整合式超高壓增壓泵的研製

注：

本文由

佛山興迪

整理自《流體傳動與控制》2016年第3期

，作者舒平國、徐柏強。

目前，越來越多的行業需要用到增壓泵，用來提供輸出較高壓力的動力，而一般來說，超過35MPa的壓力稱為超高壓。而要實現超高壓的輸入壓力，用普通的液，壓泵是很難實現的，只能在原有系統壓力的基礎上透過增壓再來實現超高壓輸入壓力，而目前常用增壓泵存在著結構龐大、管路連線複雜安裝易出錯、壓力波動大效率低的問題，所以如何解決和提高增壓泵的工作效率、減少壓力波動、解決安裝連線易出錯的問題，是目前增壓泵所要解決的一個實際應用問題。

本文中結合實際使用要求，經過多次的試驗和改進，設計成功了該整合式超高壓增壓泵，成功地解決了上述的問題。

1、常規增壓泵的原理和存在的問題

現有常規增壓泵的原理是把一個單向增壓缸組合成雙向增壓缸來實現增壓的，如圖1所示。

它由缸體、左端蓋、右端蓋、活塞和柱塞杆組成一個雙向往復式柱塞泵，在活塞的兩端分別連線一根柱塞杆，左端蓋和右端蓋分別連線在缸體的兩端，其原理是利用大面積活塞的低壓產生小面積柱塞杆的高壓，即缸體內活塞處的左右腔室為低壓腔，而左端蓋和右端蓋內柱塞杆端處的腔室為高壓腔，在左右高壓腔處分別安裝了吸入閥元件和排出閥元件，在左右端蓋與柱塞杆的配合處安裝了耐高壓的密封元件來隔開高低壓腔的壓力油液。

上述結構的增壓泵存在以下的問題：

1）由於增壓的原理是透過大面積活塞的低壓產生小面積柱塞杆的高壓，如果要增大泵的輸出壓力，只有增大活塞橫截面面積與柱塞杆橫截面面積的比例，因此，要麼減小柱塞杆的橫截面面積，要麼增大活塞的橫截面面積，但是，這種面積的調整畢竟是在有限的範圍之內的，而要實現超高壓的輸出壓力，勢必要使活塞的橫截面面積大幅度增加，但是，這樣就會造成活塞及其缸的橫截面尺寸大幅度增大，繼而使整個增壓泵的體積變得龐大。

這樣，一方面會增加生產成本，另一方面它無法適用於空間較小的應用場合；同時由於結構中涉及到許多的零件，如低壓缸筒、增壓活塞、前端蓋、後端蓋、整合閥、導流頭、導液管、高壓缸筒、單向閥、柱塞以及先導閥，光閥就有整合閥、先導閥，缸筒就有低壓缸筒高壓缸筒，這些零件裝配在一起後結構變得複雜。

2）上述結構的增壓泵的高壓輸出壓力是靠往復式柱塞杆的連續換向來實現的，該結構的換向是由低壓腔的活塞來完成的。它的換向頻率由低壓腔活塞的行程決定，每次換向時間是一定的，在換向時有一個壓力降的時段，該時段的時長有較多因素組成，如液控電磁閥的換向速度、活塞的換向起動時間、密封件的摩察係數等。壓力波動的時間較長，反饋速度較慢，從圖2所示的泵輸出壓力的波形曲線圖來看，壓力波段較長，主要集中在空檔時間較長，因此反應到增壓泵上就是工作效率較低，反應不夠靈敏。

2、整合式超高壓增壓泵的結構與工作原理

為了解決上述結構中存在的問題，經過多次的試驗研發，設計試製成功了一種體積小、反應靈敏、工作效率高的整合式超高壓增壓泵。

整合式超高壓增壓泵的結構見圖3~圖5所示，它包括缸筒7、左端蓋6、右端蓋3、活塞11和柱塞杆10，柱塞杆10為兩根且分別連線在活塞11的兩端，活塞11滑動連線在缸筒7內，左端蓋6和右端蓋3分別連線在缸筒7的左右兩端。它還包括比例電磁閥1、閥板2和接近開關4。閥板2連線在缸筒7的頂部，比例電磁閥1連線在閥板2的頂部。左端蓋6和右端蓋3內均具有與閥板2上的進油口8相連通的高壓油腔12，同時閥板2上的進油口8與比例電磁閥1的進油口連通，比例電磁閥1的兩個工作油腔分別與缸簡7內活塞11兩側的低壓油腔13連通，兩個柱塞杆10的自由端分別滑動配合在左端蓋6和右端蓋3的高壓油腔12內，缸筒7上設有與兩個高壓油腔12均連通的輸出油口9。接近開關4為兩個，分別連線在左端蓋6和右端蓋3的外端處，接近開關4的一端位於高壓油腔12內，並且兩個接近開關4均與比例電磁閥1電連線。

連通閥板2的進油口8與高壓油腔12之間設有第一單向閥14，連通缸筒7的輸出油口9與高壓油腔12之間設有第二單向閥15。第一單向閥14連線在缸筒7內，且油液的流通走向為從進油口8到高壓油腔12。第二單向閥15連線在左端蓋6和右端蓋3內，且油液的流通走向為從高壓油腔12到輸出油口9。接近開關4外設有保護套5，保護套5一端與左端蓋6或者右端蓋3連線。缸筒7的輸出油口9處連線有壓力感測器，該壓力感測器與使用本增壓泵的控制器電連線並在控制器上顯示輸出壓力值。

該整合式超高壓增壓泵的液壓原理圖見圖6所示。

3、整合式超高壓增壓泵的特點

該整合式超高壓增壓泵與上述目前常規的增壓泵相比，具有以下的優點：

1）由於本增壓泵將比例電磁閥與液壓缸元件之間透過閥板整合在一起，使三者相對固定成一個模組，因此，便於運輸及安裝；同時，泵的輸出壓力在原有的基礎上再增加了高壓油腔中透過柱塞杆的作用而產生的高壓油液，使輸出壓力大大增加，而且也無需增加活塞的橫截面面積，因此，本增壓泵體積小，適用於各種場合；並可用疊加整合的方式來實現更高的輸出壓力。

2）採用比例電磁閥和接近開關的組合，使活塞在左右移動的往復過程中反應更加靈敏、準確，從而反饋到比例電磁閥，以便於比例電磁閥作出更加準確的判斷與換向，因此，大大縮短了低壓腔活塞的換向時間，有效地縮短了壓力波動時間，見圖2，使輸出的高壓壓力波動平衡，泵的工作效率更高；圖2中上面一條波形曲線為該整合式超高壓增壓泵輸出壓力隨時間而發生的變化曲線，下面一條波形曲線是目前常規增壓泵輸出壓力隨時間而發生的變化曲線，從圖2中可直觀看到這兩種增壓泵輸出壓力波週期的不同。

通常，在活塞的一個往復過程中所形成的一個波段，其波形為矩形波，其高平顯示的是輸出壓力值，其低平顯示的是活塞換向時的壓力值，從波形可以得知，低平的時間越長，其波長越長，泵輸出壓力中空檔的時間較長，說明其工作效率就越低。因此，從圖2中可以看出，整合式超高壓增壓泵輸出壓力曲線中波長較短，低平時間短，也就是活塞換向時間短。因此，反應靈敏，工作效率大大高於目前常規的增壓泵。

3）比例電磁閥的工作原理是閥內比例電磁鐵輸入電壓訊號產生相應動作，使工作閥閥芯產生位移，閥口尺寸發生改變並以此完成與輸入電壓成比例壓力、流量輸出。因此，調節比例電磁閥的閥口開閉尺寸，就能調節流入缸筒內低壓油腔的流量，從而控制活塞的移動速度，使增壓泵輸出壓力可以達到不同的壓力值，更加適合於實際應用；並可根據工況需要隨機自動調節輸出的高壓壓力值和流量，增加了泵的工作靈敏度；

4）第一單向閥安裝在缸筒內，第二單向閥安裝在左端蓋和右端蓋內，省去了閥在外部的連通所需要的管路，節省了安裝空間位置，使增壓泵的結構更加緊湊、體積更小，更有利於整合化；

5）接近開關外部保護套的設定，有效地保護了在運輸、安裝和使用過程中由於碰撞而造成的接近開關的損壞；

6）在缸筒的輸出油口處安裝了壓力感測器，使增壓泵的輸出壓力值在系統的控制器中得到更加直觀的顯示，從而能讓使用者在實際應用中直觀地掌握增壓泵的輸出壓力值，並且可以透過調節比例電磁閥來實現設定的輸出壓力值。

整合式超高壓增壓泵主要解決了傳統式增壓泵所存在的體積龐大，閥與閥及高低壓管路連線複雜，安裝時容易出錯的問題。整體結構由於採用了整合方式組合，並結合比例電磁閥及接近開關控制，大大縮短了增壓泵的換向時間，使壓力波動時間明顯縮短，增壓泵反應靈敏，有效地提高了增壓泵的工作效率。

在實際，應用中透過不斷的探索和試驗，得到了創新和實現，採用該整合式超高壓增壓泵可以有效地解決了液壓測試裝置中原來增壓泵壓力波動大、工作效率低、輸出壓力不穩定、不能隨機自動調整的問題。

該整合式超高壓增壓泵體積小巧、結構緊湊、反應靈敏、效率極高，並可根據工況需要隨機自動調節輸入壓力和流量，適用於各種液壓超高壓自動控制系統和試驗裝置上。該整合式超高壓增壓泵已申請了發明專利。