基于液压恒压网络系统的液压变压器控制液压缸系统

　　传统的液压变压器其结构基本上都是将轴向柱塞泵和轴向柱塞马达通过刚性轴机械地连接在一起。1997年荷兰的Innas公司和Noax公司联合提出新型液压变压器的设计概念,与传统型液压变压器相比,新型液压变压器将液压泵和液压马达的功能集于一身,组成了一个独立的液压元件,简化了其结构形式[1]。新型液压变压器主要是基于定量轴向柱塞泵或轴向柱塞马达结构经过必要的变化而得到的[2]。本文中的液压变压器特指新型液压变压器。目前国内外主要针对手动变压式液压变压器进行了研究[3-4]。为满足变载的工况,作者研制了新型伺服式液压变压器,采用斜轴式轴向柱塞泵的结构,并设计安装了新型结构的配流盘及伺服变量机构。

　　1　液压变压器

　　1.1　工作原理

　　液压变压器的工作原理如图1所示,将液压恒压网络压力pA调节到负载压力pB通常采用节流控制方式,在图1中按A′B曲线进行调压,由此产生的能量损失为

　　若采用液压变压器则可以按图1中的曲线2进行调压,如果忽略内部损失以及与油箱连接的能量,则应该遵循如下的能量守恒方程

　　式中:pA为A点的压力;pB为B点的压力;qA为A点的流量;qB为B点的流量。

　　从方程(2)中可以得到负载流量和油源流量之比的关系

　　式中:Π为液压变压器变压比。

　　通过改变A、B两点的流量可以控制油源和负载之间的压力比,也就是控制了液压变压器的变压比。从图1中还可以看出:按AB曲线进行调压时,由于A、B两点的流量不同,必须增加第三个油路T来补偿A、B两点流量的差值:qT=qB-qA,这也是基于定量轴向柱塞泵或马达结构改造的液压变压器的配流盘有三个端口的原因。

　　1.2　液压变压器的特性

　　(1)液压变压器的转矩

　　液压变压器的动态特性是由缸体及旋转部件(其中包括柱塞组件及旋转轴)决定的。当液压变压器的缸体及旋转部件转动时,每个柱塞依次绕着3个腰形槽转动,若假设液压变压器的转速恒定,忽略内部能量损失,流过每个腰形槽的压力油对缸体及旋转部件作用的平均转矩可以表示为[5]

　　式中:VHT为基本元件即定量轴向柱塞泵的排量;pk为与每个腰形槽连接端口的压力;φk为腰形槽的名义弧长;φc为腰形槽中心相对于TDC的角位置。

　　图2为配流盘截面图,图中α、β和γ为腰形槽的名义弧长,δ为腰形槽的中心P相对于上死点TDC的角位置,即为液压变压器的控制角。

　　根据式(4)可得流过3个腰形槽的压力油对油缸及旋转部件产生的转矩公式分别为