通过泵中的孔道、吸油腔及液压管道等油路与低压油箱17相连接，阀口另一端与对应柱塞单元中的柱塞容腔相连接；每一柱塞单元中的排油单向阀9，阀口一端通过泵中的孔道及排油腔等油路，与负载回路相连接，阀口另一端与对应柱塞单元中的柱塞容腔相连接。在控制器14中设置数字码流总位数，控制器14接受数字泵排量需求信号和每一柱塞的行程位移信号，以及可能的其它如压力、温度信号，通过内置的编列控制算法生成与变排量调节精度需求相适应的数字码流，并将数字码流依次输送至每一柱塞单元高速开关阀11的驱动器中，控制泵的排量精确平滑地调节至所期望的排量值。本示例中图4为43％排量时所对应的一个控制周期内的数字码流，其编列算法如下：

设置数字码流总位数为128位，由下式(1)计算得到数字1的最小编列步长δ1为3，数字1从码流的第1位处开始，以3为步长进行编列；由下式(2)计算得到参数ε1为12.04，由下式(3)计算得到数字1的下一个编列步长δ2为11，数字1从码流的第3位处开始，以11为步长进行编列；由下式(4)计算得到参数ε2为0.04，由下式(5)计算得到数字1的下一个编列步长δ3为3201，由于编列步长δ3超越了总位数128，说明此时已达到了变排量调节精度需求，因此数字1编列结束。未编列1处置为0，由此得到对应于43％排量时一个控制周期内的数字码流，如图4中所示。

δ1＝[β^-1]＝[0.43^-1]＝3(1)，

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包涵本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。