关于集成式超高压增压泵的研制论文
关于集成式超高压增压泵的研制论文
目前，越来越多的行业需要用到增压泵，用来提供输出较高压力的动力，而一般来说，超过35 MPa的压力称为超高压。而要实现超高压的输入压力，用普通的液压泵是很难实现的，只能在原有系统压力的基础上通过增压再来实现超高压输入压力，而目前常用增压泵存在着结构庞大、管路连接复杂安装易出错、压力波动大、效率低的问题，所以如何解决和提高增压泵的工作效率、减少压力波动、解决安装连接易出错的问题，是目前增压泵所要解决的一个实际应用问题。本文中结合实际使用要求，经过多次的试验和改进，设计成功了该集成式超高压增压泵，成功地解决了上述的问题。
1常规增压泵的原理和存在的问题
现有常规增压泵的原理是把一个单向增压缸组合成双向增压缸来实现增压的。它由缸体、左端盖、右端盖、活塞和柱塞杆组成一个双向往复式柱塞泵，在活塞的两端分别连接一根柱塞杆，左端盖和右端盖分别连接在缸体的两端，其原理是利用大面积活塞的低压产生小面积柱塞杆的高压，即缸体内活塞处的左右腔室为低压腔，而左端盖和右端盖内柱塞杆端处的腔室为高压腔，在左右高压腔处分别安装了吸入阀组件和排出阀组件，在左右端盖与柱塞杆的配合处安装了耐高压的密封组件来隔开高低压腔的压力油液。
上述结构的增压泵存在以下的问题：
1)由于增压的原理是通过大面积活塞的低压产生小面积柱塞杆的高压，如果要增大泵的输出压力，只有增大活塞横截面面积与柱塞杆横截面面积的比例，因此，要么减小柱塞杆的横截面面积，要么增大活塞的横截面面积，但是，这种面积的调整毕竟是在有限的范围之内的，而要实现超高压的输出压力，势必要使活塞的横截面面积大幅度增加，但是，这样就会造成活塞及其缸的横截面尺寸大幅度增大，继而使整个增压泵的体积变得庞大。这样，一方面会增加生产成本，另一方面它无法适用于空间较小的应用场合;同时由于结构中涉及到许多的零件，如低压缸筒、增压活塞、前端盖、后端盖、集成阀、导流头、导液管、高压缸筒、单向阀、柱塞以及先导阀，光阀就有集成阀、先导阀，缸筒就有低压缸筒、高压缸筒，这些零件装配在一起后结构变得复杂。
2)上述结构的增压泵的高压输出压力是靠往复式柱塞杆的连续换向来实现的，该结构的换向是由低压腔的活塞来完成的。它的换向频率由低压腔活塞的行程决定，每次换向时间是一定的，在换向时有一个压力降的时段，该时段的时长有较多因素组成，如液控电磁阀的换向速度、活塞的换向起动时间、密封件的摩察系数等。压力波动的时间较长，反馈速度较慢，从图2 所示的泵输出压力的波形曲线图来看，压力波段较长，主要集中在空档时间较长，因此反应到增压泵上就是工作效率较低，反应不够灵敏。
2集成式超高压增压泵的结构与工作原理
为了解决上述结构中存在的问题，经过多次的试验研发，设计试制成功了一种体积小、反应灵敏、工作效率高的集成式超高压增压泵。
它包括缸筒7、左端盖6、右端盖3、活塞11 和柱塞杆10，柱塞杆10 为两根且分别连接在活塞11 的两端，活塞11 滑动连接在缸筒7内，左端盖6和右端盖3分别连接在缸筒7的左右两端。它还包括比例电磁阀1、阀板2和接近开关4。阀板2连接在缸筒7的顶部，比例电磁阀1 连接在阀板2的顶部。左端盖6和右端盖3内均具有与阀板2上的进油口8 相连通的高压油腔12，同时阀板2 上的进油口8与比例电磁阀1 的进油口连通，比例电磁阀1 的两个工作油腔分别与缸筒7内活塞11 两侧的低压油腔13连通，两个柱塞杆10的自由端分别滑动配合在左端盖6 和右端盖3的高压油腔12内，缸筒7 上设有与两个高压油腔12 均连通的输出油口9。接近开关4为两个，分别连接在左端盖6和右端盖3的外端处，接近开关4的一端位于高压油腔12内，并且两个接近开关4均与比例电磁阀1电连接。
连通阀板2 的进油口8 与高压油腔12之间设有第一单向阀14，连通缸筒7的输出油口9与高压油腔12之间设有第二单向阀15。第一单向阀14连接在缸筒7 内，且油液的流通走向为从进油口8到高压油腔12。第二单向阀15连接在左端盖6和右端盖3内，且油液的流通走向为从高压油腔12到输出油口9。接近开关4 外设有保护套5，保护套5一端与左端盖6或者右端盖3连接。
缸筒7的输出油口9处连接有压力传感器，该压力传感器与使用本增压泵的控制器电连接并在控制器上显示输出压力值。
其工作原理是将阀板2上的进油口8与低压系统的油路接通，使低压系统的油通过进油口8进入阀板2，在阀板2内经过油路沟通后，分成两路，其中一路通向比例电磁阀1的进油口，另一路通向缸筒7，缸筒7内通过管路沟通，油液分别经过第一单向阀14 流入左端盖6 内的高压油腔12 和右端盖3内的高压油腔12;而同时进入比例电磁阀1 的油液从阀的工作油口经过阀板2的沟通流入缸筒7 的低压腔内，当油液不断地从比例电磁阀1的其中一个工作油口流入活塞11 左侧的低压油腔13时，该低压油腔13内的油压增高，推动活塞11 向右端盖3靠近，从而使活塞11右侧的柱塞杆10逐渐伸入右端盖3 内的高压油腔12，压缩该处高压油腔12内的油液，使右端盖3高压油腔12内直接从第一单向阀14处流入的低压油压缩成高压油液，然后经过安装在右端盖3内的第二单向阀15 向缸筒7 内的油路及输出油口9输出;反之，当油液不断地从比例电磁阀1的另外一个工作油口流入活塞11右侧的低压油腔13时，同理，活塞11 左侧的柱塞杆10逐渐伸入左端盖6 内的高压油腔12，从而压缩该处高压油腔12 内的油液，使左端盖6 高压油腔12内直接从第一单向阀14处流入的低压油压缩成高压油液，然后经过安装在左端盖6内的第二单向阀15 向缸筒7内的油路及输出油口9 输出;因此，无论比例电磁阀1将油连通任何一个工作口，缸筒7处的输出油口9输出的都是高压油。而当活塞11左侧或者右侧的柱塞杆10端部移动至接近开关4 的感应区域内时，接近开关4将信号反馈到比例电磁阀1，实现换向，因此，通过柱塞杆10的左右移动与接近开关4 的感应，使活塞11能灵活地在缸筒7 内变换方向，并且响应时间短，有效地缩短了活塞的换向时间，提高了增压泵的工作效率和灵敏度。
3集成式超高压增压泵的特点
该集成式超高压增压泵与上述目前常规的增压泵相比，具有以下的优点：
1)由于本增压泵将比例电磁阀与液压缸组件之间通过阀板集成在一起，使三者相对固定成一个模块，因此，便于运输及安装;同时，泵的输出压力在原有的基础上再增加了高压油腔中通过柱塞杆的作用而产生的高压油液，使输出压力大大增加，而且也无需增加活塞的横截面面积，因此，本增压泵体积小，适用于各种场合;并可用叠加集成的方式来实现更高的输出压力。
2)采用比例电磁阀和接近开关的组合，使活塞在左右移动的往复过程中反应更加灵敏、准确，从而反馈到比例电磁阀，以便于比例电磁阀作出更加准确的判断与换向，因此，大大缩短了低压腔活塞的"换向时间，有效地缩短了压力波动时间，使输出的高压压力波动平衡，泵的工作效率更高;上面一条波形曲线为该集成式超高压增压泵输出压力随时间而发生的变化曲线，下面一条波形曲线是目前常规增压泵输出压力随时间而发生的变化曲线，可直观看到这两种增压泵输出压力波周期的不同。通常，在活塞的一个往复过程中所形成的一个波段，其波形为矩形波，其高平显示的是输出压力值，其低平显示的是活塞换向时的压力值，从波形可以得知，低平的时间越长，其波长越长，泵输出压力中空档的时间较长，说明其工作效率就越低。因此，集成式超高压增压泵输出压力曲线中波长较短，低平时间短，也就是活塞换向时间短。因此，其反应灵敏，工作效率大大高于目前常规的增压泵。
3)比例电磁阀的工作原理是阀内比例电磁铁输入电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例压力、流量输出。因此，调节比例电磁阀的阀口开闭尺寸，就能调节流入缸筒内低压油腔的流量，从而控制活塞的移动速度，使增压泵输出压力可以达到不同的压力值，更加适合于实际应用;并可根据工况需要随机自动调节输出的高压压力值和流量，增加了泵的工作灵敏度。
4)第一单向阀安装在缸筒内，第二单向阀安装在左端盖和右端盖内，省去了阀在外部的连通所需要的管路，节省了安装空间位置，使增压泵的结构更加紧凑、体积更小，更有利于集成化;
5)接近开关外部保护套的设置，有效地保护了在运输、安装和使用过程中由于碰撞而造成的接近开关的损坏;
6)在缸筒的输出油口处安装了压力传感器，使增压泵的输出压力值在系统的控制器中得到更加直观的显示，从而能让使用者在实际应用中直观地掌握增压泵的输出压力值，并且可以通过调节比例电磁阀来实现设定的输出压力值。
集成式超高压增压泵主要解决了传统式增压泵所存在的体积庞大，阀与阀及高低压管路连接复杂，安装时容易出错的问题。整体结构由于采用了集成方式组合，并结合比例电磁阀及接近开关控制，大大缩短了增压泵的换向时间，使压力波动时间明显缩短，增压泵反应灵敏，有效地提高了增压泵的工作效率。
4结语
在实际应用中通过不断的探索和试验，得到了创新和实现，采用该集成式超高压增压泵可以有效地解决了液压测试装置中原来增压泵压力波动大、工作效率低、输出压力不稳定、不能随机自动调整的问题。该集成式超高压增压泵体积小巧、结构紧凑、反应灵敏、效率极高，并可根据工况需要随机自动调节输入压力和流量，适用于各种液压超高压自动控制系统和试验装置上。该集成式超高压增压泵已申请了发明专利。