秦培亮，王洋，，翁芸娴，窦云霞

(1.苏州农业职业技术学院信息与机电工程系，江苏苏州 215008；2.苏州大学机电学院，江苏苏州 215021)

目前，在工业领域广泛应用的节流调速系统液压调速技术，主要有定量泵与节流阀组成的节流调速系统以及由变量泵驱动的泵调速系统两种。功率大、流量与压力连续可调的液压泵主要是斜盘式轴向柱塞泵，但是斜盘式轴向柱塞泵的结构极为复杂，特别是柱塞要承受由径向力而形成的力矩，从而使得其摩擦条件恶化，使用寿命与机械效率降低。此外，连接于柱塞下端的滑靴结构复杂，摩擦条件极其恶劣，加上复杂的配流系统等，使得柱塞泵的制造工艺极其复杂。传统的斜盘式轴向柱塞泵还有一个不容忽视的致命缺陷，即流量不稳定，产生所谓脉动率，如欲降低流量脉动率，不仅需要增加柱塞的个数，而且需要柱塞的个数为质数，例如3、5、7、11、13、17、19、23等。过多数量的柱塞实际是一种无奈的选择，不仅造成机构复杂，而且制造成本居高不下。液压电梯的液压驱动系统，是一种典型的需要连续调速的液压系统，从节能及运行成本上考量，采用伺服变量轴向柱塞泵调速比较理想，但是，伺服变量轴向柱塞泵极其昂贵的价格以及故障率较高的因素，限制了其在液压电梯的应用。

文献 ［1－2］对利用toggle机构进行力放大的夹具及压紧装置进行了介绍，作者在此基础上创新设计了一种结构简单、成本低廉的、可连续调节流量与压力的柱塞式液压泵，在大幅度降低生产成本的前提下，使用寿命较传统的斜盘式轴向柱塞泵显著提高，以满足液压电梯等领域对低成本、低故障率变量柱塞泵的要求。

1 柱塞式液压泵的组成

用于液压电梯驱动系统的柱塞泵由双输出轴电机(双输出轴电机为双输出轴伺服电机和双输出轴交流变频电机的一种)，两个旋向相反、导程相同的滚珠丝杠及螺母，两副对称铰接的肘杆，两个对称的柱塞，进排油回路及稳压器 (稳压器上接有数字压力开关)等组成。双输出轴电机的两个输出端分别固定连接着两个旋向相反、导程相同的滚珠丝杠，在两个滚珠丝杠上配合地设置有相应的螺母，螺母固定连接在铰支座上，两副肘杆的一端铰接在铰支座上、另一端连接在柱塞上。该柱塞泵采用卧式对称布局，体现了对称美学的原则。

2 柱塞式液压泵的工作原理

此柱塞式液压泵的工作原理如图1及图2所示。

图1 液压电梯驱动系统的柱塞泵 (即将进入排油状态)

图2 液压电梯驱动系统的柱塞泵 (即将进入进油状态)

图1所示为柱塞泵的待供油输出状态，此时两个容腔中充满压力油，当双输出轴电机分别带动两个旋向相反、导程相同的滚珠丝杠转动，两个螺母副在滚珠丝杠的带动下朝相反方向运动，即上面一个螺母向下运动、下面一个螺母向上运动，此时有一个力作用于肘杆上，利用铰杆的角度效应对该力进行放大，放大的力作用于柱塞上，左、右两个柱塞容腔的容积缩小，对油液形成压力，使得下面通向油箱的单向阀关闭，同时上面的单向阀打开，实现压力油输出，排出压力油，排油回路通过单向阀与稳压器相通，稳压器与外部液压系统相接;待电机带动滚珠丝杠螺母副工作到如图2所示位置时，排油行程结束，双输出轴电机反向旋转，此时上面一个螺母向上运动、下面一个螺母向下运动，会带动左、右两个柱塞同时向内侧对称运动，这时，左、右两个容腔的容积扩大，形成负压，油箱中的液压油在大气压的作用下，打开下面的单向阀，分别进入左、右两个柱塞的容腔内，进入进油工作行程，进油路通过单向阀与油箱相通，电机带动滚珠丝杠螺母副工作到如图1所示位置时，进油行程结束，转而进入排油阶段，如此循环工作。

3 力学计算

图1、2所示的柱塞泵，输出液体的压力计算公式为:

其中:M为电机输出转矩;

d为柱塞直径;

α为肘杆压力角;

η为总机械效率。

由公式 (1)可见:液压泵所输出的压力p，在转矩M、丝杠导程s以及柱塞直径d一定的情况下，取决于肘杆的压力角α。压力角越大，则液压泵输出的压力越小;压力角越小，则液压泵输出的压力越大。因此，通过控制压力角的大小，可以使液压泵的输出压力在很大范围内变化。

图1、2所示柱塞泵的排量计算公式为:

式中:ηV为柱塞泵的容积效率。

由公式 (2) 可见:由于 cosα在 α=0°～90°的变化区间内，是一个非线性递减的函数，所以α1与α2即使差值相同，在不同位置时，泵的排量也是不一样的。α1与α2在较大的区间取值时，排量较大;在较小的区间取值时，排量较小。综合公式 (1)、(2)可以看出:通过控制系统，使得α在取值较大的区间内运行，可以得到低压大流量泵;反之，使得α在取值较小的区间内运行，可以得到高压小流量泵。

4 柱塞式液压泵的优点及创新点

由于文中柱塞泵的动力元件为伺服电机和交流变频电机的一种，并通过对称的丝杠－螺母－肘杆机构推动柱塞运动，所以，通过数控编程控制伺服电机的角位移，完全可以任意选择α所在的区间，以及α1与α2的差值;而通过变频器，也可以控制交流变频电机的转速，再加上其他电器控制装置，从而也可以任意选择α所在的区间以及α1与α2的差值。因此该柱塞泵所输出的压力和流量，能够在很大的范围内连续进行数字化控制与调节，非常适合需要对压力及流量进行频繁调整的场合，尤其适用于液压电梯等需要大功率、连续调速的设备。

文献［4］公开了一种对称肘杆驱动的双作用柱塞泵，但该双作用柱塞泵仅仅表示了最后一级机械传动装置，如果加上前端的减速机构与驱动电机，就会发现该双作用柱塞泵的整体布局极为不对称。此外，该双作用柱塞泵中的肘杆机构是铰接在齿轮端面的偏心销轴上，该销轴为悬臂梁，受力状况极差。文中柱塞泵的创新点在于:通过采用双输出轴的伺服电机或交流变频电机，驱动对称布置的丝杠－螺母－肘杆机构，继而推动两个柱塞同时进行向里或向外的对称运动，不仅能够使得柱塞液压泵的输出压力与流量在很大的范围内进行自动化控制与调节，而且柱塞液压泵的最主要的元件——柱塞，在理论上不承受任何径向力，因此，柱塞运动过程的摩擦方式极为简单，不仅能够显著延长其使用寿命，而且能够提高机械效率，有利于节能。

5 结束语

介绍一种用于液压电梯驱动系统的柱塞式液压泵，该泵功能较为完善，对称结构，柱塞泵的出口连接了液压稳压器，因此，能够以稳定的流量向液压执行系统输出压力液体。此外，液压稳压器上连接了数字压力开关，可以根据压力的变化来进行自动化控制，使得所输出的压力能够满足不同的需要。双输出轴电机－丝杠－螺母－肘杆机构与柱塞液压泵装置极为紧凑地集成在一起，加上数控系统或交流变频等控制系统，以及稳压器、压力开关等，形成了一种机电液一体化的新型液压动力元件装置。这种新型的液压动力装置，与传统的带有伺服变量的斜盘式轴向柱塞泵相比，生产成本及故障率大幅度降低，使用寿命显著提高。

［1］秦培亮，钟康民.基于杆件可重构的角度效应增力夹具系统的设计［J］.机床与液压，2012，40(5):117 －118.

［2］秦培亮，王洋，钟康民.基于直线电机驱动的恒增力杠杆与二次正交toggle机构的压紧装置［J］.机械制造，2013(8):75－76.

［3］林文焕，陈本通.机床夹具设计［M］.北京:国防工业出版社，1987.

［4］王明娣，钟康民，戴晓兰，等.一种双作用柱塞泵:中国，CN 102207066 B［P］.2011－10－05.