数字泵(DDP)如何实现排量控制

 

采用数字控制排量技术的泵,使得使用液压传动装置替代移动设备中的机械变速箱变得切实可行,可节省高达20%的燃油,生产率提高近30%。

数字泵(DDP)如何实现排量控制

 

目前大多数移动设备使用的传统液压泵,是通过用斜盘机构改变柱塞的行程来控制其排量的。 由于斜盘位置不易控制,导致泵的容积效率和机械效率低下,从而造成能量损失。 一种采用数字式排量控制的数字泵,通过使用嵌入式计算机控制的高速开关阀,实时开闭多个径向柱塞腔,就可以克服传统斜盘式泵的限制。

 

该技术由苏格兰Loanhead的Artemis Intelligent Power Ltd.开发,通过使用液压传动装置替代机械变速箱,实现了可观的节能效果。 优点包括降低能耗,通常不到传统轴向柱塞泵的三分之一;响应时间更短,并消除高频噪音。 例如,当应用于挖掘机时,该技术已经证明节省燃料高达20%,并且生产率提高了近30%。

 

如何工作

 

数字泵(DDP)如何实现排量控制

这款12缸数字排量泵的剖视图显示了主要部件的位置和方向。

 

数字排量泵(DDP)是一种径向活柱塞泵,其柱塞由凸轮环驱动。每个柱塞腔可以单独打开和关闭,每个柱塞腔都有自己的控制系统:电磁开关阀,单向阀和柱塞位置传感器。当配置为数字式排量泵马达(DDPM)时,每个柱塞腔都有两个电磁阀,该装置可用作泵或马达。这些电磁阀可以在短至30毫秒内打开或关闭,以限制在负载需要时通过每个柱塞腔的流量。实质上,它是一个多阶流量系统,每阶都对应一种输出输出流量。

在轴旋转时,连续地开闭指定的柱塞腔,以满足泵控制器中设定的压力要求。使用中柱塞的数量,方向和尺寸可以有很大不同。一般配置使用12个柱塞,分为三组,每组四个。而制造商已经建造过一个带有68个柱塞的单元,用于风力涡轮机应用。

数字泵(DDP)如何实现排量控制

该图比较了数字排量泵与可变排量轴向柱塞泵在两种不同速度下的效率。

 

DDP和DDPM设计为计算机控制。为了充分利用该技术,必须根据柱塞位置传感器的信号和工作现场的反馈来调整电磁阀的开闭时序。在轴旋转的情况下,如果负载不需要流量,则所有柱塞腔都与外部压力管路隔离,从而产生的损失也最小。从待机状态开始,可以在30毫秒内实现全流量输出,并与工作压力无关。此外,与变速电机+轴向柱塞泵的方案相比,DDP可以使用感应电机和软启动器驱动,从而降低了初始成本。

 

电磁阀时序变化流量

 

六柱塞的简化回路图展示了该技术的工作原理。当凸轮旋转时,柱塞交替地被拉入和推出。单向阀将泵的高压区域和低压区域分开,电磁阀打开并关闭低压回路。这允许将每个柱塞腔作为单独的泵源处理。

数字泵(DDP)如何实现排量控制

六柱塞数字式排量泵的简化图显示了电磁阀非激活状态下的工作状态

当没有电磁阀通电时,在凸轮完全旋转期间,低压回路仍然可联通柱塞腔。柱塞简单地将油液循环并返回到低压回路。因为它有效地从回路中隔离出来,所以它需要非常少的能量。在失电情况下,DDP便会进入无流量,低压状态。当电磁阀通电时,柱塞从低压回路吸油,然后排入高压回路。

作为该技术如何工作的一个例子,如果六个活塞中的每个活塞的排量为0.61 in3(10 cm3),则总排量为3.7 in3(60 cc)。在1,800转/分时,流量为28.5加仑/分钟(108升/分钟)。当每个活塞在其控制电磁阀通电时投入使用时,潜在流量增加4.8 gpm(18 lpm)。如果工作循环的一部分仅需要14.3加仑/分钟(54 lpm),则只有三个电磁阀可以有规则地通电以产生所需的输出。

数字泵(DDP)如何实现排量控制

六活塞数字排量泵的简化图表,其中电磁阀在全流量条件下通电

电磁阀通电也可以设定不同的时序,使得仅一部分流量被送到高压回路。使用六活塞泵示例,如果流量需求为16.6 gpm(63 lpm),则需要3½活塞的排量。这可以通过激活三个电磁阀以使三个活塞投入使用而一个电磁阀在活塞达到半冲程时关闭通向低压侧的路径来实现。这将导致活塞的一半位移进入高压回路。

另一种方法是在所有电磁阀激活的状态下旋转1,044转后,然后在断电的状态下旋转756转来提供每分钟的平均流量。 如果这种方法引起不需要的压力脉动,则可以通过对六个电磁阀中的每一个进行定时来实现相同的流量,从而通过在冲程的58%处将它们打开来使柱塞每循环仅移位5.8cc。 DDP可以紧密模拟无级变量泵,而不会保持恒定的压力。 无论泵出口处的压力如何,各个柱塞都可以处于入口压力状态。

此外,每个柱塞的输出可以隔离,因此泵可以为多个回路提供流量。 在该示例中,可以从一个单独的DDP形成六个单独的功能,每个DDP具有高达4.8gpm(18lpm)的变化流量。

本文来自Ray I. Scroggins ,本文观点不代表iHydrostatics静液压立场。

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