數字型液壓變壓器結構設計與壓變特性研究

張祝新 李偉建 劉 濤 趙丁選 孫仁福 韓 炎

(1.燕山大學機械工程學院，秦皇島 066004；2.燕山大學河北省特種運載裝備重點實驗室，秦皇島 066004；3.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島 066004)

0 引言

近些年發展起來的恒壓網絡(Common pressure rail，CPR)二次調節技術有效提高了液壓系統的功能和效率，其中關鍵在于液壓變壓器技術[1-3]。液壓變壓器是一種可把液壓能和機械能相互轉換的液壓元件，在液壓傳動中理論上可以將恒壓網絡系統的壓力無節流損失地調整為負載所需要的壓力[4-6]。

現有液壓變壓器分為直線式和旋轉式兩種。直線式液壓變壓器即增壓缸，是采用2單出桿液壓缸并將活塞桿剛性連接的結構，其變壓比是固定值。BISHOP[7]提出了一種基于缸式的數字液壓變壓器，該液壓變壓器是將一個多級液壓缸各級活塞的面積比依次按照2的指數規律配置，通過對各級活塞不同形式的組合實現壓力的變化，但由于其自身結構的限制，尚不能實現連續控制變壓，只能應用在流量較小的場合。旋轉式液壓變壓器目前分為柱塞式和葉片式兩種。柱塞式液壓變壓器是KOUNS[8]提出的一種采用軸向柱塞泵和軸向柱塞馬達、通過轉子機械連接形式的液壓變壓器，被稱為傳統型液壓變壓器，但其結構復雜，摩擦和泄漏較大，國內外已很少研究；新型液壓變壓器已由ACHTEN等[9-11]研究到了第三代，是一種柱塞泵/馬達復合結構的液壓變壓器，其衍變過程主要是從柱塞數目、缸體結構的改變到配流盤結構的優化，目的是降噪和提高工作效率。劉成強等[12-13]研制出電液伺服控制的斜盤式新型液壓變壓器，并對其進行了降噪研究。沈偉[14]研究了液壓變壓器在混合動力挖掘機中的應用。石陸軍[15]研制了一種雙變量對稱式液壓變壓器。石茂順等[16]將液壓變壓器應用于海流發電液壓傳動系統中。目前，國內關于柱塞式液壓變壓器調壓范圍過窄的問題已解決，但對其降低噪聲的研究還基本處于空白。

相較于上述兩種液壓變壓器，本文提出一種數字型液壓變壓器(Digital hydraulic transformer，DHT)[17]，其噪聲較小，具有較大的變壓比范圍，并能采用二進制數字對變壓比進行精確控制，以期實現液壓系統壓力/流量的轉換。

1 DHT結構組成

DHT主體包括由n個齒輪泵/馬達單元組成的分流集流系統[18-19]和兩組分別由n個二位三通電磁開關閥組成的控制閥組[20-21]。n個齒輪泵/馬達單元通過通體螺絲和緊固螺母并排固定，其排量依次按照2的指數規律配置，n為大于2的整數。齒輪泵/馬達單元是由殼體、主動齒輪、從動齒輪、左端蓋、左端蓋密封環、右端蓋、右端蓋密封環、浮動側板和軸套軸瓦等組成，主動齒輪和從動齒輪相互嚙合，在殼體上對應嚙合區兩側分別開有一個輸入油口和一個輸出油口，相鄰齒輪泵/馬達單元的主動齒輪軸剛性連接，使各齒輪泵/馬達單元同步轉動。5個齒輪泵/馬達單元組成的分流集流系統如圖1所示。

圖1 五聯齒輪泵/馬達分流集流系統實物圖

控制閥組包括入口控制閥組和出口控制閥組。入口控制閥組包括n個二位三通電磁開關閥，其分別控制各齒輪泵/馬達單元的輸入油口在油源壓力油和低壓油之間切換。每個二位三通電磁開關閥的工作狀態采用二進制數0和1表示，狀態為“0”時，電磁鐵失電，對應齒輪泵/馬達單元的輸入油口接入低壓油口；狀態為“1”時，電磁鐵得電，對應齒輪泵/馬達單元的輸入油口接入油源口。

出口控制閥組也包括n個二位三通電磁開關閥，分別控制各齒輪泵/馬達單元的輸出油口在負載壓力油和低壓油之間切換。二位三通電磁開關閥狀態為“0”時，電磁鐵失電，對應的齒輪泵/馬達單元的輸出油口接入低壓油口；狀態為“1”時，電磁鐵得電，對應的齒輪泵/馬達單元的輸出油口接入負載油口。5個齒輪泵/馬達單元對應控制閥組的閥塊如圖2所示。

圖2 安裝控制閥組的閥塊實物圖

將入口控制閥組的n個二位三通電磁開關閥工作狀態對應一個n位二進制數Ni，出口控制閥組的n個二位三通電磁開關閥工作狀態對應一個n位二進制數No。通過對入口控制閥組和出口控制閥組進行二進制數字控制，實現對DHT負載油口的壓力控制。5個齒輪泵/馬達單元構成的DHT如圖3所示。

圖3 DHT實物圖

2 DHT工作原理

以5個齒輪泵/馬達單元組成的DHT為例描述，其排量比為20:20:21:22:23。將5個齒輪泵/馬達單元的進口、出口分別安裝一個控制閥組，即入口控制閥組和出口控制閥組。入口控制閥組各電磁開關閥的供油壓力口通過閥塊連接在一起，并匯總為外接油口P，出口控制閥組各電磁開關閥的負載油口通過閥塊連接在一起，并匯總為外接油口A，DHT兩側電磁開關閥的低壓油口通過閥塊連接在一起，并匯總為外接油口T。其工作原理圖如圖4所示。

圖4 DHT工作原理圖

根據能量守恒定律，理想情況下分析DHT的變壓原理，采用定量泵作為DHT的動力元件，且以油源輸出壓力、流量為基準值。當DHT入口側和出口側控制閥組全部得電時，有

(1)

式中pi——油源壓力油壓力

po——負載壓力油壓力

Qi——外接油源壓力油流量

由式(1)可知，此時DHT的輸出壓力等于輸入壓力，DHT表現功能為既不升壓也不降壓。

當DHT入口側控制閥組全部得電，出口側電磁開關閥6得電，電磁開關閥7、8、9、10失電時，電磁開關閥7、8、9、10輸出流量回油箱，輸出壓力默認為0，電磁開關閥6輸出的壓力/流量進入系統。此時齒輪泵/馬達m1、m3、m4、m5處于馬達工況，輸出扭矩給齒輪泵/馬達m2，齒輪泵/馬達m2處于泵工況。由此可知

(2)

由式(2)可知，此時DHT的輸出壓力等于16倍輸入壓力，DHT表現功能為升壓。

當DHT入口側電磁開關閥1得電，電磁開關閥2、3、4、5失電，出口側控制閥組全部得電時，電磁開關閥2、3、4、5從油箱中吸油進入對應的齒輪泵/馬達單元。此時齒輪泵/馬達m2處于馬達工況，且輸出扭矩給齒輪泵/馬達m1、m3、m4、m5，齒輪泵/馬達m1、m3、m4、m5處于泵工況。由此可知

piQi=poQi+poQi+po×2Qi+po×4Qi+po×8Qi

(3)

由式(3)可知，此時DHT的輸出壓力等于1/16倍輸入壓力，DHT表現功能為降壓。

上述是DHT的部分變壓過程，現對其入口側和出口側控制閥組進行狀態組合，歸納總結其全部轉換關系。令入口側控制閥組中的電磁開關閥5的狀態對應一個1位二進制數Ni1，電磁開關閥1、2、3、4的狀態對應一個4位二進制數Ni2；出口側控制閥組中的電磁開關閥10的狀態對應一個1位二進制數No1，電磁開關閥6、7、8、9的狀態對應一個4位二進制數No2，則其轉換關系為

(4)

式中Qo——負載壓力油流量

由式(4)可知，DHT的變壓比范圍理論上可達到1/16～16。

3 DHT仿真建模

利用AMESim軟件構建DHT機液系統的仿真模型，為研究DHT在變壓過程中系統壓力、流量的變化情況，根據所搭建的DHT仿真模型，采用數字邏輯組合的控制方式對DHT進口、出口控制閥組進行編碼控制，其中DHT入口處的5個開關閥編號為1～5，出口處編號為6～10。仿真期間共切換7次，間隔40 s進行一次電磁開關閥得失電切換，步長為0.01 s，如圖5所示。

圖5 DHT傳動系統仿真模型

為了描述DHT的升降壓狀態，本文對其變壓過程進行了定義與分析。在對DHT壓力調節時，以油源輸入系統中的壓力為基準值，DHT輸出的壓力可分為升壓、保壓和降壓3個階段。升壓階段，當DHT輸出壓力呈上升趨勢、不變、下降趨勢時，此時將DHT的變壓過程分別稱為升升壓、升保壓和升降壓調節；保壓階段，DHT入口側和出口側控制閥組全部得電，此時DHT的運行狀態處于保壓階段；降壓階段，當DHT輸出壓力呈上升趨勢、不變、下降趨勢時，此時將DHT的變壓過程分別稱為降升壓、降保壓和降降壓調節。

圖5中，液壓系統仿真模型是以節流閥模擬的負載，可得

(5)

式中Cd——節流閥閥口流量系數

AT——節流閥閥口面積

ρ——油液密度

q——節流閥閥口流量

p1——節流閥入口壓力

p2——節流閥出口壓力

由式(5)知，當節流閥閥口流量系數、閥口面積、油液密度和節流閥出口壓力一定時，流經節流閥的流量與節流閥的輸入壓力呈正相關。節流閥的輸入壓力即為系統的模擬負載壓力，其過流流量發生變化時，負載壓力發生變化，可以有效模擬在變負載情況下數字化控制DHT輸出壓力的變化情況。

3.1 升壓階段

設定DHT升壓階段入口控制閥組中各電磁開關閥全部處于得電狀態，DHT升升壓、升降壓調節時，其出口控制閥組處于得失電數字控制狀態，控制矩陣分別為

(6)

(7)

DHT升升壓、升降壓調節狀態下輸出壓力與輸入壓力之比分別為

(8)

(9)

液壓系統中DHT的壓力、流量及齒輪泵/馬達轉速變化情況如圖6所示。由圖6a可知，油源輸出壓力恒定，DHT輸出壓力呈階梯狀上升狀態，實現了升升壓調節功能，但DHT出口側控制閥組得失電切換時，A口輸出壓力出現了負向沖擊現象，主要原因是各齒輪泵/馬達對應的控制閥組為降排量切換，切換瞬時有流量ΔLi流入低壓端，導致進入液壓缸無桿腔的流量驟減，出現了負向沖擊。齒輪泵/馬達轉速呈階梯狀上升狀態，主要原因是DHT出口控制閥組得失電切換時，其中部分齒輪泵/馬達由泵工況轉為馬達工況，將液壓能部分轉變為機械能，提高了齒輪泵/馬達的轉速。DHT的P口和A口之間的流量差值為T口輸出流量。圖6b為升降壓調節特性曲線，其壓力、流量和轉速的特性曲線變化與升升壓調節相反，輸出壓力與流量均出現了不同程度的正向沖擊。

圖6 升壓階段DHT調節特性曲線

3.2 保壓階段

設定DHT保壓階段入口側控制閥組全部處于得電狀態，出口側閥組控制矩陣為

(10)

由式(10)可以看出，DHT進口、出口各電磁開關閥全部得電，理論變壓比為1。如圖7所示，在忽略能量損失的情況下，DHT的輸出壓力恒等于輸入壓力，輸出流量等于油源輸入系統的流量，且也為定值，低壓口不參與工作，齒輪泵/馬達的轉速為定值。

圖7 保壓階段DHT調節特性曲線

3.3 降壓階段

設定DHT降壓階段出口側控制閥組全部處于得電狀態，DHT降降壓、降升壓調節入口控制閥組的控制矩陣分別為

(11)

(12)

DHT降降壓、降升壓調節狀態下輸出壓力與輸入壓力之比分別為

(13)

(14)

圖8 降壓階段DHT調節特性曲線

液壓系統中DHT的壓力、流量及齒輪泵/馬達轉速的變化情況如圖8所示。圖8a為降降壓調節特性曲線，系統油源輸出壓力恒定，DHT輸出壓力呈階梯狀下降狀態，實現了降降壓調節功能，其中階段i表示降保壓狀態。降降壓調節時，DHT的輸出壓力沒有出現沖擊現象，主要原因是變壓過程中DHT進口側控制閥組進行得失電狀態切換，出口側控制閥組一直處于得電狀態，在入口側控制閥組切換瞬時，齒輪泵/馬達的轉速未發生變化，DHT的輸出流量也就未發生變化，所以沖擊現象沒有出現。齒輪泵/馬達轉速呈階梯狀下降狀態，主要原因是DHT入口側控制閥組得失電切換組合時，其中部分齒輪泵/馬達由馬達工況轉為泵工況，將機械能部分轉變為液壓能，降低了齒輪泵/馬達的轉速。DHT的P口和A口之間的流量差值為T口輸入流量。圖8b為降升壓調節特性曲線，其壓力、流量和轉速的特性曲線變化與降降壓調節相反。

4 試驗

利用DHT試驗平臺(圖9)，對所設計的DHT變壓狀態進行試驗研究。該試驗平臺由液壓二次元件DHT、液壓傳動系統和控制系統等部分組成，通過對DHT進出口各電磁開關閥的得失電數字控制完成其升壓、保壓和降壓功能的試驗。

圖9 DHT試驗平臺

如圖10、11所示，在壓力調節特性方面，試驗曲線與仿真曲線變化趨勢基本吻合，實現了DHT壓力調節功能，但DHT工作時存在部分能量損失，由保壓階段可以看出，導致實際輸出壓力略小于理論輸出壓力。同時升升壓調節時，DHT出口側控制閥組得失電為降排量控制，各電磁開關閥切換瞬時，DHT輸出流量瞬間減小，以節流閥為模擬負載的入口壓力瞬間減小，導致DHT輸入/輸出壓力出現不同程度的負向沖擊。升降壓調節出現的壓力沖擊與升升壓調節現象相反。降降壓調節時，DHT入口側控制閥組進行得失電數字控制，各電磁開關閥降排量切換瞬時，齒輪泵/馬達轉速一定，入口控制閥組需要的P口流量減小，但此時泵輸入系統的流量不變，導致泵出口壓力出現不同程度的正向沖擊。降升壓調節出現的壓力沖擊與降降壓調節現象相反。

在流量調節特性方面，試驗曲線與仿真曲線變化趨勢較為吻合，DHT實現了通過調節流量而改變輸出壓力的目的。但在流量調節時，DHT的輸入/輸出流量發生沖擊現象，上述對試驗的壓力調節特性上已經敘述，在此不再贅述。另外，由圖10、11中保壓階段流量特性曲線可以看出，由于齒輪泵/馬達存在卸油口，DHT實際的輸出流量略低于理論輸出流量。

在轉速調節特性方面，試驗曲線與仿真曲線變化趨勢較為吻合，轉速呈階梯狀上升/下降狀態；但降壓階段試驗曲線的變化過程與仿真曲線存在一定偏差，原因主要是試驗過程中處于不同工況配合下的齒輪泵/馬達單元在進出口壓差作用下產生不同的動力矩和阻力矩，二者相互疊加導致實際轉速曲線與理想轉速曲線發生偏差。

圖10 保壓、升壓階段DHT調節特性試驗曲線

圖11 保壓、降壓階段DHT調節特性試驗曲線

5 結論

(1)針對恒壓網絡二次調節系統，提出了一種數字型液壓變壓器，DHT將不同排量齒輪泵/馬達輸出軸進行剛性連接，在各齒輪泵/馬達的進出口分別安裝有電磁開關閥，通過對DHT進口、出口控制閥組的得失電控制，實現DHT低壓口流量的吸入、釋放，進而達到通過改變DHT輸出流量而改變輸出壓力的目的。

(2)基于DHT搭建了AMESim傳動系統仿真模擬平臺，對DHT的輸入壓力、輸出壓力、流量及齒輪泵/馬達的轉速進行了仿真，驗證了其變壓原理的有效性。最后，依托試驗測試平臺，對DHT的變壓效果進行了試驗，驗證了通過對DHT進口、出口控制閥組的數字控制，可以在實際系統中進行變壓的可行性。