數(shù)字型液壓變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島 066004；2.燕山大學(xué)河北省特種運(yùn)載裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004；3.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004)

0 引言

近些年發(fā)展起來的恒壓網(wǎng)絡(luò)(Common pressure rail，CPR)二次調(diào)節(jié)技術(shù)有效提高了液壓系統(tǒng)的功能和效率，其中關(guān)鍵在于液壓變壓器技術(shù)[1-3]。液壓變壓器是一種可把液壓能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的液壓元件，在液壓傳動(dòng)中理論上可以將恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的壓力無節(jié)流損失地調(diào)整為負(fù)載所需要的壓力[4-6]。

現(xiàn)有液壓變壓器分為直線式和旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，其變壓比是固定值。BISHOP[7]提出了一種基于缸式的數(shù)字液壓變壓器，該液壓變壓器是將一個(gè)多級(jí)液壓缸各級(jí)活塞的面積比依次按照2的指數(shù)規(guī)律配置，通過對(duì)各級(jí)活塞不同形式的組合實(shí)現(xiàn)壓力的變化，但由于其自身結(jié)構(gòu)的限制，尚不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制變壓，只能應(yīng)用在流量較小的場合。旋轉(zhuǎn)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(dá)、通過轉(zhuǎn)子機(jī)械連接形式的液壓變壓器，被稱為傳統(tǒng)型液壓變壓器，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，摩擦和泄漏較大，國內(nèi)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(dá)復(fù)合結(jié)構(gòu)的液壓變壓器，其衍變過程主要是從柱塞數(shù)目、缸體結(jié)構(gòu)的改變到配流盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，目的是降噪和提高工作效率。劉成強(qiáng)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(duì)其進(jìn)行了降噪研究。沈偉[14]研究了液壓變壓器在混合動(dòng)力挖掘機(jī)中的應(yīng)用。石陸軍[15]研制了一種雙變量對(duì)稱式液壓變壓器。石茂順等[16]將液壓變壓器應(yīng)用于海流發(fā)電液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中。目前，國內(nèi)關(guān)于柱塞式液壓變壓器調(diào)壓范圍過窄的問題已解決，但對(duì)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(shù)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(jìn)制數(shù)字對(duì)變壓比進(jìn)行精確控制，以期實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力/流量的轉(zhuǎn)換。

1 DHT結(jié)構(gòu)組成

DHT主體包括由n個(gè)齒輪泵/馬達(dá)單元組成的分流集流系統(tǒng)[18-19]和兩組分別由n個(gè)二位三通電磁開關(guān)閥組成的控制閥組[20-21]。n個(gè)齒輪泵/馬達(dá)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(shù)規(guī)律配置，n為大于2的整數(shù)。齒輪泵/馬達(dá)單元是由殼體、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、左端蓋、左端蓋密封環(huán)、右端蓋、右端蓋密封環(huán)、浮動(dòng)側(cè)板和軸套軸瓦等組成，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪相互嚙合，在殼體上對(duì)應(yīng)嚙合區(qū)兩側(cè)分別開有一個(gè)輸入油口和一個(gè)輸出油口，相鄰齒輪泵/馬達(dá)單元的主動(dòng)齒輪軸剛性連接，使各齒輪泵/馬達(dá)單元同步轉(zhuǎn)動(dòng)。5個(gè)齒輪泵/馬達(dá)單元組成的分流集流系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 五聯(lián)齒輪泵/馬達(dá)分流集流系統(tǒng)實(shí)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(gè)二位三通電磁開關(guān)閥，其分別控制各齒輪泵/馬達(dá)單元的輸入油口在油源壓力油和低壓油之間切換。每個(gè)二位三通電磁開關(guān)閥的工作狀態(tài)采用二進(jìn)制數(shù)0和1表示，狀態(tài)為“0”時(shí)，電磁鐵失電，對(duì)應(yīng)齒輪泵/馬達(dá)單元的輸入油口接入低壓油口；狀態(tài)為“1”時(shí)，電磁鐵得電，對(duì)應(yīng)齒輪泵/馬達(dá)單元的輸入油口接入油源口。

出口控制閥組也包括n個(gè)二位三通電磁開關(guān)閥，分別控制各齒輪泵/馬達(dá)單元的輸出油口在負(fù)載壓力油和低壓油之間切換。二位三通電磁開關(guān)閥狀態(tài)為“0”時(shí)，電磁鐵失電，對(duì)應(yīng)的齒輪泵/馬達(dá)單元的輸出油口接入低壓油口；狀態(tài)為“1”時(shí)，電磁鐵得電，對(duì)應(yīng)的齒輪泵/馬達(dá)單元的輸出油口接入負(fù)載油口。5個(gè)齒輪泵/馬達(dá)單元對(duì)應(yīng)控制閥組的閥塊如圖2所示。

圖2 安裝控制閥組的閥塊實(shí)物圖

將入口控制閥組的n個(gè)二位三通電磁開關(guān)閥工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)Ni，出口控制閥組的n個(gè)二位三通電磁開關(guān)閥工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)No。通過對(duì)入口控制閥組和出口控制閥組進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)字控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)DHT負(fù)載油口的壓力控制。5個(gè)齒輪泵/馬達(dá)單元構(gòu)成的DHT如圖3所示。

圖3 DHT實(shí)物圖

2 DHT工作原理

以5個(gè)齒輪泵/馬達(dá)單元組成的DHT為例描述，其排量比為20:20:21:22:23。將5個(gè)齒輪泵/馬達(dá)單元的進(jìn)口、出口分別安裝一個(gè)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(guān)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(guān)閥的負(fù)載油口通過閥塊連接在一起，并匯總為外接油口A，DHT兩側(cè)電磁開關(guān)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(jù)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(dòng)力元件，且以油源輸出壓力、流量為基準(zhǔn)值。當(dāng)DHT入口側(cè)和出口側(cè)控制閥組全部得電時(shí)，有

(1)

式中pi——油源壓力油壓力

po——負(fù)載壓力油壓力

Qi——外接油源壓力油流量

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

當(dāng)DHT入口側(cè)控制閥組全部得電，出口側(cè)電磁開關(guān)閥6得電，電磁開關(guān)閥7、8、9、10失電時(shí)，電磁開關(guān)閥7、8、9、10輸出流量回油箱，輸出壓力默認(rèn)為0，電磁開關(guān)閥6輸出的壓力/流量進(jìn)入系統(tǒng)。此時(shí)齒輪泵/馬達(dá)m1、m3、m4、m5處于馬達(dá)工況，輸出扭矩給齒輪泵/馬達(dá)m2，齒輪泵/馬達(dá)m2處于泵工況。由此可知

(2)

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

當(dāng)DHT入口側(cè)電磁開關(guān)閥1得電，電磁開關(guān)閥2、3、4、5失電，出口側(cè)控制閥組全部得電時(shí)，電磁開關(guān)閥2、3、4、5從油箱中吸油進(jìn)入對(duì)應(yīng)的齒輪泵/馬達(dá)單元。此時(shí)齒輪泵/馬達(dá)m2處于馬達(dá)工況，且輸出扭矩給齒輪泵/馬達(dá)m1、m3、m4、m5，齒輪泵/馬達(dá)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(shí)DHT的輸出壓力等于1/16倍輸入壓力，DHT表現(xiàn)功能為降壓。

上述是DHT的部分變壓過程，現(xiàn)對(duì)其入口側(cè)和出口側(cè)控制閥組進(jìn)行狀態(tài)組合，歸納總結(jié)其全部轉(zhuǎn)換關(guān)系。令入口側(cè)控制閥組中的電磁開關(guān)閥5的狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)1位二進(jìn)制數(shù)Ni1，電磁開關(guān)閥1、2、3、4的狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)Ni2；出口側(cè)控制閥組中的電磁開關(guān)閥10的狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)1位二進(jìn)制數(shù)No1，電磁開關(guān)閥6、7、8、9的狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)No2，則其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(4)

式中Qo——負(fù)載壓力油流量

由式(4)可知，DHT的變壓比范圍理論上可達(dá)到1/16～16。

3 DHT仿真建模

利用AMESim軟件構(gòu)建DHT機(jī)液系統(tǒng)的仿真模型，為研究DHT在變壓過程中系統(tǒng)壓力、流量的變化情況，根據(jù)所搭建的DHT仿真模型，采用數(shù)字邏輯組合的控制方式對(duì)DHT進(jìn)口、出口控制閥組進(jìn)行編碼控制，其中DHT入口處的5個(gè)開關(guān)閥編號(hào)為1～5，出口處編號(hào)為6～10。仿真期間共切換7次，間隔40 s進(jìn)行一次電磁開關(guān)閥得失電切換，步長為0.01 s，如圖5所示。

圖5 DHT傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

為了描述DHT的升降壓狀態(tài)，本文對(duì)其變壓過程進(jìn)行了定義與分析。在對(duì)DHT壓力調(diào)節(jié)時(shí)，以油源輸入系統(tǒng)中的壓力為基準(zhǔn)值，DHT輸出的壓力可分為升壓、保壓和降壓3個(gè)階段。升壓階段，當(dāng)DHT輸出壓力呈上升趨勢、不變、下降趨勢時(shí)，此時(shí)將DHT的變壓過程分別稱為升升壓、升保壓和升降壓調(diào)節(jié)；保壓階段，DHT入口側(cè)和出口側(cè)控制閥組全部得電，此時(shí)DHT的運(yùn)行狀態(tài)處于保壓階段；降壓階段，當(dāng)DHT輸出壓力呈上升趨勢、不變、下降趨勢時(shí)，此時(shí)將DHT的變壓過程分別稱為降升壓、降保壓和降降壓調(diào)節(jié)。

圖5中，液壓系統(tǒng)仿真模型是以節(jié)流閥模擬的負(fù)載，可得

(5)

式中Cd——節(jié)流閥閥口流量系數(shù)

AT——節(jié)流閥閥口面積

ρ——油液密度

q——節(jié)流閥閥口流量

p1——節(jié)流閥入口壓力

p2——節(jié)流閥出口壓力

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

3.1 升壓階段

設(shè)定DHT升壓階段入口控制閥組中各電磁開關(guān)閥全部處于得電狀態(tài)，DHT升升壓、升降壓調(diào)節(jié)時(shí)，其出口控制閥組處于得失電數(shù)字控制狀態(tài)，控制矩陣分別為

(6)

(7)

DHT升升壓、升降壓調(diào)節(jié)狀態(tài)下輸出壓力與輸入壓力之比分別為

(8)

(9)

液壓系統(tǒng)中DHT的壓力、流量及齒輪泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)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(tài)，實(shí)現(xiàn)了升升壓調(diào)節(jié)功能，但DHT出口側(cè)控制閥組得失電切換時(shí)，A口輸出壓力出現(xiàn)了負(fù)向沖擊現(xiàn)象，主要原因是各齒輪泵/馬達(dá)對(duì)應(yīng)的控制閥組為降排量切換，切換瞬時(shí)有流量ΔLi流入低壓端，導(dǎo)致進(jìn)入液壓缸無桿腔的流量驟減，出現(xiàn)了負(fù)向沖擊。齒輪泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速呈階梯狀上升狀態(tài)，主要原因是DHT出口控制閥組得失電切換時(shí)，其中部分齒輪泵/馬達(dá)由泵工況轉(zhuǎn)為馬達(dá)工況，將液壓能部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，提高了齒輪泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)特性曲線，其壓力、流量和轉(zhuǎn)速的特性曲線變化與升升壓調(diào)節(jié)相反，輸出壓力與流量均出現(xiàn)了不同程度的正向沖擊。

圖6 升壓階段DHT調(diào)節(jié)特性曲線

3.2 保壓階段

設(shè)定DHT保壓階段入口側(cè)控制閥組全部處于得電狀態(tài)，出口側(cè)閥組控制矩陣為

(10)

由式(10)可以看出，DHT進(jìn)口、出口各電磁開關(guān)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(tǒng)的流量，且也為定值，低壓口不參與工作，齒輪泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為定值。

圖7 保壓階段DHT調(diào)節(jié)特性曲線

3.3 降壓階段

設(shè)定DHT降壓階段出口側(cè)控制閥組全部處于得電狀態(tài)，DHT降降壓、降升壓調(diào)節(jié)入口控制閥組的控制矩陣分別為

(11)

(12)

DHT降降壓、降升壓調(diào)節(jié)狀態(tài)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(diào)節(jié)特性曲線

液壓系統(tǒng)中DHT的壓力、流量及齒輪泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變化情況如圖8所示。圖8a為降降壓調(diào)節(jié)特性曲線，系統(tǒng)油源輸出壓力恒定，DHT輸出壓力呈階梯狀下降狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了降降壓調(diào)節(jié)功能，其中階段i表示降保壓狀態(tài)。降降壓調(diào)節(jié)時(shí)，DHT的輸出壓力沒有出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，主要原因是變壓過程中DHT進(jìn)口側(cè)控制閥組進(jìn)行得失電狀態(tài)切換，出口側(cè)控制閥組一直處于得電狀態(tài)，在入口側(cè)控制閥組切換瞬時(shí)，齒輪泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)速未發(fā)生變化，DHT的輸出流量也就未發(fā)生變化，所以沖擊現(xiàn)象沒有出現(xiàn)。齒輪泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速呈階梯狀下降狀態(tài)，主要原因是DHT入口側(cè)控制閥組得失電切換組合時(shí)，其中部分齒輪泵/馬達(dá)由馬達(dá)工況轉(zhuǎn)為泵工況，將機(jī)械能部分轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，降低了齒輪泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)特性曲線，其壓力、流量和轉(zhuǎn)速的特性曲線變化與降降壓調(diào)節(jié)相反。

4 試驗(yàn)

利用DHT試驗(yàn)平臺(tái)(圖9)，對(duì)所設(shè)計(jì)的DHT變壓狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)平臺(tái)由液壓二次元件DHT、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，通過對(duì)DHT進(jìn)出口各電磁開關(guān)閥的得失電數(shù)字控制完成其升壓、保壓和降壓功能的試驗(yàn)。

圖9 DHT試驗(yàn)平臺(tái)

如圖10、11所示，在壓力調(diào)節(jié)特性方面，試驗(yàn)曲線與仿真曲線變化趨勢基本吻合，實(shí)現(xiàn)了DHT壓力調(diào)節(jié)功能，但DHT工作時(shí)存在部分能量損失，由保壓階段可以看出，導(dǎo)致實(shí)際輸出壓力略小于理論輸出壓力。同時(shí)升升壓調(diào)節(jié)時(shí)，DHT出口側(cè)控制閥組得失電為降排量控制，各電磁開關(guān)閥切換瞬時(shí)，DHT輸出流量瞬間減小，以節(jié)流閥為模擬負(fù)載的入口壓力瞬間減小，導(dǎo)致DHT輸入/輸出壓力出現(xiàn)不同程度的負(fù)向沖擊。升降壓調(diào)節(jié)出現(xiàn)的壓力沖擊與升升壓調(diào)節(jié)現(xiàn)象相反。降降壓調(diào)節(jié)時(shí)，DHT入口側(cè)控制閥組進(jìn)行得失電數(shù)字控制，各電磁開關(guān)閥降排量切換瞬時(shí)，齒輪泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速一定，入口控制閥組需要的P口流量減小，但此時(shí)泵輸入系統(tǒng)的流量不變，導(dǎo)致泵出口壓力出現(xiàn)不同程度的正向沖擊。降升壓調(diào)節(jié)出現(xiàn)的壓力沖擊與降降壓調(diào)節(jié)現(xiàn)象相反。

在流量調(diào)節(jié)特性方面，試驗(yàn)曲線與仿真曲線變化趨勢較為吻合，DHT實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)流量而改變輸出壓力的目的。但在流量調(diào)節(jié)時(shí)，DHT的輸入/輸出流量發(fā)生沖擊現(xiàn)象，上述對(duì)試驗(yàn)的壓力調(diào)節(jié)特性上已經(jīng)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(dá)存在卸油口，DHT實(shí)際的輸出流量略低于理論輸出流量。

在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性方面，試驗(yàn)曲線與仿真曲線變化趨勢較為吻合，轉(zhuǎn)速呈階梯狀上升/下降狀態(tài)；但降壓階段試驗(yàn)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(yàn)過程中處于不同工況配合下的齒輪泵/馬達(dá)單元在進(jìn)出口壓差作用下產(chǎn)生不同的動(dòng)力矩和阻力矩，二者相互疊加導(dǎo)致實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線與理想轉(zhuǎn)速曲線發(fā)生偏差。

圖10 保壓、升壓階段DHT調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)曲線

圖11 保壓、降壓階段DHT調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)曲線

5 結(jié)論

(1)針對(duì)恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提出了一種數(shù)字型液壓變壓器，DHT將不同排量齒輪泵/馬達(dá)輸出軸進(jìn)行剛性連接，在各齒輪泵/馬達(dá)的進(jìn)出口分別安裝有電磁開關(guān)閥，通過對(duì)DHT進(jìn)口、出口控制閥組的得失電控制，實(shí)現(xiàn)DHT低壓口流量的吸入、釋放，進(jìn)而達(dá)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(dòng)系統(tǒng)仿真模擬平臺(tái)，對(duì)DHT的輸入壓力、輸出壓力、流量及齒輪泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了其變壓原理的有效性。最后，依托試驗(yàn)測試平臺(tái)，對(duì)DHT的變壓效果進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了通過對(duì)DHT進(jìn)口、出口控制閥組的數(shù)字控制，可以在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行變壓的可行性。