新型三级压力双作用气－液增压装置(泵)原理设计与分析

苏万清，钟丽珠

(广西水利电力职业技术学院，广西南宁530023)

液压技术具有系统体积小、质量轻、结构紧凑、功率大等诸多优点，在工农业、交通运输、航空航天、海洋工程、矿产开采等领域得到广泛应用。但液压传动要求液压泵为保持系统压力处于连续运行状态，因此不仅造成系统功率浪费，而且增加液压泵的磨损，降低使用寿命。相比之下，气动技术以压缩空气作为工作介质，由于空气具有较大的可压缩性和较小的黏性，空气的压力势能便于储蓄和传输，使系统更容易实现保压而保全功率;而且空气是清洁和可循环利用的，所以气压传动污染少，是一种“准绿色”的传动技术，其优势日益凸显。但是，气压传动也有一个自身难以克服的严重缺点，就是系统压力不可能太高(一般pA=0.4 ～0.7 MPa)，因而往往容易造成系统压力小、输出动力不足或装置体积过于庞大等问题。基于以上原因，集气动和液压技术的优点，研发了一种具有3 级压力输出的双作用气－ 液增压装置(泵)。

1 新型三级压力双作用气-液增压装置(泵)的组成和工作原理

新型三级压力双作用气－液增压装置(泵)是一种将气体的动力转换成液体动力的能量转换元件，它是利用静压传递原理，输入较低压力的气体，经转换后，以较高的液体压力输出。气－ 液增压装置(泵)工作原理如图1 所示。该装置主要由活塞式液压缸、柱塞式液压缸、活塞式气缸、顺序阀、节流阀和单向阀组成［1］。

图1 显示，本装置采用双气缸结构，活塞及缸体沿轴向方向由里到外对称分布。中间至两端依次为活塞式液压缸及活塞、活塞式气缸及活塞、柱塞式液压缸及柱塞，其他气动和液压控制元件也基本呈对称分布，压缩空气由气动换向阀14 输入，液压油经增压后由液压换向阀3 输出。气动换向阀14 根据a 或b口传来的气压信号(也可采用机动信号、行程控制)自动换向，气缸活塞往复运动、自动循环(即所谓双作用)，实现连续供油。

当压缩空气作用于气缸21 活塞的右侧(或气缸23 活塞的左侧)时，活塞整体向左(或右)运动，液体经单向阀13、9 (或单向阀15、19)吸入液压缸22 的右腔(或左腔)和柱塞缸24 (或柱塞缸20)，同时，液压缸22 的左腔(或右腔)和柱塞缸20 (或柱塞缸24)通过单向阀5、1 (或单向阀6、8)向外压出液体，两路汇合后进入执行机构，实现气－液能量转换;此时，因外界负载较小，装置处于低压、大流量工况工作，执行元件快速移动。随着外界负载增大，系统压力逐渐升高，气动顺序阀l0 (或18)在气压的作用下自动导通，压缩空气同时作用于气缸21 活塞的右侧(或气缸23 活塞的左侧)和气缸23活塞的右侧(或气缸21 活塞的左侧)，由原来的单缸作用变为双缸作用;此时，液体的吸入和压出情况与前述工况相同，但由于气压作用面积增加、作用力增大而提高液体的输出压力，装置处于中压、中流量工况工作(一次增压)。当外界负载进一步增大，系统压力进一步升高，液压顺序阀2 (或7)导通，柱塞缸卸荷，减小了液体压力的作用面积;液压缸20左腔(或右腔)通过单向阀5 (或单向阀6)单独向外压出高压小流量液体，实现二次增压，装置处于高压、小流量工况工作［2］。

图1 新型三级压力双作用气－液增压装置(泵)工作原理示意图

2 工作特性分析

2.1 输出压力与输出流量计算

设图1 所示增压装置的输入压力为pq，各工况下的输出压力p 和输出流量q 可由以下公式计算。

(1)低压供油时的输出压力pL和输出流量qL的计算公式:

(2)中压(一次增压)供油时的输出压力pM和输出流量qM的计算公式:

(3)高压(二次增压)供油时的输出压力pH和输出流量qH的计算公式:

式中:D1为气缸内径;

D2为中心液压缸内径;

d1为活塞杆直径;

d2为柱塞直径;

l 为活塞行程长度;

ηv为容积效率;

ηm为机械效率;

nL、nM、nH为分别为低压、中压和高压时单位时间活塞往复行程数(次数/时间)，也称为工作频率。

上述式子表明:pH＞pM＞pL;若气体输入量恒定，显然有:nL＞nM＞nH，即qL＞qM＞qH。

2.2 工作特性分析

该装置的主要工作特性:

(1)气动换向阀在气压信号的作用下自动换向，活塞往复运动并自动循环，实现双作用，满足对液压系统连续、高效供油的要求;

(2)具有3 级压力输出，且可根据外界负载的变化进行高、中、低3 级压力自动切换，匹配性能好，较大程度上满足工程的实际需要(即对液压系统多工况自动转换的性能要求)，既能满足液压系统在大负载工况下的工作性能要求，在低负载工况下也不至于造成功率浪费;

(3)由于空气具有压缩性，使得气－ 液增压装置具有蓄能器的功能，当外界负载与气缸推力达到平衡时会自动保压和蓄能，因此，在间歇性工况下，节能效果尤为突出，并减少了供油装置的运行时间，提高使用寿命，同时可减缓液压冲击;

(4)调节节流阀11、17，可适当改变工作频率n，从而改变装置的输出流量，增大执行元件的调速范围;

(5)由于该装置具有3 级压力输出且可自动切换，以及具有蓄能和自动保压功能，有利于简化液压系统的组成，便于实现自动控制和系统集成化;

(6)该装置的控制元件均呈对称分布，在设计上较方便地与泵体连为一体，置于泵体内部，整体上提高了结构的集成度和整体性［3］;且便于采用闭式设计，油液封闭循环，油液蒸发及外泄少，故能显著降低环境污染。

3 结束语

新型三级压力双作用气－液增压装置(泵)是气动和液压技术有机结合、经优化组合而得到的装置，集中了气动和液压技术的优点。该气－液增压装置(泵)具有3 级液体压力输出并能实现自动转换的功能，能满足对液压系统多工况的工作要求，利于节能。如采用闭式系统设计，将使结构更简洁紧凑，环保效果更突出;对于采用压缩空气作为动力供给源的场合，使用气－液增压装置(泵)尤为方便、安全和经济。在绿色设计和制造理念日益深入人心的今天，气－液增压技术具有良好的推广价值和广阔的应用领域。

［1］李雪梅，丁峰．节能式增压缸的设计与应用［J］．液压与气动，2006(9):40－41．

［2］吴宗泽．机械设计师手册［M］．北京:机械工业出版社，2002．

［3］吴春玉，辛莉．液压与气动技术［M］．北京:北京大学出版社，2008(8):24－26．