新型三級(jí)壓力雙作用氣－液增壓裝置(泵)原理設(shè)計(jì)與分析

蘇萬清，鐘麗珠

(廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530023)

液壓技術(shù)具有系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功率大等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、航空航天、海洋工程、礦產(chǎn)開采等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但液壓傳動(dòng)要求液壓泵為保持系統(tǒng)壓力處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，因此不僅造成系統(tǒng)功率浪費(fèi)，而且增加液壓泵的磨損，降低使用壽命。相比之下，氣動(dòng)技術(shù)以壓縮空氣作為工作介質(zhì)，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(shì)能便于儲(chǔ)蓄和傳輸，使系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)保壓而保全功率;而且空氣是清潔和可循環(huán)利用的，所以氣壓傳動(dòng)污染少，是一種“準(zhǔn)綠色”的傳動(dòng)技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)日益凸顯。但是，氣壓傳動(dòng)也有一個(gè)自身難以克服的嚴(yán)重缺點(diǎn)，就是系統(tǒng)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(tǒng)壓力小、輸出動(dòng)力不足或裝置體積過于龐大等問題?；谝陨显?，集氣動(dòng)和液壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)了一種具有3 級(jí)壓力輸出的雙作用氣－ 液增壓裝置(泵)。

1 新型三級(jí)壓力雙作用氣-液增壓裝置(泵)的組成和工作原理

新型三級(jí)壓力雙作用氣－液增壓裝置(泵)是一種將氣體的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成液體動(dòng)力的能量轉(zhuǎn)換元件，它是利用靜壓傳遞原理，輸入較低壓力的氣體，經(jīng)轉(zhuǎn)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(jié)流閥和單向閥組成［1］。

圖1 顯示，本裝置采用雙氣缸結(jié)構(gòu)，活塞及缸體沿軸向方向由里到外對(duì)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(dòng)和液壓控制元件也基本呈對(duì)稱分布，壓縮空氣由氣動(dòng)換向閥14 輸入，液壓油經(jīng)增壓后由液壓換向閥3 輸出。氣動(dòng)換向閥14 根據(jù)a 或b口傳來的氣壓信號(hào)(也可采用機(jī)動(dòng)信號(hào)、行程控制)自動(dòng)換向，氣缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)循環(huán)(即所謂雙作用)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供油。

當(dāng)壓縮空氣作用于氣缸21 活塞的右側(cè)(或氣缸23 活塞的左側(cè))時(shí)，活塞整體向左(或右)運(yùn)動(dòng)，液體經(jīng)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(shí)，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(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)氣－液能量轉(zhuǎn)換;此時(shí)，因外界負(fù)載較小，裝置處于低壓、大流量工況工作，執(zhí)行元件快速移動(dòng)。隨著外界負(fù)載增大，系統(tǒng)壓力逐漸升高，氣動(dòng)順序閥l0 (或18)在氣壓的作用下自動(dòng)導(dǎo)通，壓縮空氣同時(shí)作用于氣缸21 活塞的右側(cè)(或氣缸23 活塞的左側(cè))和氣缸23活塞的右側(cè)(或氣缸21 活塞的左側(cè))，由原來的單缸作用變?yōu)殡p缸作用;此時(shí)，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(dāng)外界負(fù)載進(jìn)一步增大，系統(tǒng)壓力進(jìn)一步升高，液壓順序閥2 (或7)導(dǎo)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(dú)向外壓出高壓小流量液體，實(shí)現(xiàn)二次增壓，裝置處于高壓、小流量工況工作［2］。

圖1 新型三級(jí)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(jì)算

設(shè)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(jì)算。

(1)低壓供油時(shí)的輸出壓力pL和輸出流量qL的計(jì)算公式:

(2)中壓(一次增壓)供油時(shí)的輸出壓力pM和輸出流量qM的計(jì)算公式:

(3)高壓(二次增壓)供油時(shí)的輸出壓力pH和輸出流量qH的計(jì)算公式:

式中:D1為氣缸內(nèi)徑;

D2為中心液壓缸內(nèi)徑;

d1為活塞桿直徑;

d2為柱塞直徑;

l 為活塞行程長(zhǎng)度;

ηv為容積效率;

ηm為機(jī)械效率;

nL、nM、nH為分別為低壓、中壓和高壓時(shí)單位時(shí)間活塞往復(fù)行程數(shù)(次數(shù)/時(shí)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(dòng)換向閥在氣壓信號(hào)的作用下自動(dòng)換向，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)并自動(dòng)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)雙作用，滿足對(duì)液壓系統(tǒng)連續(xù)、高效供油的要求;

(2)具有3 級(jí)壓力輸出，且可根據(jù)外界負(fù)載的變化進(jìn)行高、中、低3 級(jí)壓力自動(dòng)切換，匹配性能好，較大程度上滿足工程的實(shí)際需要(即對(duì)液壓系統(tǒng)多工況自動(dòng)轉(zhuǎn)換的性能要求)，既能滿足液壓系統(tǒng)在大負(fù)載工況下的工作性能要求，在低負(fù)載工況下也不至于造成功率浪費(fèi);

(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(dāng)外界負(fù)載與氣缸推力達(dá)到平衡時(shí)會(huì)自動(dòng)保壓和蓄能，因此，在間歇性工況下，節(jié)能效果尤為突出，并減少了供油裝置的運(yùn)行時(shí)間，提高使用壽命，同時(shí)可減緩液壓沖擊;

(4)調(diào)節(jié)節(jié)流閥11、17，可適當(dāng)改變工作頻率n，從而改變裝置的輸出流量，增大執(zhí)行元件的調(diào)速范圍;

(5)由于該裝置具有3 級(jí)壓力輸出且可自動(dòng)切換，以及具有蓄能和自動(dòng)保壓功能，有利于簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)的組成，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和系統(tǒng)集成化;

(6)該裝置的控制元件均呈對(duì)稱分布，在設(shè)計(jì)上較方便地與泵體連為一體，置于泵體內(nèi)部，整體上提高了結(jié)構(gòu)的集成度和整體性［3］;且便于采用閉式設(shè)計(jì)，油液封閉循環(huán)，油液蒸發(fā)及外泄少，故能顯著降低環(huán)境污染。

3 結(jié)束語

新型三級(jí)壓力雙作用氣－液增壓裝置(泵)是氣動(dòng)和液壓技術(shù)有機(jī)結(jié)合、經(jīng)優(yōu)化組合而得到的裝置，集中了氣動(dòng)和液壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。該氣－液增壓裝置(泵)具有3 級(jí)液體壓力輸出并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能，能滿足對(duì)液壓系統(tǒng)多工況的工作要求，利于節(jié)能。如采用閉式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔緊湊，環(huán)保效果更突出;對(duì)于采用壓縮空氣作為動(dòng)力供給源的場(chǎng)合，使用氣－液增壓裝置(泵)尤為方便、安全和經(jīng)濟(jì)。在綠色設(shè)計(jì)和制造理念日益深入人心的今天，氣－液增壓技術(shù)具有良好的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

［1］李雪梅，丁峰．節(jié)能式增壓缸的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．液壓與氣動(dòng)，2006(9):40－41．

［2］吳宗澤．機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

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