气压与伺服电机驱动的柱塞压力泵的创新设计
【】在研究伺服电机以及传统气压柱塞泵基本原理和特性的基础上，本文引入了两级调压、无级调压和数控泵恒流量输出等新思路，实现了新型气动式柱塞泵和恒流柱塞泵的设计，前者能够将压缩空气作为动力源，有结构简单，调速范围广，适应能力强等特点；后者可以利用直线和旋转两种伺服电机实现恒流输出，并采用两只柱塞泵避免空行程问题产生，从而获得更高的液体输出效率。
目录
引言： 1
一、气压与伺服电机概述 2
（一）工作原理 2
（二）基本特性 2
二、气压与伺服电机驱动的柱塞压力泵分析 2
（一）柱塞泵的原理 2
（二）柱塞泵的缺陷 3
三、气压与伺服电机驱动柱塞压力泵的创新设计 4
（一）有级调压柱塞泵 4
（二）无级调压柱塞泵 6
四、恒流柱塞泵的创新设计 7
（一）有级调压恒流柱塞泵 8
（二）无级调压恒流柱塞泵 9
结论： 11
参考文献： 12
致辞 13
引言：
在机电液一体化发展背景下，伺服传动、自动控制等技术得以实现了交叉融合，促使气压与伺服电机驱动的柱塞压力泵得以产生，在工程、野外作业等领域得到了广泛应用。但就目前来看，常见的启动柱塞压力泵存在技术性能差、功能少等问题，还需引入新思维实现柱塞泵的机电液一体化创新设计，以满足流体传动领域实践应用需要。
气压与伺服电机概述
（一）工作原理
针对气动柱塞泵，其气压驱动装置可以分为气缸和气动肌腱两类，前者由活塞杆、缸筒、活塞、等零部件构成，能够利用气体介质进行活塞的推动，从而实现能量转换。气动肌腱由包裹特殊纤维栅格网的橡胶织物管及两段接头构成，栅格网中预先嵌入了能承受高负载的材料，管内通入压缩空气后能够产生同缸径气缸数倍的拉伸力。
伺服电机作为执行电机，在自动控制或调节装置中得到了广泛使用。从工作原理上来看，该装置能够将接收到的控制电压或电流信号转换为电机的转速或转角，使电机立即响应信号做出响应动作，并在信号消失后立即停止。
（二）基本特性
从特性上来看，气压驱动装置为单作用驱动 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
执行元件，可以在气压作用下产生拉伸力。相较于传统气缸，气动肌腱重量较轻，拉伸力为普通气缸的数倍，耗气量为普通气缸的40%，低速运动时无爬行、粘沾等问题，动态特性较佳。
伺服电机具有服从控制信号动作的特性，分为直流伺服电机和交流伺服电机两种，前者拥有较好的线性，起动能力强、效率较高，可以实现交宽范围的调速，但结构复杂，易产生电磁干扰；后者结构简单、运行稳定、但是线性差、效率低，容易出现“自转”问题。选用伺服电机时，还要结合系统控制性能要求和不同伺服电机特性进行合理选择，确保电机稳定运行、励磁可靠，能够满足工作频率和启动要求。
二、气压与伺服电机驱动的柱塞压力泵分析
（一）柱塞泵的原理
如图21，传统气动柱塞泵负荷传动装置利用压缩空气为动力源，可以通过放大气体压力对高压液体实现能量输出，污染程度较低，液体流量较小，无需配备冷却系统。但是这类柱塞泵需要采用清洁的压缩空气，系统压力通常在0.40.7MPa范围内，压力不能过高，以免装置体积过大。如果需要输出较大压力，通常需要采用气液传动增压装置，通过气液复合传动获得更大压力。
图21 气动柱塞泵
传统伺服电机驱动柱塞压力泵在工业领域得到了广泛应用，在超高压与高压液压传动领域，主要采用斜盘式轴向柱塞泵，如图22。其具有输出压力高、流量范围大和溶剂效率高等特点[1]。在工作阶段，斜盘和配流盘位置不动，缸体轴线与盘法线存在交角。在轴的带动下，缸体将做旋转运动。而缸体上分布若干均匀分布的轴向柱塞孔，内部存在柱塞，能够在弹簧、斜盘和压板作用下进行往复运动，改变柱塞与缸体间密封腔溶剂。通过流盘上的吸油口和压油口，柱塞压力泵则能实现吸油和压油。
图22 斜盘式轴向柱塞泵
1斜盘；2缸体；3柱塞；4配流盘；5轴；6弹簧
（二）柱塞泵的缺陷
现阶段，传统气动柱塞泵需要完成气缸活塞与柱塞泵活塞的同轴布置，以满足增压要求。但是采用该种设计，很容易导致液压缸中进入压缩气体，导致气液混合，继而损坏系统元件性能。受这一因素的影响，传统柱塞泵工作不稳，寿命也较短。如果通过气体和液体串联式组合解决这一问题，又会造成柱塞泵运行过程中出现空行程。在加工阶段，也难以保证活塞与缸体能够完全密封，因此同样会导致元件损坏加速。
采用传统伺服电机柱塞泵，可以通过增多柱塞数量降低流量脉动率。但是设置过多柱塞，将导致柱塞泵的结构过于复杂，也难以保持流量脉动率稳定。即便采用凸轮式径向柱塞泵，完成多只凸轮的安装，实现行程速度叠加，也需要设置48倍柱塞才能实现恒流输出。采用该种复杂的结构形式，在加工与装配的过程中则容易导致相位误差的产生，继而导致泵流量存在较大脉动率。
三、气压与伺服电机驱动柱塞压力泵的创新设计
针对气压驱动柱塞泵现有的机构，我们对出了如图31的研究框架方向。
图31研究内容框架图
3.1气动式柱塞泵的创新设计
在气动式柱塞泵创新设计上，可以运用创新思维将刚性气缸置换成气动肌腱，以便利用柔性元件获得能够适应各种恶劣环境的柱塞压力泵结构。如图32
图32气动肌腱工作原理图
3.1.1有级调压柱塞泵
结合气动式柱塞泵的缺陷，可以利用气动肌腱完成并联式双作用单极柱塞泵的创新设计。如图33。
图33并联式双作用单极柱塞泵
当气动换向阀在工作状态下时，此时单向阀1、4关闭，单向阀3打开，并且向外输出所需压力液体，单向阀2打开，左侧柱塞泵吸入液体，采取过去的气体与液体串并联形式，气缸与液压缸连接的过程中需要达到较高的同轴度要求。但就现有加工水平来看，将难以实现缸体与活塞的完全密封，所以容易导致空气进入液压缸，继而造成气液混合。针对这一问题，采用中间机构进行气体和液体的并联组合，则能使问题得到有效解决。具体来讲，就是将齿轮作为中间的连接结构，与气缸活塞连接在一起。利用齿轮进行柱塞泵活塞驱动，其内部包含大腔活塞和两端两个小腔活塞。在启动换向阀在左位工作时，气缸左腔会进入空气，使活塞向右运动。在连接机构的杠杆作用下，柱塞泵活塞会向左运动，使单向阀吸液。在排除液体后，执行元件将趋近工作状态。换向阀在右位工作时，单向阀再次吸液和排液，促使活塞进行循环往复运动。采用行程控制方式，则能对气动肌腱换向进行控制。采用该种柱塞泵，能够使活塞往复运动的过程中始终进行液体输出，达到双作用的设计目标。但在实践应用中，不仅要求柱塞泵实现压力液体输出，还要求柱塞泵能够在空行程期间进行低压大流量输出，确保执行器尽快达到工作状态，能够结合负载变化进行高压流量输出转换。
目录
引言： 1
一、气压与伺服电机概述 2
（一）工作原理 2
（二）基本特性 2
二、气压与伺服电机驱动的柱塞压力泵分析 2
（一）柱塞泵的原理 2
（二）柱塞泵的缺陷 3
三、气压与伺服电机驱动柱塞压力泵的创新设计 4
（一）有级调压柱塞泵 4
（二）无级调压柱塞泵 6
四、恒流柱塞泵的创新设计 7
（一）有级调压恒流柱塞泵 8
（二）无级调压恒流柱塞泵 9
结论： 11
参考文献： 12
致辞 13
引言：
在机电液一体化发展背景下，伺服传动、自动控制等技术得以实现了交叉融合，促使气压与伺服电机驱动的柱塞压力泵得以产生，在工程、野外作业等领域得到了广泛应用。但就目前来看，常见的启动柱塞压力泵存在技术性能差、功能少等问题，还需引入新思维实现柱塞泵的机电液一体化创新设计，以满足流体传动领域实践应用需要。
气压与伺服电机概述
（一）工作原理
针对气动柱塞泵，其气压驱动装置可以分为气缸和气动肌腱两类，前者由活塞杆、缸筒、活塞、等零部件构成，能够利用气体介质进行活塞的推动，从而实现能量转换。气动肌腱由包裹特殊纤维栅格网的橡胶织物管及两段接头构成，栅格网中预先嵌入了能承受高负载的材料，管内通入压缩空气后能够产生同缸径气缸数倍的拉伸力。
伺服电机作为执行电机，在自动控制或调节装置中得到了广泛使用。从工作原理上来看，该装置能够将接收到的控制电压或电流信号转换为电机的转速或转角，使电机立即响应信号做出响应动作，并在信号消失后立即停止。
（二）基本特性
从特性上来看，气压驱动装置为单作用驱动 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
执行元件，可以在气压作用下产生拉伸力。相较于传统气缸，气动肌腱重量较轻，拉伸力为普通气缸的数倍，耗气量为普通气缸的40%，低速运动时无爬行、粘沾等问题，动态特性较佳。
伺服电机具有服从控制信号动作的特性，分为直流伺服电机和交流伺服电机两种，前者拥有较好的线性，起动能力强、效率较高，可以实现交宽范围的调速，但结构复杂，易产生电磁干扰；后者结构简单、运行稳定、但是线性差、效率低，容易出现“自转”问题。选用伺服电机时，还要结合系统控制性能要求和不同伺服电机特性进行合理选择，确保电机稳定运行、励磁可靠，能够满足工作频率和启动要求。
二、气压与伺服电机驱动的柱塞压力泵分析
（一）柱塞泵的原理
如图21，传统气动柱塞泵负荷传动装置利用压缩空气为动力源，可以通过放大气体压力对高压液体实现能量输出，污染程度较低，液体流量较小，无需配备冷却系统。但是这类柱塞泵需要采用清洁的压缩空气，系统压力通常在0.40.7MPa范围内，压力不能过高，以免装置体积过大。如果需要输出较大压力，通常需要采用气液传动增压装置，通过气液复合传动获得更大压力。
图21 气动柱塞泵
传统伺服电机驱动柱塞压力泵在工业领域得到了广泛应用，在超高压与高压液压传动领域，主要采用斜盘式轴向柱塞泵，如图22。其具有输出压力高、流量范围大和溶剂效率高等特点[1]。在工作阶段，斜盘和配流盘位置不动，缸体轴线与盘法线存在交角。在轴的带动下，缸体将做旋转运动。而缸体上分布若干均匀分布的轴向柱塞孔，内部存在柱塞，能够在弹簧、斜盘和压板作用下进行往复运动，改变柱塞与缸体间密封腔溶剂。通过流盘上的吸油口和压油口，柱塞压力泵则能实现吸油和压油。
图22 斜盘式轴向柱塞泵
1斜盘；2缸体；3柱塞；4配流盘；5轴；6弹簧
（二）柱塞泵的缺陷
现阶段，传统气动柱塞泵需要完成气缸活塞与柱塞泵活塞的同轴布置，以满足增压要求。但是采用该种设计，很容易导致液压缸中进入压缩气体，导致气液混合，继而损坏系统元件性能。受这一因素的影响，传统柱塞泵工作不稳，寿命也较短。如果通过气体和液体串联式组合解决这一问题，又会造成柱塞泵运行过程中出现空行程。在加工阶段，也难以保证活塞与缸体能够完全密封，因此同样会导致元件损坏加速。
采用传统伺服电机柱塞泵，可以通过增多柱塞数量降低流量脉动率。但是设置过多柱塞，将导致柱塞泵的结构过于复杂，也难以保持流量脉动率稳定。即便采用凸轮式径向柱塞泵，完成多只凸轮的安装，实现行程速度叠加，也需要设置48倍柱塞才能实现恒流输出。采用该种复杂的结构形式，在加工与装配的过程中则容易导致相位误差的产生，继而导致泵流量存在较大脉动率。
三、气压与伺服电机驱动柱塞压力泵的创新设计
针对气压驱动柱塞泵现有的机构，我们对出了如图31的研究框架方向。
图31研究内容框架图
3.1气动式柱塞泵的创新设计
在气动式柱塞泵创新设计上，可以运用创新思维将刚性气缸置换成气动肌腱，以便利用柔性元件获得能够适应各种恶劣环境的柱塞压力泵结构。如图32
图32气动肌腱工作原理图
3.1.1有级调压柱塞泵
结合气动式柱塞泵的缺陷，可以利用气动肌腱完成并联式双作用单极柱塞泵的创新设计。如图33。
图33并联式双作用单极柱塞泵
当气动换向阀在工作状态下时，此时单向阀1、4关闭，单向阀3打开，并且向外输出所需压力液体，单向阀2打开，左侧柱塞泵吸入液体，采取过去的气体与液体串并联形式，气缸与液压缸连接的过程中需要达到较高的同轴度要求。但就现有加工水平来看，将难以实现缸体与活塞的完全密封，所以容易导致空气进入液压缸，继而造成气液混合。针对这一问题，采用中间机构进行气体和液体的并联组合，则能使问题得到有效解决。具体来讲，就是将齿轮作为中间的连接结构，与气缸活塞连接在一起。利用齿轮进行柱塞泵活塞驱动，其内部包含大腔活塞和两端两个小腔活塞。在启动换向阀在左位工作时，气缸左腔会进入空气，使活塞向右运动。在连接机构的杠杆作用下，柱塞泵活塞会向左运动，使单向阀吸液。在排除液体后，执行元件将趋近工作状态。换向阀在右位工作时，单向阀再次吸液和排液，促使活塞进行循环往复运动。采用行程控制方式，则能对气动肌腱换向进行控制。采用该种柱塞泵，能够使活塞往复运动的过程中始终进行液体输出，达到双作用的设计目标。但在实践应用中，不仅要求柱塞泵实现压力液体输出，还要求柱塞泵能够在空行程期间进行低压大流量输出，确保执行器尽快达到工作状态，能够结合负载变化进行高压流量输出转换。
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