一種擺動油缸控制的液壓變壓器開發(fā)

劉貽歐，于 俊，黃亞農(nóng)，張寶情

( 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

液壓變壓器作為一種新型的壓力調(diào)節(jié)元件，集泵和馬達功能為一體，可以無節(jié)流地實現(xiàn)輸出壓力的調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)的閥控系統(tǒng)相比，它具有效率高、結構簡單、可實現(xiàn)多負載獨立控制等優(yōu)點，在工程機械、礦山機械、恒壓網(wǎng)絡二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)等多變負載系統(tǒng)中得到部分應用［1］，并具有廣泛的應用前景。目前國內(nèi)外液壓變壓器的產(chǎn)品和樣機都是在斜軸式柱塞泵的基礎上改進設計的，采用直線運動油缸驅動、電機驅動、手動3 種配流盤轉動方式［2-4］。配流盤均采用齒輪傳動方式，該類型液壓變壓器的不足之處在于驅動效率偏低、動態(tài)響應慢，體積大，結構不夠緊湊。本文在A10V 斜盤式軸向柱塞泵的基礎上，研制了一種擺動油缸控制的斜盤柱塞式液壓變壓器，通過擺動油缸直接驅動配流盤轉動，取消了齒輪傳動機構，具有驅動方式簡單、驅動效率高、響應快、能夠適應配流盤轉角的液壓伺服控制需要、結構緊湊便于集成等優(yōu)點。

1 基本結構

1.1 背景技術

自1997年荷蘭Innas 公司提出三槽配流型(又稱Innas 型)液壓變壓器的概念后，該類型液壓變壓器得到迅速發(fā)展。此后，國外對液壓變壓器進行多次改進，提出了“梭”技術和“浮杯型”結構等措施來降低噪聲和提高效率［5］;國內(nèi)浙江大學在Innas型液壓變壓器的基礎上研制了12 mL/r 的手動變量式液壓變壓器［6］，由于摩擦和泄漏損失較大，其變壓比只能達到1.2，該液壓變壓器的效率較低;哈爾濱工業(yè)大學在此基礎上研制了28 mL/r 的電控柱塞式液壓變壓器［1］，克服了手動式液壓變壓器變壓頻率低的缺點，實現(xiàn)了配流盤的電氣伺服控制，變壓比可以達到2，但是存在結構復雜，體積較大等斜軸式液壓變壓器的固有不足。本文研究的擺動油缸控制的斜盤柱塞式液壓變壓器的工程樣機，排量為71 mL/r。

1.2 基本結構

如圖1 和圖2所示，斜盤柱塞式液壓變壓器由主軸1、殼體2、斜盤10、柱塞3、缸體9、擺動油缸5 等組成;擺動油缸5 由過渡端蓋8、配流盤4、后端蓋6、轉軸葉片12、固定葉片13、密封圈14 等組成，配流盤4 同時作為擺動油缸5 的轉軸，套設在過渡端蓋8 的圓孔內(nèi);主軸1 一端與殼體2 通過軸承相連，另一端穿過缸體9、配流盤4、過渡端蓋8，通過軸承與后端蓋6 相連，過渡端蓋8 分別與殼體2 和后端蓋6 緊固連接，過渡端蓋8 與后端蓋6組成擺動油缸的外殼，轉軸葉片12 通過螺釘安裝在配流盤4 上，固定葉片13 通過螺釘安裝在后端蓋6 內(nèi)。

擺動油缸5 的后端蓋6 上通過螺釘安裝有控制閥。控制閥包含4 個油口A，B，P，T，擺動油缸5 的2 個出口分別與控制閥的A 口和B 口相連，控制閥P 口接恒壓網(wǎng)絡高壓油源，控制閥T 口接油箱，由控制閥控制進入和流出擺動油缸5 的流量，從而控制擺動油缸轉動。通過將擺動油缸5 和配流盤4 集成，結構更緊湊，響應更快。為將擺動油缸5 和液壓變壓器殼體2 連接起來，設置了過渡端蓋8。

如圖3 和圖4所示，配流盤4 前端面設置有高壓油槽A、負載油槽B、回油槽T，配流盤4 內(nèi)設置有高壓通道A1、負載通道B1、回油通道T1;后端蓋6 前端面設置有高壓油路A2、負載油路B2、回油路T2，后端蓋6 后端面設置有高壓油孔A3、負載油孔B3、回油孔T3，高壓油槽A 通過高壓通道A1、高壓油路A2 與高壓油口A3 相通，負載油槽B 通過負載通道B1、負載油路B2 與負載油口B3 相通，回油槽T 通過回油通道T1、回油路T2 與回油口T3 相通。高壓油口A3 與恒壓網(wǎng)絡高壓油源連通，負載油口B3 向負載供油，回油口T3接油箱。

2 工作原理

液壓變壓器工作時，在恒壓網(wǎng)絡高壓油源壓力的作用下，缸體9 產(chǎn)生驅動力矩而旋轉起來，配流盤4前端面的3 個油槽分別接通恒壓網(wǎng)絡高壓油源、負載和油箱，隨著缸體的轉動，液壓變壓器B3 口輸出一定的壓力，缸體在A3 口和B3 口壓力產(chǎn)生的合轉矩下轉動，當驅動力矩與負載力矩、摩擦力矩平衡時，液壓變壓器的輸出壓力保持穩(wěn)定;當需要提高或降低液壓變壓器的輸出壓力時，通過調(diào)節(jié)控制閥，控制恒壓網(wǎng)絡高壓油源進入擺動油缸的流量和方向，進而改變配流盤4 的轉角，實現(xiàn)輸出壓力的調(diào)節(jié)。

液壓變壓器變壓比公式為［6］

式中:αA和αB分別為腰形槽A，B 對應的吸排油包角;θ 為配流盤的轉角。由于αA=αB=120°，由式(1)可知液壓變壓器的變壓比λ 僅為θ 的函數(shù)，輸出壓力隨配流盤的轉角而自動調(diào)節(jié)，配流盤在20°，60°，100°的轉角下，其輸出壓力響應曲線如圖5所示，變壓比最大可達2.5，響應時間小于0.5 s。

圖5 配流盤在不同轉角下液壓變壓器的輸出壓力曲線Fig.5 The output pressure curves of the hydraulic transformer under different swash plate angles

3 液壓變壓器三維模型

根據(jù)液壓變壓器的結構和工作原理，對其配流盤和后端蓋進行受力分析和計算，建立了液壓變壓器的CATIA 三維模型，如圖6所示。

圖6 液壓變壓器CATIA 模型Fig.6 CATIA model of the hydraulic transformer

通過三維模型設計分析，進一步驗證了前期設計的正確性，并指導工程樣機的施工。

4 結 語

該液壓變壓器的創(chuàng)新點為采用擺動油缸來驅動配流盤的轉動，配流盤同時作為擺動油缸的主軸使用，后端蓋作為擺動油缸的外殼，將擺動油缸集成在液壓變壓器中。其優(yōu)點如下:

1)擺動油缸直接驅動配流盤轉動，取消了齒輪傳動機構，驅動效率更高;

2)充分利用斜盤式液壓變壓器轉動慣量小、擺動油缸驅動響應快的優(yōu)點，可實現(xiàn)配流盤轉角的快速控制，從而顯著縮短液壓變壓器的壓力響應時間;

3)擺動油缸與液壓變壓器進行集成，結構更緊湊，體積更小，集成度更高。

本文的核心技術是具有自主知識產(chǎn)權的“一種擺動油缸控制的斜盤柱塞式液壓變壓器(ZL201220395705.4)”。作為一種重要的新型節(jié)能技術，在工程機械等多變負載液壓系統(tǒng)領域中有廣泛的市場前景，預期具有良好的社會經(jīng)濟效益。

［1］盧紅影.電控斜軸柱塞式液壓變壓器的理論分析與實驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2008.

LU Hong-ying.Theoretical analysis and experiment of electric control bent axial piston hydraulic transformer［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2008.

［2］姜繼海，劉成強，于安才，等.液壓缸控斜盤柱塞式液壓變壓器［P］.中國:ZL200810137522.0，2009-04-15.

JIANG Ji-hai，LIU Cheng-qiang，YU An-cai，et al.Axial piston type hydraulic transformer with swash plate controlled by hydraulic cylinder［P］.China:ZL200810137522.0，2009-04-15.

［3］徐兵，歐陽小平，楊華勇，等.一種液壓變壓器［P］.中國專利:ZL03129072.8，2005-02-02.

XU Bing，OUYANG Xiao-ping，YANG Hua-yong，et al.A hydraulic transformer［P］.China:ZL03129072.8，2005-02-02.

［4］姜繼海，盧紅影，等.電控斜軸柱塞式液壓變壓器［P］.中國:ZL200810137069.3，2011-03-30.

JIANG Ji-hai，LU Hong-ying，et al.Electric control bent axial piston hydraulic transformer［P］.China:ZL200810137069.3，2011-03-30.

［5］ACHTEN P A J，et al.Shuttle technology for noise reduction and efficiency improvement of hydrostatic machines［C］.The Seventh Scandinavian International Conference on Fluid Power，SICFP′01，Link?ping，Sweden，2011.

［6］歐陽小平.液壓變壓器研究［D］.杭州:浙江大學，2005.

OUYANG Xiao-ping.Research on the hydraulic transformer［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2005.

［7］翟培祥.斜盤式軸向柱塞泵設計［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1987.

ZHAI Pei-xiang.Design of swash plate axial piston pump［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，1987 .

［8］GEORGES E M，PETER A J，ZHAO F.The innas hydraulic transformer:the key to the hydrostatic common pressure rail［J］.SAE，2000-01-2561.

［9］ENDSLEY J C，HALE D C，RAAB F J.Hydraulic Pressure Transformer［P］.US:6092455，2000-07-25.

［10］MARK A.Hydro transformer［P］.US:20050166751，2005-08-04.

［11］周瑞艷，盧紅影，劉宇輝，等.液壓變壓器變壓原理的理論分析與仿真研究［J］.機床與液壓，2007，35(1):103-105.

ZHOU Rui-yan，LU Hong-ying，LIU Yu-hui，et al.Theory analysis and simulation research on the principle of hydraulic transformer［J］.Machine Tool ＆ Hydraulics，2007，35(1):103-105.

［12］劉貽歐，黃亞農(nóng)，于俊，等.一種擺動油缸控制的斜盤柱塞式液壓變壓器［P］.中國專利:ZL201220395705.4，2012-08-13.

LIU Yi-ou，HUANG Ya-nong，YU Jun，et al.A axial piston type hydraulic transformer with swash plate controlled by rotary cylinder［P］.China:ZL201220395705.4，2012-8-13.