雙工況自適應直線電機驅動泵及其實現恆流輸出的方法
2023-07-20 08:23:16 3
雙工況自適應直線電機驅動泵及其實現恆流輸出的方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙工況自適應直線電機驅動泵，包括一對基本柱塞單元、直線電機、輸入口和輸出口，基本柱塞單元相對於直線電機對稱設置，且分別與固定在直線電機上的連杆連接，直線電機包括底座和滑塊，底座設置在雙工況自適應直線電機驅動泵底部的中央，滑塊設置在底座上，且能夠沿著底座做直線運動，基本柱塞單元包括上缸蓋、缸體、柱塞和下缸蓋，上缸蓋和缸體固定連接，下缸蓋與缸體固定連接，柱塞設置在缸體內部，並且從上缸蓋中穿出，缸體包括上進液口、上出液口和缸套，其中上進液口和上出液口分別對稱設置於缸套頂端的左右側。本發明能夠滿足水面快速下潛、深海懸浮時精確微調的要求，適用於深、淺海域，能夠自動進行高低壓工作模式切換。
【專利說明】雙エ況自適應直線電機驅動泵及其實現恆流輸出的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於柱塞泵【技術領域】，更具體地，涉及ー種雙エ況自適應直線電機驅動泵及其實現恆流輸出的方法。
【背景技術】
[0002]隨著全球的經濟發展，人類對資源的需求越來越龐大，陸地資源的日漸枯竭，全世界的目光逐漸向資源儲量豐富的海洋轉移。開發海底資源，需要一系列的海洋裝備，其中潛水器是海洋資源開發主要裝備之一，不論是海洋勘探、科學考察，還是開發作業、軍事偵查都需要用到潛水器。
[0003]對潛水器的舵進行控制，可達到對潛器的俯仰角以及升沉運動進行控制的目的(此為傳統升沉控制方式)，該種方式前提是潛水器必須具有前行速度。當潛水器受地理環境限制在水面不能前行時，傳統升沉控制方式就不能有效的控制潛水器下潛。潛水器在執行任務過程中進行取樣或者施放裝置後，其質量均會發生變化；且海水的密度易受溫度等多種因素影響，而密度的變化會導致潛水器的浮力發生變化。以上浮力或重力的變化均會打破潛水器之前的中性浮力，從而導致潛器的上升或下沉，當潛水器處於懸停作業沒有前行速度時，傳統升沉控制方式很難有效的對潛器進行定深控制。因此為了保證潛水器能在多種環境下下潛，且在作業時能保持相對穩定的作業エ況，需要引入浮力調節系統對傳統舵控進行補充。且該系統需滿足:潛水器能在水面能快速下潛、潛水器在深海懸浮作業時能精確的對其重力或浮力進行微調。作為現行浮力調節系統的典型代表，可調壓載海水液壓浮力調節系統具有浮力調節範圍廣、工作深度大、環境友好等諸多優點。
[0004]目前國內廣泛用於可調壓載海水液壓浮力調節系統的海水泵主要為斜盤式海水柱塞泵，如:華中科技大學於2010年公布的自補水型閥配流柱塞式超高壓水泵(申請號:201010289304.6)其創新的在柱塞泵類加入一補水泵，使得該泵具有較好的自吸性能；2012年華中科技大學公布了ー種全深度浮力調節海水泵(申請號:201210169993.6)，其對傳統柱塞泵進行了一系列優化:引入了階梯柱塞、加入壓カ補償器等結構，使得該泵具有較強的適應性能在任意海深工作。斜盤式海水柱塞泵中存在著旋轉運動轉換成直線運動的環節，複雜的結構使得其製造難度大、維護檢修複雜以及減振降噪困難。而採用直線電機作為動力端直接驅動柱塞，能大大地簡化海水泵的結構，井能使其具有結構緊湊、流量調節方便、噪聲低以及壓力流量脈動小等諸多優點。而且，現有海水泵為定量泵，在相同輸入驅動功率的情況下，其最大輸出壓力恆定。而實際上作為海水浮力調節泵，在相同輸入功率的條件下，在淺海工作吋，由於系統輸出壓力低，希望増大流量，提高工作效率；在深海工作吋，則通過減小泵的輸出流量提高其輸出壓力高。現有海水泵顯然難以滿足這種エ況需求。
[0005]2005年國內第一個多直線電機驅動往復泵獲得授權，(申請號:200420061662.1),該泵直線電機和柱塞分兩側布置，未充分利用直線電機的反向行程。直線電機驅動雙作用多缸往復泵(申請號:200620033246.X)以及齒輪齒條耦合的直線電機多缸往復泵(申請號:200910167746.0)分別於2007年以及2011年獲得授權，兩者均利用了直線電機的反向行程，但前者柱塞工作容腔恆定，限於目前成熟商用小型直線電機產品的最大推力，在直線電 機的最大推力恆定時，該泵的工作壓力範圍有限；而後者雖滿足較大的工作壓力範圍，但在 兩柱塞軸之間加入了齒輪齒條，這種結構增加了泵結構的複雜度，降低了泵的可靠性。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種能用於可調壓載海水液 壓浮力調節系統的雙工況自適應直線電機驅動泵及其實現恆流輸出的方法，其目的在於能 夠滿足水面快速下潛、深海懸浮時精確微調的要求，適用於深、淺海域，能夠自動進行高低 壓工作模式切換，滿足不同深度浮力調節要求，能通過多臺泵組合實現無流量脈動輸出，並 能通過設置速度曲線對組合輸出流量進行比例/伺服控制。[0007]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種雙工況自適應直線電機驅 動泵，包括一對基本柱塞單兀、直線電機、輸入口和輸出口，基本柱塞單兀相對於直線電機 對稱設置，且分別與固定在直線電機上的連杆連接，直線電機包括底座和滑塊，底座設置在 雙工況自適應直線電機驅動泵底部的中央，滑塊設置在底座上，且能夠沿著底座做直線運 動，基本柱塞單元包括上缸蓋、缸體、柱塞和下缸蓋，上缸蓋和缸體固定連接，下缸蓋與缸體 固定連接，柱塞設置在缸體內部，並且從上缸蓋中穿出，缸體包括上進液口、上出液口和缸 套，其中上進液口和上出液口分別對稱設置於缸套頂端的左右側，缸套用於容納柱塞，從而 形成上下兩個工作容腔，下缸蓋包括下進液口、下出液口和液控開關閥，其中下進液口和下 出液口分別對稱設置於下缸蓋頂端的左右側，液控開關閥設置於下缸蓋的底部，液控開關 閥包括閥入口、閥芯、螺堵、液控推桿、控制口、彈簧、閥座、閥出口，閥入口與下進液口連通， 閥出口設置於下缸蓋底部的左側，且與對稱柱塞單元液控開關閥的閥出口相互連通，控制 口設置於下缸蓋底部的右側且與輸出口連接，液控推桿設置於控制口內部，閥芯和閥座設 置於下缸蓋的左側中部，彈簧設置於閥芯與螺堵之間。[0008]優選地，驅動泵還包括一對第一吸入閥和一對第二吸入閥，第一吸入閥和第二吸 入閥設置在基本柱塞單元的左側，且彼此連接，並與輸入口連接，用於輸入液體。[0009]優選地，驅動泵還包括一對第一排出閥和一對第二排出閥，第一排出閥和第二排 出閥設置在基本柱塞單元的右側，且彼此連接，並與輸出口連接，用於輸出液體。[0010]優選地，基本柱塞單元分別通過一對聯軸器與固定在直線電機上的連杆連接。[0011]按照本發明的另一方面，提供了一種雙工況自適應直線電機驅動泵實現恆流輸出 的方法，包括以下步驟:[0012](I)將多臺雙工況自適應直線電機驅動泵的輸入口相連，輸出口相連；[0013](2)判斷雙工況自適應直線電機驅動泵的數量是偶數還是奇數，如果是偶數，則進 入步驟(3)，否則進入步驟(4)；[0014](3)將雙工況自適應直線電機驅動泵分為多對，每對中的兩臺雙工況自適應直線 電機驅動泵的速度曲線均三角波，且二者速度曲線相差四分之一個周期；[0015](4)將雙工況自適應直線電機驅動泵其中3臺的速度曲線設置為梯形波，該梯形 波上下半個周期中的加速度、勻速段與減速段各佔六分之一個周期，且三條梯形曲線各相 差三分之一個周期，並將剩下的偶數臺雙工況自適應直線電機驅動泵分為若干對，每對中 的兩臺雙工況自適應直線電機驅動泵的速度曲線均設置為三角波，且二者速度曲線相差四分之ー個周期。
[0016]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0017](I)結構簡単，較斜盤式柱塞泵而言摩擦副大量較少，壽命、噪聲、效率等指標均有了較大改善。
[0018](2)利用了直線電機正反向行程以及柱塞的上下兩個工作容腔，使得直線電機正正反向行程均得到有效的利用，較其他相同柱塞面積的直線電機驅動泵輸出流量更大，結構更合理，效率更高。
[0019](3)通過液控開關閥實現低壓大流量、高壓小流量兩種エ況自動切換，更符合潛水器浮力調節系統的水面快速下潛、深海懸浮時精確微調的工作要求。
[0020](4)本發明較斜盤式柱塞泵控制更為靈活，按本發明提供方法對直線電機滑塊的速度曲線進行規劃，可實現組合恆流輸出以及流量比例/伺服控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明雙エ況自適應直線電機驅動泵的應用環境圖。
[0022]圖2是本發明雙エ況自適應直線電機驅動泵結構示意圖。
[0023]圖3是本發明的基本柱塞單元結構示意圖。
[0024]圖4是雙エ況自適應直線電機驅動泵實施恆流輸出時的三角波速度曲線。
[0025]圖5是雙エ況自適應直線電機驅動泵實施恆流輸出時的梯形波速度曲線。
[0026]圖6是兩臺雙エ況自適應直線電機驅動泵實施恆流輸出時的流量曲線。
【具體實施方式】
[0027]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進ー步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0028]如圖1所示，本發明的雙エ況自適應直線電機驅動泵是應用在ー種可調壓載海水液壓浮力調節系統中，根據原理圖可知，海水泵運行後，通過電磁閥控制海水流向，實現潛器中壓載水艙的注、排水，以改變水艙中海水重量，從而調節潛水器自重。而海水泵作為其中關鍵元件，其性能好壞直接影響著整個可調壓載海水液壓浮力調節系統的工作性能。
[0029]如圖2所示，本發明的雙エ況自適應直線電機驅動泵包括ー對基本柱塞単元1、直線電機2、ー對第一吸入閥3、ー對第ニ吸入閥4、ー對第一排出閥5、ー對第ニ排出閥6、輸入ロ 7和輸出ロ 8，兩個基本柱塞単元I相對於直線電機2對稱設置，基本柱塞単元I分別通過聯軸器10和11與固定在直線電機2上的連杆9連接。
[0030]直線電機2包括底座21和滑塊22，底座21設置在雙エ況自適應直線電機驅動泵底部的中央，滑塊22設置在底座21上，且能夠沿著底座21做直線運動。
[0031]第一吸入閥3和第二吸入閥4設置在基本柱塞単元I的左側，且彼此通過管道連接，並與雙エ況自適應直線電機驅動泵的輸入ロ 7連接，用於輸入液體。
[0032]第一排出閥5和第二排出閥6設置在基本柱塞單元I的右側，且彼此通過管道連接，並與雙工況自適應直線電機驅動泵的輸出口 8連接，用於輸出液體。[0033]如圖3所示，基本柱塞單元I包括上缸蓋11、缸體12、柱塞13和下缸蓋14，上缸蓋 11和缸體12通過螺釘固定連接，下缸蓋14與缸體12通過焊接方式固定連接，柱塞13設置 在缸體12內部，並且從上缸蓋11中穿出。[0034]缸體12包括上進液口 121、上出液口 122和缸套123，其中上進液口 121和上出液 口 122分別對稱設置於缸套123頂端的左右側，缸套123用於容納柱塞13，從而形成上下兩 個工作容腔15與16。[0035]下缸蓋14包括下進液口 141、下出液口 142和液控開關閥143，其中下進液口 141 和下出液口 142分別對稱設置於下缸蓋14頂端的左右側，液控開關閥143設置於下缸蓋14 的底部。[0036]液控開關閥143包括閥入口 1431、閥芯1432、螺堵1433、液控推桿1434、控制口 1435、彈簧1436、閥座1437、閥出口 1438。閥入口 1431與下進液口 141連通，閥出口 1438設 置於下缸蓋14底部的左側，且與對稱柱塞單元液控開關閥的閥出口相互連通，控制口 1435 設置於下缸蓋14底部的右側且與輸出口 8連接，液控推桿1434設置於控制口 1435內部，閥 芯1432和閥座1437設置於下缸蓋14的左側中部，彈簧1436設置於閥芯1432與螺堵1433 之間。裝配時，先壓入閥座1437，再依次裝入閥芯1432、彈簧1436，最後旋上裝有O形圈的 螺堵1433。[0037]本發明的雙工況自適應直線電機驅動泵的工作原理如下:首先，與輸出口 8連接 的控制口 1435檢測驅動泵的輸出壓力，並判斷工況是低壓工況還是高壓工況，如果低於設 置的閾值，則為低壓工況，如果高於，則為高壓工況，其中閾值是通過彈簧1436的剛度與預 壓縮量設置的。[0038]在低壓工況時，此時與輸出口 8連接的控制口 1435內壓力未達到設定的切換壓 力，液控開關閥處於關閉狀態，柱塞單元下容腔16的液體只能從下出液口 142並經由第二 排出閥6流出，因此此時柱塞單元的上容腔15與下容腔16均為有效工作容腔，柱塞的有效 工作面積取得最大值，為上容腔15截面積與下容腔16截面積之和，在同等運動速度下泵的 排量亦為最大。[0039]在高壓工況時，此時與輸出口 8連接的控制口 1435內壓力達到設定的切換壓力， 液控開關閥處於開啟狀態，上下兩個柱塞單元的下容腔16通過液控開關閥143以及連接管 路相互連通，且由於該通道的壓損低於第二排出閥6的開啟壓力，下容腔16中的液體在兩 個柱塞單元的下容腔及其連接通道之間循環。因此此時只有上容腔15為有效工作容腔，柱 塞的有效工作面積取得最小值為上容腔15截面積，在相同的直線電機推力下，泵的最大工 作壓力大為提高。[0040]上述雙工況自適應直線電機驅動泵實現恆流輸出的方法包括以下步驟:[0041](I)將多臺雙工況自適應直線電機驅動泵的輸入口相連，輸出口相連；[0042](2)判斷雙工況自適應直線電機驅動泵的數量是偶數還是奇數，如果是偶數，則進 入步驟(3)，否則進入步驟(4)；[0043](3)將雙工況自適應直線電機驅動泵分為多對，每對中的兩臺雙工況自適應直線 電機驅動泵的速度曲線均設置為如圖4所示的三角波，且二者速度曲線相差四分之一個周 期；[0044](4)將雙エ況自適應直線電機驅動泵其中3臺的速度曲線設置為如圖5所示的梯形波，此梯形波上下半個周期中的加速度、勻速段與減速段各佔六分之ー個周期，且三條梯形曲線各相差三分之ー個周期；並將剩下的偶數臺雙エ況自適應直線電機驅動泵(若剩下0臺則跳過)分為若干對，每對中的兩臺雙エ況自適應直線電機驅動泵的速度曲線均設置為如圖4所示的三角波，且二者速度曲線相差四分之ー個周期。
[0045]通過調節上述波形的峰值與周期，使得調定的波形滿足柱塞的最大行程，可實現組合輸出流量比例/伺服控制。
[0046]上述恆流輸出方法的工作原理如下:柱塞泵的流量與柱塞的運動速度及其有效截面積成正比，通過上述方法可使得直線電機的實時速度絕對值之和為恆定值，故在柱塞的有效截面積相同的前提下，組合輸出流量為恆定值。以兩臺所述雙エ況自適應直線電機驅動泵為例，通過本明提供的方法設定兩泵的速度曲線，可使得A泵與B泵的柱塞實時速度絕對值之和恆為Va，A、B兩泵エ況一致，其柱塞的有效工作面積亦一致均為S，由於本發明所述雙エ況自適應直線電機驅動泵有兩個對稱分布柱塞単元，因此正反行程均有流量輸出，且其流量曲線如圖6所示，根據圖6中的流量曲線，A、B兩泵的組合輸出流量為恆定值Va*S,按照本發明提供的方法調節速度峰值Va可實現輸出流量比例/伺服控制。
[0047]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種雙工況自適應直線電機驅動泵，包括一對基本柱塞單兀、直線電機、輸入口和輸 出口，其特徵在於，基本柱塞單元相對於直線電機對稱設置，且分別與固定在直線電機上的連杆連接； 直線電機包括底座和滑塊，底座設置在雙工況自適應直線電機驅動泵底部的中央，滑 塊設置在底座上，且能夠沿著底座做直線運動；基本柱塞單元包括上缸蓋、缸體、柱塞和下缸蓋，上缸蓋和缸體固定連接，下缸蓋與缸 體固定連接，柱塞設置在缸體內部，並且從上缸蓋中穿出；缸體包括上進液口、上出液口和缸套，其中上進液口和上出液口分別對稱設置於缸套 頂端的左右側，缸套用於容納柱塞，從而形成上下兩個工作容腔；下缸蓋包括下進液口、下出液口和液控開關閥，其中下進液口和下出液口分別對稱設 置於下缸蓋頂端的左右側，液控開關閥設置於下缸蓋的底部；液控開關閥包括閥入口、閥芯、螺堵、液控推桿、控制口、彈簧、閥座、閥出口；閥入口與下進液口連通，閥出口設置於下缸蓋底部的左側，且與對稱柱塞單元液控開 關閥的閥出口相互連通，控制口設置於下缸蓋底部的右側且與輸出口連接，液控推桿設置 於控制口內部，閥芯和閥座設置於下缸蓋的左側中部，彈簧設置於閥芯與螺堵之間。
2.根據權利要求1所述的雙工況自適應直線電機驅動泵，其特徵在於，還包括一對第一吸入閥和一對第二吸入閥；第一吸入閥和第二吸入閥設置在基本柱塞單元的左側，且彼此連接，並與輸入口連接， 用於輸入液體。
3.根據權利要求1所述的雙工況自適應直線電機驅動泵，其特徵在於，還包括一對第一排出閥和一對第二排出閥；第一排出閥和第二排出閥設置在基本柱塞單元的右側，且彼此連接，並與輸出口連接， 用於輸出液體。
4.根據權利要求1所述的雙工況自適應直線電機驅動泵，其特徵在於，基本柱塞單元 分別通過一對聯軸器與固定在直線電機上的連杆連接。
5.一種根據權利要求1-4中任意一項所述的雙工況自適應直線電機驅動泵實現恆流 輸出的方法，包括以下步驟:(1)將多臺雙工況自適應直線電機驅動泵的輸入口相連，輸出口相連；(2)判斷雙工況自適應直線電機驅動泵的數量是偶數還是奇數，如果是偶數，則進入步 驟(3)，否則進入步驟(4)；(3)將雙工況自適應直線電機驅動泵分為多對，每對中的兩臺雙工況自適應直線電機 驅動泵的速度曲線均三角波，且二者速度曲線相差四分之一個周期；(4)將雙工況自適應直線電機驅動泵其中3臺的速度曲線設置為梯形波，該梯形波上 下半個周期中的加速度、勻速段與減速段各佔六分之一個周期，且三條梯形曲線各相差三 分之一個周期，並將剩下的偶數臺雙工況自適應直線電機驅動泵分為若干對，每對中的兩 臺雙工況自適應直線電機驅動泵的速度曲線均設置為三角波，且二者速度曲線相差四分之 一個周期。
【文檔編號】F04B17/03GK103557135SQ201310483527
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】劉銀水, 趙旭峰, 吳德發, 李東林, 韓明興, 湯振宇, 李凌驛, 羅剛 申請人:華中科技大學