本發(fā)明涉及一種多運(yùn)動(dòng)單元直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)式柱塞泵，屬于泵類，適用于以海淡水、礦物油等作為工作介質(zhì)的液壓系統(tǒng)，在艦艇船舶、深?？碧降阮I(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
技術(shù)背景
隨著船舶的大型化和船舶功能的多樣化，特別是針對(duì)軍用艦船特殊的工況，對(duì)艦船液壓泵的運(yùn)行振動(dòng)和耐振性能、較小的機(jī)械噪聲和流體噪聲、足夠的抗沖擊能力、良好的耐腐蝕和耐磨蝕性能以及可靠的密封結(jié)構(gòu)和密封性能等都提出了特殊的要求。
目前在艦船上應(yīng)用最為普遍的液壓泵結(jié)構(gòu)為軸向柱塞泵和渦輪渦桿減速器驅(qū)動(dòng)的曲軸連桿柱塞泵結(jié)構(gòu)。但這些結(jié)構(gòu)形式的液壓泵都存在以下問題：(1)均采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)作動(dòng)力源，需要通過轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為柱塞的直線運(yùn)動(dòng)，或泵與電機(jī)之間需要安裝有減速器，結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，機(jī)械振動(dòng)和噪聲較大，機(jī)械效率低。(2)運(yùn)動(dòng)部件采用不平衡結(jié)構(gòu)或者受力不平衡，難以在高速運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。液壓系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)、液壓泵都以高速回轉(zhuǎn)，如果它們的轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡，就會(huì)產(chǎn)生周期性的不平衡力，激勵(lì)轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。這種振動(dòng)傳動(dòng)油箱和管路時(shí)，就會(huì)發(fā)出很大的聲響，振動(dòng)和噪聲過大最終會(huì)影響到系統(tǒng)的正常工作。(3)安裝有多對(duì)軸承，需要采用油液潤(rùn)滑，而油水分離結(jié)構(gòu)由于存在因密封失效導(dǎo)致潤(rùn)滑失效和油液泄漏等重大隱患，尤其作為潛艇艙底泵，一旦潤(rùn)滑油泄漏將暴露潛艇目標(biāo)。
因此，針對(duì)這些結(jié)構(gòu)形式船用泵存在的問題，為了解決自身效率低、振動(dòng)大、噪聲高、控制非智能等缺陷，一種新型的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)海水柱塞泵應(yīng)運(yùn)而生。直驅(qū)式柱塞泵采用大推力直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)柱塞，與高度集成化的配流閥組合而成，僅有柱塞——缸孔這一對(duì)摩擦副，而且避免了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，再通過伺服控制系統(tǒng)規(guī)劃每個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)方式。與傳統(tǒng)船用泵相比，在振動(dòng)和噪聲等方面優(yōu)勢(shì)明顯?？梢灶A(yù)見，本發(fā)明專利在流體傳動(dòng)以及機(jī)電系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明專利是要解決傳統(tǒng)船用泵結(jié)構(gòu)龐雜、振動(dòng)噪聲大、不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等問題。采用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，探索柱塞泵新型的結(jié)構(gòu)形式，能夠有效緩解流體傳動(dòng)領(lǐng)域多種技術(shù)難題。本發(fā)明按如下方式實(shí)現(xiàn)：
一種多運(yùn)動(dòng)單元直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)式柱塞泵，該驅(qū)動(dòng)式柱塞泵由機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械系統(tǒng)包括一體式配流閥1、缸體2、柱塞3、端面球軸承4、直線電機(jī)5、缸筒6、缸筒支撐法蘭7、底座12、缸體支撐底座13。電氣控制系統(tǒng)包括伺服控制器、驅(qū)動(dòng)器、采集卡、工控機(jī)、位置反饋裝置、水冷機(jī)等。
該驅(qū)動(dòng)式柱塞泵由數(shù)組直線電機(jī)單元組成并分兩層布置，每組直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)單元的兩端分別與兩個(gè)柱塞3通過端面球軸承4連接。柱塞3與缸筒6之間通過動(dòng)密封圈形式密封，每個(gè)柱塞3均配有一個(gè)一體式配流閥1以完成吸排水工作。缸筒6、缸筒支撐法蘭7以及一體式配流閥1安裝在缸體2上，每層的端面處各布置有一個(gè)缸體2，兩層的直線電機(jī)單元對(duì)稱布置。缸體2的內(nèi)部設(shè)有導(dǎo)流通道，以完成內(nèi)部的吸水以及排水工作，通過低壓吸水口和高壓出水口與多運(yùn)動(dòng)單元直驅(qū)式柱塞泵系統(tǒng)總吸水管和出水管路連接，缸筒支撐法蘭7的底部連接有缸體支撐底座13，缸體支撐底座13安裝在缸體2的兩側(cè)。工控機(jī)與伺服控制器通過網(wǎng)線連接，傳輸控制信號(hào)；工控機(jī)并與采集卡連接，在監(jiān)控軟件上顯示采集到的壓力，溫度等信息；伺服控制器與驅(qū)動(dòng)器通過信號(hào)線連接，傳輸控制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)器與直線電機(jī)通過信號(hào)線連接，交互位置反饋裝置檢測(cè)到的位移信號(hào)，以及控制信號(hào)；水冷機(jī)通過管路與直線電機(jī)連接，對(duì)直線電機(jī)內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)行冷卻。
直線電機(jī)5及缸體2的底面均開有橫向矩形槽，與之對(duì)應(yīng)是在底座12上也開有橫向矩形槽。直線電機(jī)5和缸體2通過鍵的形式安裝在底座12上，直線電機(jī)5和缸體2能夠沿底座12進(jìn)行橫向移動(dòng)，以方便調(diào)整零部件間的同心度。直線電機(jī)5與柱塞3之間連接的端面球軸承4也能夠在空間內(nèi)小范圍扭動(dòng)，使直驅(qū)泵系統(tǒng)在小偏差范圍內(nèi)具有自調(diào)心的功能。
直線電機(jī)5的電源信號(hào)線及控制信號(hào)線通過中間線槽、航空接頭后再與單獨(dú)的電氣控制柜連接，方便系統(tǒng)運(yùn)輸及搬運(yùn)途中的拆卸。直線電機(jī)5中安裝有位置反饋裝置，能夠?qū)⒅本€電機(jī)5實(shí)時(shí)的位置信號(hào)傳遞給伺服控制器，方便對(duì)直線電機(jī)5的速度及推力輸出大小進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)伺服控制器驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)以特定的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一端的柱塞3處于吸水工況，對(duì)應(yīng)的一體式配流閥中的吸入閥打開，流體通過缸體2內(nèi)部的導(dǎo)流通道從系統(tǒng)總吸水管吸入工作介質(zhì)；與此同時(shí)，另一端的柱塞處于排水工況，對(duì)應(yīng)的一體式配流閥1中的壓出閥打開，流體通過缸體內(nèi)部導(dǎo)流通道從系統(tǒng)總出水管排出工作介質(zhì)。
當(dāng)多個(gè)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)單元協(xié)同運(yùn)行時(shí)，直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)單元以三角波運(yùn)動(dòng)曲線分別錯(cuò)開90度相位差運(yùn)行，形成的系統(tǒng)組合流量即可達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值。
本發(fā)明的可取得的有益效果是：
采用直線電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的形式，相比于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)式柱塞泵，沒有了中間傳統(tǒng)環(huán)節(jié)，能夠有效降低柱塞頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)。
通過伺服控制器改變每個(gè)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)軌跡和相位，易于實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)以及自動(dòng)化控制等功能。當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)到行程末端時(shí)，由于換向會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊，兩層四個(gè)缸體采用對(duì)稱布置的形式，能夠在機(jī)械結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生抵消沖擊的效果，有效的降低整個(gè)的系統(tǒng)沖擊振動(dòng)和噪聲。
多運(yùn)動(dòng)單元直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)式柱塞泵由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元數(shù)量較多，具備冗余功能，而且整個(gè)系統(tǒng)對(duì)稱式布置，使得部分運(yùn)動(dòng)單元發(fā)生故障時(shí)，仍然能夠通過規(guī)劃適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)曲線輸出穩(wěn)定的流量，保持直驅(qū)泵系統(tǒng)低振動(dòng)低噪聲的工作狀態(tài)。
缸體與底座、直線電機(jī)與底座之間采用橫向矩形鍵槽連接，直線電機(jī)與柱塞之間采用端面球軸承的連接方式，使得整個(gè)系統(tǒng)在軸向以及徑向都具有調(diào)整同心度的能力。柱塞與缸筒如果不同心，會(huì)發(fā)生偏磨，最終導(dǎo)致泄漏量過大，整個(gè)直驅(qū)式柱塞泵系統(tǒng)失效。因此，能夠有效提高直驅(qū)泵系統(tǒng)的壽命和穩(wěn)定性。
多運(yùn)動(dòng)單元直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)式柱塞泵采用閥配流形式，抗污染性大大增強(qiáng)，減少了關(guān)鍵摩擦副的數(shù)量，基本滿足艦船用泵的復(fù)雜工況，在艦艇船舶、深?？碧降阮I(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
附圖說明
圖1是本發(fā)明多運(yùn)動(dòng)單元直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)式柱塞泵的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1、一體式配流閥，2、缸體，3、柱塞，4、端面球軸承，5、直線電機(jī)，6、缸筒，7、缸筒支撐法蘭，8、缸體吸水口，9、缸體排水口，10、冷水機(jī)出水口，11、支架，12、底座，13、缸體支撐底座。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，下面通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
一種多運(yùn)動(dòng)單元直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)式柱塞泵由機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械系統(tǒng)主要包括一體式配流閥1、缸體2、柱塞3、端面球軸承4、直線電機(jī)5、缸筒6、缸筒支撐法蘭7、底座12、缸體支撐底座13。電氣控制系統(tǒng)主要包括伺服控制器，驅(qū)動(dòng)器，采集卡，工控機(jī)，位置反饋裝置，水冷機(jī)等。
多運(yùn)動(dòng)單元直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)式柱塞泵由八組直線電機(jī)單元5分兩層布置，每臺(tái)直線電機(jī)分別由一臺(tái)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，伺服控制器向八臺(tái)驅(qū)動(dòng)器輸出一定相位差的控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)動(dòng)子帶動(dòng)柱塞桿3，以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)直線電機(jī)5的動(dòng)子帶動(dòng)柱塞桿3從左極限位置開始向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞3腔內(nèi)進(jìn)入吸液行程，腔內(nèi)形成負(fù)壓，大氣壓使流體從缸體2上的吸水口經(jīng)過缸體內(nèi)部導(dǎo)流通道進(jìn)入配流閥內(nèi)，并克服吸入閥彈簧力流入柱塞腔。與此同時(shí)，直線電機(jī)另一端的柱塞處于排液行程，柱塞向右運(yùn)動(dòng)，流體擠開配流閥壓出閥彈簧，經(jīng)過另一端缸體內(nèi)的導(dǎo)流通道，從缸體上的排水口排出，直至直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)到右極限位置，完成單次吸液排液工作。
當(dāng)直線電機(jī)內(nèi)的位置反饋裝置檢測(cè)到直線電機(jī)動(dòng)子到達(dá)右極限位置時(shí)，伺服控制器給出控制信號(hào)使直線電機(jī)動(dòng)子再從右極限位置向左運(yùn)動(dòng)，右側(cè)柱塞進(jìn)入吸水行程，左側(cè)柱塞進(jìn)入排水行程，工作過程與前述相同。一個(gè)周期內(nèi)，直線電機(jī)5往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，兩側(cè)柱塞均完成吸液、排液工況各一次。
同理，其他幾臺(tái)直線電機(jī)也按照伺服控制器給出的控制信號(hào)，以三角波或其他運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)劃以一定的相位差運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)多運(yùn)動(dòng)單元直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)式柱塞泵吸液和排液。例如八組直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)單元以三角波運(yùn)動(dòng)曲線分別錯(cuò)開90度相位差運(yùn)行，形成的系統(tǒng)組合流量即可達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值?；蛘弋?dāng)檢測(cè)到其中兩臺(tái)直線電機(jī)出現(xiàn)故障無法運(yùn)行時(shí)，剩下直線電機(jī)可以新的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及相位差例如梯形波、相差120度運(yùn)行，保證直驅(qū)式柱塞泵系統(tǒng)的輸出流量穩(wěn)定。
通過調(diào)整直線電機(jī)5的運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃或者協(xié)同工作直線電機(jī)的數(shù)量，即可實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式柱塞泵系統(tǒng)的輸出流量調(diào)節(jié)。