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610031)

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［1］。

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［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。

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ap、bp、cp，配流窗口右端分别与增压器的3 个增压缸ag、bg、cg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。

图2 配流盘

(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 个孔ak、bk、ck，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ap、bp、cp上连续运动，完成3 根增压柱塞的交替进油。

图3 摆动盘

1.3 增压器的工作过程

如图1 所示，给增压器的Pin口供液压油，此时摆动盘中心孔仅与配流盘上的配流窗口ap接通，配流窗口bp、cp与油箱接通。液压油通过配流窗口ap流入增压缸ag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bg、cg的低压腔油液通过配流窗口bp、cp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入高压腔，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ap、bp同时接通时，增压缸bg已经完成回油，此时与增压缸ag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cg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bp，bp、cp，cp，cp、ap接通，完成增压器的一个增压周期。

向增压器的Pin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φ 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AC 两点的轴向高度差，即增压柱塞行程。当斜盘转过角度为φ 时，斜盘上的A、C 两点运动到图示点B、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BD 连线的剖视图如图，图中A'E 垂直于BD，因此点A'和点E 在剖视图中重合，由此可知EF 的长度即为AA'的长度，即剖视图中EF 的长即为此时增压柱塞a向左运动的位移ya。

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:

其中:BF=R-Rcosφ;

BG=R;

AA' =ya;

OG=h/2。

增压柱塞a 的位移ya与斜盘转角φ 间的关系如下:

同理，可得出增压柱塞b、c 的位移yb、yc与斜盘转角φ 间的关系:

从式(2)— (4)可看出:3 个柱塞的轴向位移是斜盘转角φ 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ag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:

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γ)，对进油柱塞进行受力分析。图中p1A1为系统供给的液压油作用在进油柱塞上的油压力，p2A2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Fxa。平衡时有:

求得进油柱塞对斜盘的作用力:

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Fxa分解为沿中心轴线方向的分力Fa和垂直于中心轴线方向的分力Fr。计算得出:

图6 (b)是垂直于中心轴线平面内力的视图，图中R 为柱塞所在分度圆半径，φ 为此时斜盘转过的角度，Fa方向垂直纸面向外，Fr方向与OA 连线夹角为φ。Fr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。

图6 斜盘受进油柱塞作用力图

3.3 斜盘转矩计算

根据得出的3 个增压缸对应的进油区间，计算斜盘在转动一周内(令增压缸ag刚进油时斜盘转角为0)所受转矩。斜盘受力如图7 所示。

图7 斜盘受力图

同理，可得出其他转角区间斜盘转矩:

根据表达式(10)绘制如图8 所示曲线，图中纵坐标为斜盘所受转矩T 与(Fr×R)的比值，其中(Fr×R)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。

［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，2005．

［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，2010(5):75－77．

［3］隋文臣．液控双作用增压器的探讨［J］．液压与气动，2004(10):59－61．

［4］隋文臣．自控式双作用增压器的研究［J］．煤矿机械，2004(9):106－108．

［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，2010，37(12):72－74，110．

［6］王兴洲，徐超，何永森．增压器全液压自动换向装置及其计算方法［J］．中南工业大学学报，2001(1):89－92．