双缸体旋转斜盘式液压变压器特性分析.pdf

第4 9 卷第2 2 期 2 0 1 3年 1 1 月 机械工程学报 J OUR NAL OF M E CHANI CAL E NGI NEE RI NG Vo 1 ． 4 9 NO V ． NO． 2 2 2 0 1 3 DoI 1 0． 39 0 1 ， JM E． 2 01 3 ． 2 2 ． 1 4 4 双缸体旋转斜盘式液压变压器特性分析水 吴 维 荆崇波胡纪滨 苑士华 北京理工大学车辆传动重点实验室北京 1 0 0 0 8 1 摘要针对旋转配流盘式液压变压器在变压范围、流量脉动以及噪声控制上的不足，提出一种小流量脉动低噪音液压变压器 方案。分析目前液压变压器的主要特点，基于一种旋转斜盘式双缸体液压变压器方案，通过增加柱塞数量并结合斜盘转角的 初始位置控制，达到减小流量脉动和噪声的效果。分析斜盘转动的转角及其阻力矩变化规律，并进行变压比样机试验测试。 结果表明，旋转斜盘式液压变压器宜将上止点与 A口中点重合时作为斜盘初始位置，在斜盘转角小于 1 0 0 。时，新型液压变 压器使得输出流量不均匀系数减小了约 4 0 ％，随着转角的继续增大，输出流量不均匀系数趋于一致，试验结果表明新方案可 实现 较大范围的变压 比。 关键词液压变压器变压比不均匀系数噪声控制角度 中图分类号T H 1 3 7 Ch a r a c t e r i s t i c s o f Du a l c y l i nd e r Hy d r a u l i c Tr a n s f o r me r wi t h Ro t a t a b l e ，刀s h Pl a t e W U W e i J I NG Ch o n g b o HU J i bi n YUAN S h i h u a Na t i o n a l Ke y L a b o r a t o r y o f V e h i c u l a r T r a n s mi s s i o n ， Be i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 Ab s t r a c t T o o v e r c o me t h e s h o r t a g e s o f t h e r o t a t i n g v a l v e p l a t e h y d r a u l i c t r a n s f o r me r i n p r e s s u r e r a t i o ， fl o w p u l s a t i o n an d n o i s e ， a n o v e l h y dra u l i c t r a n s f o r me r wi t h s ma l l flo w p u l s a t i o n an d n o i s e i s p r e s e n t e d ． T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e mo d e m h y dra u l i c t r an s f o rm e r a r e ana l y s e d ． A n o v e l h y d r a u l i c t r a n s f o rm e r wi t h a r o t a t i n g s wa s h p l a t e an d d o u b l e c y l i n d e r s are i n v e s t i g a t e d ． S ma l l fl o w p u l s a t i o n and n o i s e are a c h i e v e d b y inc r e ing the p i s t o n n u mb e r an d the i n i t i a l p o s i t i o n c o n t r o l o f the s wa s h p l a t e an g l e ． Th e c h ara c t e r i s t i c s o f t h e s wa s h p l a t e a n g l e and the mo me n t o f r e s i s t a n c e wh e n r o tat i n g the s wa s h p l a t e we r e i n v e s t i g a t e d ． T h e p r e s s u r e r a t i o wa s t e s t e d b y a p r o t o t y p e ． Th e i n i t i a l p o s i t i o n o fthe s wa s h p l a t e s h o u l d b e s e t i n the p o s i t i o n wh e r e the mi d d l e o f t h e p o r t A an d t h e t o p d e a d c e n t r e a r e s u p e r p o s e d ． W h e n the r o t a r y a n g l e o f the s wa s h p l a t e i s b e l o w 1 0 0 。 ， t h e u n i f o rm i t y c o e ffi c i e n t o f t h e o u t p u t fl o w r e d u c e s a b o u t 4 0 ％i n t h e n o v e l h y dra u l i c tra n s f o rm e r ．Ho we v e r ,wh e n t h e r o t a r y an g l e o f t h e s wa s h p l a t e c o n t inu e s t o b e c o m e l arg e r ,t h e u n i f o r mi ty c o e ffi c i e n t wi l l b e c o me s a me ．T h e me a s ure d r e s u l t s ind i c a t e d tha t the n o v e l c o n fig u r a t i o n C an r e a l i s e a wi d e r p r e s s u r e r a t i o r an ge ． Ke y wo r d s Hy dra u l i c tran s f o rm e r P r e s s ure r a t i o Un i f o rm i ty c o e ffic i e n t No i s e Co n tro l an g l e 0 前言 液压变压器集液压泵和马达功能为～体，可根 据负载需要实现系统压力的恒功率调节 。1 9 6 5年， 文献[ 1 ] 首先论述了液压变压器原理，该液压变压器 结构复杂，制造困难 ，同时只能实现单 向变压，且 ’“ 十二五”国家部委基础科研 资助项目 B 2 2 2 0 1 1 0 0 0 5 。2 0 1 2 1 2 2 6收 到初稿 ，2 0 1 3 0 7 2 0 收到修改稿 能量损失大。1 9 7 1年，HE R B E R T等L 2 设计 了一种 双 向液压变压器，该型液压变压器只是将液压泵和 马达简单的同轴机械连接。 1 9 9 7年，I N NAS和 NO XA联合提 出了新型结 构的 I N NAS液压变压器 j ， 该结构改变 了传统液压 变压器设计上直接将液压泵和马达 同轴机械连接的 结构，而是采用三窗口的配流盘结构【 4 J 。1 NNA S液 压变压器将液压泵和马达的功能集为一身，构成 了 一 个独立 的液压元件，简化了机械结构，惯量小， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 9 卷第 2 2期 液压变压器都能正常工作。 以下止点为初始位置时，如 图 2所示 ，当斜盘 转角在 0 。“ - 6 0 。范围内， 柱塞腔从 A 口经过渡区， 容积 减小，压力 P升高，而后突然与压力较低的 B口接通，产生压力冲击，同理，在 B 口到 T口和 T口到 A 口，都将产生冲击振动和噪声；当斜盘转 角在 6 0 。～1 2 0 。范围内， 柱塞腔从 A 口经过渡区， 容积 增大， 压力P降低，而后与压力较高的B口 接通 ，产生压力冲击 ，在 B 口到 T 口和 T 口到 A 口都有 同样 的结果。 6 0 图 2 下止点为初始位置的变化规律 然而，以上止点为初始位置时，如 图 3所示 ， 当斜盘转角在 0 。～6 0 。范围内，柱塞腔从 B 口经 过过渡区，容积 减小，压力P升高，而后与压力 较高的 A 口接通 ，缓解 了压力冲击，同理，在 A 口 到 T口和 T口到 B 口， 都有同样缓冲效果；当斜盘 转角在 6 0 。～1 2 0 。范围内，柱塞腔从 B 口经过渡 区，容积 增大，压力 P降低，而后与压力较低的 A 口接通 ，同样缓解 了压力冲击，在 A 口到 T口和 T口到 B口有同样的缓冲效果。 图3 上止点为初始位置的变化规律 综上所述，旋转斜盘式液压变压器宜将上止点 与 A 口中点重合时作为斜盘初始位置，此有利于减 小液压变压器工作过程中的压力冲击和振动噪声。 3 流量脉动 单个柱塞运动所产生的瞬时流量 】 g ， ． t a n yt a n s i n 1 玎， ． S l ‘ l ， 式中 g 瞬时流量 d柱塞直径 ， ． 柱塞分布圆半径 缸体旋转角速度 斜盘倾角 柱塞转角 缸体 1 各个柱塞运动所产生的瞬时流量 等 伽 n c I 式中 缸体 1柱塞瞬时流量 Z柱塞总数 i 柱塞的顺序编号，i 1 ， 2 ， ⋯ ，缸体 1 的柱塞 1的转角 斜盘转角 缸体 2各个柱塞运动所产生的瞬时流量 警 totan l 警 c卜 t l 式中，g 2 为缸体 2柱塞瞬时流量，仍 为缸体 2的 柱塞 1 的转角。 流量脉动程度用流量不均匀系数 衡量 q ma x-- q m i ． 4 m a， 【 式中 g 一 液压变压器最大瞬时流量 g I I1 i Il 液压变压器最小瞬时流量 两个缸体之 间的相位关系用式 5 表示 l 仍l 5 式中，％ 为两缸体之间的相位差， 其取值为 1 8 0 。／ Z ， 即保证所有的柱塞均匀分布。在计算时，假定每个缸 体对应的柱塞数量为 9 ，由此旋转斜盘式液压变压器 输出流量不均匀系数变化规律如图4所示。 从图4可知，在斜盘转角小于 1 0 0 。时，新型 液压变压器使得输 出流量不均匀系数减小了约 4 0 ％，随着转角的继续增大，输 出流量不均匀系数 趋于一致，其原因是 B口排量趋 向于零，最大瞬时 输 出流量和最小瞬时输 出流量绝对值趋于相等 ，但 方 向相反。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 9卷第 2 2期 表试验仪器表 旋转斜盘式液压变压器的三个工作油口 A、 B、 T分别与恒压油源的管路联接 ，其中 A 口接恒油源 的高压供油管路 ，恒压油源通过恒压泵和蓄能器调 定试验所需的压力；B 口输出油液经溢流阀加载， 溢流油液回到恒压油源 的油箱；为保证液压元件各 个油口的流量守恒关系， T口连接低压油源，保证 对液压变压器进行充分的补油。 试验测试得到的变压比曲线如 图 7所示，其 中 A 口压力为 1 0 ． 0 MP a ，缸体转速为 8 0 0 r ／ mi n 。从 图 7可知 ，旋转斜盘式液压变压器的变压 比随斜盘转 角的变化而连续变化 ，且调压范围较大 ，结果表 明 采用旋转斜盘式结构，显著扩大了变压器的调压范 围。变压比试验值与理想值变化趋势基本一致，但 试验值曲线比理想值曲线滞后。 在斜盘转角为6 0 。 时，理想变压比为 1 ． 0 ，而在试验中，斜盘转角为 7 2 。时，变压比才达到 1 ． 0 。 4O 3 5 3 O 2 5 蓄2 o 1 5 1 0 O 5 O 哩 想 值 ／ ．试验值 ／ { |／ I ／ ／ I ／ ， ／ ，／ ／ 一 _ ＼＼＼ l I 2 0 4 O 6 O 8 0 1 0 0 1 2 0 斜盘转角／ 。 图7 变压比曲线 图 8和图 9分别为缸体转速和 A 口压力对变压 比影响的试验结果 。随着转速升高，变压 比有减小 的趋势 。当 A 口压力增加时，液压变压器的变压比 会有相应的增加，且其转角越大，A口压力对变压 比的影响越明显。样机试验测试的最高效率达到了 7 5 ％，鉴于在配流盘设计、摩擦力控制方面还有需 要优化的方面， 未来实际使用效率有望进一步提高。 出 斜盘转角 ／ 。 图 8 缸体转速变化对变压比的影响曲线 出 图9 A口压力变化对变压比的影响曲线 在启动阶段 ，受各接触位置静摩擦力的影响， 在斜盘缓慢转动到 3 0 。附近时， 旋转体才开始启动 并高速旋转，此后当斜盘转角减小到 1 2 。～1 5 。 时，在空载状态下，旋转体仍能维持稳定运转 ，而 在小于 1 2 。时，旋转体停止转动。这表明在启动阶 段，旋转体需要较大启动转矩才能开始旋转，而当 旋转体转速升高后，摩擦力则迅速减小，较小的斜 盘转角也能维持 回转体旋转。 6 结论 本文提 出了一种新型小流量脉动低 噪音液压 变压器 ，其采用旋转斜盘式双缸体结构形式。新型 液压变压器变压 比的调整通过旋转斜盘，以改变斜 盘转角实现，通过合理匹配初始位置和增加柱塞数 量，减小了流量脉动和噪声，同时采用蜗轮蜗杆传 动控制斜盘转角，使变压控制操纵机构结构紧凑， 克服了旋转配流盘式液压变压器的缺点，基本试验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 1 1 月 吴维等双缸体旋转斜盘式液压变压器特性分析 1 4 9 结 果表 明新 结构 在 调压 范 围 和 噪声 控制 上拥 有 优势。 参考文献 [ 1 ]T YL E R H P T y l e r fl u i d i n t e n s i fi e r US ，3 1 8 8 9 6 3 [ P ] ． 1 9 6 5 ． 0 6 ． 1 5 ． [ 2 ]H E R BE R T H K， C A MAR I L L O C ． Hy d r a u l i c t r a n s f o r me r US ， 3 6 2 7 4 5 1 [ P ] ． 1 9 7 1 - 1 2 1 4 ． 【 3 】AC H T E N P A J ，Z H AO F ，V AE L G E M，e t a 1 ． Tr a n s f o r mi n g f u t u r e h y dra u l i c s A n e w d e s i g n o f a h y d r a u l i c t r a n s f o r me r [ C ／ C D ] ／ ／ T h e F i f th S c a n d i n a v i a n I n t e rna t i o n a l Co n f e r e n c e o n F l u i d Po we r ,Ma y 2 8 3 0 ， 1 9 9 7 ， L i n k 6 p i n g Un i v e r s i t y , S we d e n ， 1 9 9 7 ． [ 4 ]A C HT E N P A J ．H y dra u l i c t r a n s f o rm e r E u r p e a n， 0 8 8 2 1 8 1 B1 [ P 】 ． 1 9 9 7 - 0 2 - 2 4 ． 【 5 】A C HT E N P A J ， Z H AO F V a l u i n g l and p h e n o me n a o f t h e i n n a s h y dra u l i c t r a n s f o rm e r [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F l u i d P o w e r , 2 0 0 0 1 3 3 - 4 2 ． [ 6 】AC HT E N P A J ， T I T US v a i l d e n B ， J O HA N V an d e n O ． D e d i c a t e d d e s i g n o f the h y dra u l i c t r ans f o r me r [ C ] ／ ／ T h e 3 r d I n t e r n a tio n a l F l u i d P o we r Co n f e r e n c e ，Ma r c h 5 - 6 ， 2 0 0 2 Aa c h e n ， Ge r man y , 2 0 0 2 2 3 3 - 2 4 8 ． [ 7 】欧阳小平，徐兵，杨华勇．拓宽液压变压器调压范围的 新方法[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 4 ， 4 0 9 2 8 - 3 2 ． OUYANG Xi a o p i n g ， XU Bi n g ， Y ANG Hu a y o n g ． 。 I n n o v a t i o n me tho d o f wi d e n i n g a d j u s t a b l e p r e s s u r e r a n g e o f h y dra u l i c t r a n s f o r me r s [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 4 0 9 2 8 3 2 ． [ 8 】刘成强，姜继海，于彩新，等．新型液压变压器的研究 现状及展望[ J 】 ． 液压与气动， 2 0 1 0 3 4 0 - 4 2 ． LI U Ch e n g q i ang ， J I ANG J i h a i ， YU Ca i x i n ， e t a 1 ． Re s e arc h s tat u s an d p r o s p e c t o f n e w t y p e h y d r a u l i c t r ans f o rm e r [ J ] ． C h i n e s e H y dra u l i c s P n e u ma t i c 。 2 0 1 0 3 -4 0 - 4 2 ． [ 9 】欧阳小平， 杨华勇， 徐兵， 等． 新型配流副液压变压器 研究[ J 】 ．中国科学， 2 0 0 8 ， 3 8 1 9 5 - 1 0 2 ． OUYANG Xi a o p i n g ，YANG Hu a y o n g ，XU Bi n g ，e t a 1 ． Re s e arc h o n the h y dra u l i c t r an s f o r i f l e r wi t h n e w d i s t r i b u t i o n p a i r s [ J ] ．S c i e n c e i n C h i n a ，2 0 0 8 ，3 8 1 95 ． 1 0 2． 【 1 0 ]徐兵，马吉恩，杨华勇．液压变压器瞬时流量特性分析 [ J ] ．机械工程学报， 2 0 0 7 ， 4 3 1 1 4 4 49 ． XU Bi n g ， M A J i e n ， YANG Hu a y o n g ． An a l y s i s o f i n s t an t an e o u s flo w r a t e c h ara c t e r o f h y dra u l i c tr ans f o rm e r [ J ] ． C h i n e s e J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g ine e r i n g ， 2 0 0 7 ， 4 3 1 1 4 4 - 4 9 ． [ 1 1 】杨华勇，欧阳小平，徐兵．液压变压器的发展现状[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 5 1 - 5 ． YANG Hu a y o n g ， OUY ANG Xi a o p i n g ， XU Bing ． De v e l o p me n t o f h y dra u l i c t r a n s f o r me r [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 3 9 5 1 - 5 ． 【 1 2 ]A C HT E N PA J ， V AE LG EM， V an d e nO E VE R J ， e t a 1 ． ’ s h u t t l e ’t e c h n o l o g y f o r n o i s e r e d u c t i o n a n d e ffi c i e n c y i mp r o v e me n t o f h y dro s ta t i c ma c h i n e s [ C ] ／ ／ T h e 7 t h S c and ina v i a n I n t e rna t i o n a l Co n f e r e n c e o n F l u i d P o we r , Ma y 3 0 -J u n e 1 ，2 0 01 ，Li n k S p ing Un i v e r s i ty,S we d e n ， 2 0 0 1 ． [ 1 3 】姜继海 ，卢红影，周瑞 艳，等．液压恒压 网络系统 中液 压变压器的发展历程[ J ] ．东南大学学报， 2 0 0 6 ，3 6 5 8 6 9 ． 8 7 4 ． J I ANG J i h a i ， L U Ho n g y i n g ， Z HOU Ru i y a n ， e t a 1 ． De v e l o p me n t o f h y dra u l i c t r a n s f o rm e r in c o n s t a n t p r e s s ure r a i l s y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s i ty, 2 0 0 6 ， 3 6 5 8 6 9 - 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