液压变压器的研究

液压变压器的发展研究与展望
摘要
液压技术是现代化传动与控制的关键技术之一,在国民经济中起着重要的作用。

由于液压传动没有机械传动、电力传动效率高，在竞争中处于劣势：液压传动必须寻求新的液压系统结构和液压元件来提高效率，恒压网络二次调节系统是近年来发展起来的一种新型液压系统，它具有高效、结构简单等诸多优点。

液压变压器是在恒压网络下发展起来的一种新型压力流量控制元件，集泵和马达功能为一体，按负载需要实现液压系统压力的调节。

与传统的阀控压力比较，它具有效率高、结构简单、可实现多负载独立控制等优势，在工程机械、矿山机械等多负载系统中有广泛应用前景，已成为国内外液压行业压力控制元件研制的热点。

关键词：液压变压器，新型液压变压器，恒压网络，展望
目录
液压变压器的发展研究与展望
前言：液压变压器是在液压系统中用来实现压力改变的液压元件，是随着恒压网络二次调节技术的发展而产生的。

新型液压变压器是相对于传统液压变压器而言。

传统液压变压器是将液压泵和液压马达通过联轴器机械连接组成的；新型压变压器是巧妙地将液压泵和液压马达功能集成与一体而构成的。

新型液压变压器具有结构简单、体积小、效率高、惯性小、动态响应快。

在液压系统中可以无节流损失地控制负载运动，还可用于回收负载的能量，应用前景十分广阔。

因此，国内外众多的研究机构开展了新型液压变压器的研究工作。

1传统型液压变压器变压原理
液压变压器是一种可以把给定压力下的输入液压能高效率地转换为另一种压力下的输出液压能的转换和传递元件，是将非变量执行元件连接到准恒压网络下应运而生的，使用它可以实现多负载在准恒压网络中互不相关的控制，还会使能量逆向流动。

作为一种能同时控制压力和流量变化的能量控制元件，液压变压器具有如下特征
（1）它能将液压系统压力按负载需要无节流损失地调整为任意值。

（2）变压过程是双向的，可以向负载输出能量，也可以从负载向蓄能器回收能量。

（3）作为压力放大器使用，产生较油源压力高得多的输出压力。

（4）体积小、重量轻、动态响应快，调节力矩小。

液压变压器能在压力耦联的恒压网络系统中无节流损失地获取能量, 来控制调节液压执行元件的运动。

相对于液压阀控制的液压执行元件而言, 在理论上没有节流损失, 因此, 具有节能效果。

其调节原理如图1所示。

当需要将恒压网络系统的压力pA调节到pB时, 如果用液压阀来调节, 则按路径1进行, 压力降低了, 而流量没改变, 能量损失为:
如果采用液压变压器, 则按路线2进行调压, 即流量改变, 压力也改变, 忽略管路损失, 符合能量守恒方程:
由式2可见, 在恒压网络中采用液压变压器来调压, 与液压阀调压相比, 理论上没有能量损失, 尤其在大流量, 大功率系统中, 具有独特的优势。

2新型液压变压器
新型液压变压器以柱塞马选的结构为设计基础，将裂和马达功能有机地集成为一体，该变压器程结构上与斜轴式轴向柱塞马达基本相同，主要区别在冁流盘的结构形式不同。

新型液压变压器的配流盘上加工三个形状相同的腰形槽A.B,t，如图2所示。

分别连接到恒压网络、负载和油箱。

其变压原理与传统变压器的变压原理一样，也是通过国改变排量的比值来实现变压比的改变。

液压变压器与电力变压器一样，理论上能量守恒，即：
式中pi为输入压力：qi为输入流量；pn为输出压力；qn为输出流量。

定义液压变压器的变压比为输出压力与输入压力的比值：
由式4可以看出，变压比为输出流量与输入流量的比值的倒数。

流量公式如下：
式中n为变压器转速为变压器单个油口的排量。

由式5看出，流量是排量与转速的乘积，因为变压器各油口的转速相等，将式5带入式4，化简得：
式中为变压器A油口的排量。

由式6看出，变压比是A油口的排量与B油口的排量之比的改变。

新型液压变压器油口排量的改变是通过改变配流盘转角来实现的。

当等于零是，A口面积在上下死点两侧的面积相等，排量为零。

当变大是，则A口面积在上下死点连线右侧面积随着增大，排量也在增大。

与此同时，B口在上下死点连线的两侧的面积也随之改变。

排量也随着变化。

可推导出变压比是的函数，表达式为；
3新型液压变压器存在的问题
我国对新型变压器的液压的研究已近10年了，已经研制输了样机。

但是还远没有达到工业应用的要求，新型液压变压器还存在以下问题：
（1）调压范围过窄的问题。

浙江大学研究的变压比在0—1.2之间，哈尔滨工业大学研制的变压比在0—2之间，而实际应用要求最大变压比在4左右；
（2）发热问题。

目前的新型液压变压器原理样机存在效率低，发热严重的问题。

（3）结构问题。

目前的样机是基于泵或马达的基础上进行改造而来的。

变压比的控制结构用齿轮减速。

所以存在体积大，结构复杂，成本高并且控制误差较大的问题。

（4）噪声问题。

新型液压变压器的变压流量脉动大，压力波动大，如何绛噪是个问题。

（5）控制问题。

新型液压变压器的变压比是复杂非线性，如何对变压器进行精确的控制是个问题。

4国内外的研究现状
液压传动早在二、三百年前就出现了。

然而,从二十世纪三、四十年代才得以真正应用和发展。

我国液压工业从二十世纪五十年代开始制造叶泵和阀门,经过几十余年的发展,已形成了门类齐全、有一定生产能力和技术水平、初具规模的生产科研体系。

目前,全国约有300家企业,10 个附属于国家科研院所的液压研究室,国家液压元件质量监督检测中心在全国各地有近10个分中心,全国有10所大学设有液压气动专业,在浙江大学设有流体传动及控制的国家重点实验室。

然而与世界工业发达国家相比,我国目前的液压工业还处在一个较低的水准上。

液压变压器所具有的独特性能，使荷兰、瑞典和日本等发达国家对液压变压器投入了大量的人力、物力进行研究。

目前荷兰的IrmasBV公司、瑞典的LinkOping大学、日本的Sophia大学等正在对该课题进行研究。

目前，对“传统型”液压变压器的研究，主要侧重于应用研究，从液压变压器的控制方法和油路方案配置等方面加以研究。

日本的Sophia大学研究该类型液压变压器在恒压网络下的工作效率时，讲液压变压器与活塞缸进行了多种连接方式的组合，并对每种连接方式下液压变压器的效率进行了仿真研究，分析结果显示如果液压变压器和液压缸的连接方式合理，变压器的效率可达80%。

而德国Mannesmann Rexroth 公司将该类型液压变压器成功应用到注塑机和挖掘机上，系统效率和运行性能都得到了改善。

hmasBV公司于2003年设计了种采用“浮杯”型结构的液压变压器，“浮杯”型结构充分结台了斜轴式柱塞泵和通轴式滑靴型斜盘泵的优点，在该结构中，柱塞安装在转子内，柱塞与转了之间没有铰接头：每个柱塞都有自己的缸体，不像传统柱塞泵那样所有的柱塞都安装在一个缸体内；柱塞直接密封“杯型”缸体，省去了柱塞环，相对于斜轴式柱塞泵和斜盘式柱塞泵，减少了摩擦。

“浮杯型”原理中的另一个重要特点是柱塞双向布置，可使轴向液压力达到完全平衡．轴承受力小，冈而可以选择小的轴承。

采用该结构的液压变压器的效率和噪声都有较大改善，该液压变压器结构复杂，制造成本高，因此较难推广；目前InnasBv公司主要把该“浮杯型”结构应用在柱塞泵上。

国内对液压变压器的研究还处于起步阶段，投入的人力物力有限，并主要是高校在进行理论研究，目前，还没有产品实际应用，并且距其实际应用还有很长的路要走。

国内高校主要是浙江大学和哈尔滨工业大学在进行新型液压变压器的研究。

浙江大学在国家自然科学基金委项目的支持下，开展了新型液压变压器的研究，主要研究工作如下：
（1）为拓宽新型液压变压器的调压范围，提出了一种方法，并进行了结构设计。

建立了缸体与配流盘之间、配流盘与后端盖之间的压力场数学模型，并据此对新型液压变压器进行了设计与校核：（2）利用Fluent流场仿真软件，对液压变压器三个关键配流副（配流盘与后端盖、配流盘与体、缸体与柱塞）的流场进行了初步仿真分析，给出了配流盘控制角度在60时的仿真结果，较好地反映出了液压变压器内部流场的变化情况；
（3）建立了液压变压器的平均流量。

瞬时流量、瞬时驱动扭矩、压力比的数值模型，并对上述模型进行了仿真分析；
（4）建立了液压变压器恒压网络实验测试系统，验证所研制的液压变压器能实现压力调节，调压范围0—1.2并分析了液压变压器总效率和容积效率的变化规律及其影响因素。

图3a为浙江大学研制的手动式新型液压变压器样机
哈尔滨工业大学流体传动及控制实验室也进行了私服控制式新型液压变压器的研究，主要的研究工作如下：（1）针对手动型液压变压器变压频率低于变压精度低，不利于系统实现自动化季远程控制的局限性，采用机械结构优化设计的方法，研究出变压比在0-2的伺服式新型液压变压器，器原理如图3b所示：（2）建立液压变压器的数学模型和液压变压器驱动直线负载系统的数学模型，并针对其伺服性能进行了仿真研究；
（3）分析液压变压器四个象限工作的特性，并对液压变压器“负载驱动”和“驱动负载”工况下，液压比那雅琪驱动直线负载系统中的特性进行了仿真和实验研究。

、，测试了液压变压器在驱动直线负载系统中具有回收和再利用重力势能的能力；
（4）针对液压变压器本身的复杂非线性特性，采用先进的复合控制策略，并针对液压变压器驱动直线负载未知伺服系统进行了仿真研究；
（5）搭建液压变压器驱动直线负载系统的实验台，在该试验台上对液压变压器的性能进行了测试研究。

4新型液压变压器存在的问题。