一种摆动油缸控制的液压变压器开发

刘贻欧，于 俊，黄亚农，张宝情

( 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064)

0 引 言

液压变压器作为一种新型的压力调节元件，集泵和马达功能为一体，可以无节流地实现输出压力的调节。与传统的阀控系统相比，它具有效率高、结构简单、可实现多负载独立控制等优点，在工程机械、矿山机械、恒压网络二次调节系统等多变负载系统中得到部分应用［1］，并具有广泛的应用前景。目前国内外液压变压器的产品和样机都是在斜轴式柱塞泵的基础上改进设计的，采用直线运动油缸驱动、电机驱动、手动3 种配流盘转动方式［2-4］。配流盘均采用齿轮传动方式，该类型液压变压器的不足之处在于驱动效率偏低、动态响应慢，体积大，结构不够紧凑。本文在A10V 斜盘式轴向柱塞泵的基础上，研制了一种摆动油缸控制的斜盘柱塞式液压变压器，通过摆动油缸直接驱动配流盘转动，取消了齿轮传动机构，具有驱动方式简单、驱动效率高、响应快、能够适应配流盘转角的液压伺服控制需要、结构紧凑便于集成等优点。

1 基本结构

1.1 背景技术

自1997年荷兰Innas 公司提出三槽配流型(又称Innas 型)液压变压器的概念后，该类型液压变压器得到迅速发展。此后，国外对液压变压器进行多次改进，提出了“梭”技术和“浮杯型”结构等措施来降低噪声和提高效率［5］;国内浙江大学在Innas型液压变压器的基础上研制了12 mL/r 的手动变量式液压变压器［6］，由于摩擦和泄漏损失较大，其变压比只能达到1.2，该液压变压器的效率较低;哈尔滨工业大学在此基础上研制了28 mL/r 的电控柱塞式液压变压器［1］，克服了手动式液压变压器变压频率低的缺点，实现了配流盘的电气伺服控制，变压比可以达到2，但是存在结构复杂，体积较大等斜轴式液压变压器的固有不足。本文研究的摆动油缸控制的斜盘柱塞式液压变压器的工程样机，排量为71 mL/r。

1.2 基本结构

如图1 和图2所示，斜盘柱塞式液压变压器由主轴1、壳体2、斜盘10、柱塞3、缸体9、摆动油缸5 等组成;摆动油缸5 由过渡端盖8、配流盘4、后端盖6、转轴叶片12、固定叶片13、密封圈14 等组成，配流盘4 同时作为摆动油缸5 的转轴，套设在过渡端盖8 的圆孔内;主轴1 一端与壳体2 通过轴承相连，另一端穿过缸体9、配流盘4、过渡端盖8，通过轴承与后端盖6 相连，过渡端盖8 分别与壳体2 和后端盖6 紧固连接，过渡端盖8 与后端盖6组成摆动油缸的外壳，转轴叶片12 通过螺钉安装在配流盘4 上，固定叶片13 通过螺钉安装在后端盖6 内。

摆动油缸5 的后端盖6 上通过螺钉安装有控制阀。控制阀包含4 个油口A，B，P，T，摆动油缸5 的2 个出口分别与控制阀的A 口和B 口相连，控制阀P 口接恒压网络高压油源，控制阀T 口接油箱，由控制阀控制进入和流出摆动油缸5 的流量，从而控制摆动油缸转动。通过将摆动油缸5 和配流盘4 集成，结构更紧凑，响应更快。为将摆动油缸5 和液压变压器壳体2 连接起来，设置了过渡端盖8。

如图3 和图4所示，配流盘4 前端面设置有高压油槽A、负载油槽B、回油槽T，配流盘4 内设置有高压通道A1、负载通道B1、回油通道T1;后端盖6 前端面设置有高压油路A2、负载油路B2、回油路T2，后端盖6 后端面设置有高压油孔A3、负载油孔B3、回油孔T3，高压油槽A 通过高压通道A1、高压油路A2 与高压油口A3 相通，负载油槽B 通过负载通道B1、负载油路B2 与负载油口B3 相通，回油槽T 通过回油通道T1、回油路T2 与回油口T3 相通。高压油口A3 与恒压网络高压油源连通，负载油口B3 向负载供油，回油口T3接油箱。

2 工作原理

液压变压器工作时，在恒压网络高压油源压力的作用下，缸体9 产生驱动力矩而旋转起来，配流盘4前端面的3 个油槽分别接通恒压网络高压油源、负载和油箱，随着缸体的转动，液压变压器B3 口输出一定的压力，缸体在A3 口和B3 口压力产生的合转矩下转动，当驱动力矩与负载力矩、摩擦力矩平衡时，液压变压器的输出压力保持稳定;当需要提高或降低液压变压器的输出压力时，通过调节控制阀，控制恒压网络高压油源进入摆动油缸的流量和方向，进而改变配流盘4 的转角，实现输出压力的调节。

液压变压器变压比公式为［6］

式中:αA和αB分别为腰形槽A，B 对应的吸排油包角;θ 为配流盘的转角。由于αA=αB=120°，由式(1)可知液压变压器的变压比λ 仅为θ 的函数，输出压力随配流盘的转角而自动调节，配流盘在20°，60°，100°的转角下，其输出压力响应曲线如图5所示，变压比最大可达2.5，响应时间小于0.5 s。

图5 配流盘在不同转角下液压变压器的输出压力曲线Fig.5 The output pressure curves of the hydraulic transformer under different swash plate angles

3 液压变压器三维模型

根据液压变压器的结构和工作原理，对其配流盘和后端盖进行受力分析和计算，建立了液压变压器的CATIA 三维模型，如图6所示。

图6 液压变压器CATIA 模型Fig.6 CATIA model of the hydraulic transformer

通过三维模型设计分析，进一步验证了前期设计的正确性，并指导工程样机的施工。

4 结 语

该液压变压器的创新点为采用摆动油缸来驱动配流盘的转动，配流盘同时作为摆动油缸的主轴使用，后端盖作为摆动油缸的外壳，将摆动油缸集成在液压变压器中。其优点如下:

1)摆动油缸直接驱动配流盘转动，取消了齿轮传动机构，驱动效率更高;

2)充分利用斜盘式液压变压器转动惯量小、摆动油缸驱动响应快的优点，可实现配流盘转角的快速控制，从而显著缩短液压变压器的压力响应时间;

3)摆动油缸与液压变压器进行集成，结构更紧凑，体积更小，集成度更高。

本文的核心技术是具有自主知识产权的“一种摆动油缸控制的斜盘柱塞式液压变压器(ZL201220395705.4)”。作为一种重要的新型节能技术，在工程机械等多变负载液压系统领域中有广泛的市场前景，预期具有良好的社会经济效益。

［1］卢红影.电控斜轴柱塞式液压变压器的理论分析与实验研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008.

LU Hong-ying.Theoretical analysis and experiment of electric control bent axial piston hydraulic transformer［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2008.

［2］姜继海，刘成强，于安才，等.液压缸控斜盘柱塞式液压变压器［P］.中国:ZL200810137522.0，2009-04-15.

JIANG Ji-hai，LIU Cheng-qiang，YU An-cai，et al.Axial piston type hydraulic transformer with swash plate controlled by hydraulic cylinder［P］.China:ZL200810137522.0，2009-04-15.

［3］徐兵，欧阳小平，杨华勇，等.一种液压变压器［P］.中国专利:ZL03129072.8，2005-02-02.

XU Bing，OUYANG Xiao-ping，YANG Hua-yong，et al.A hydraulic transformer［P］.China:ZL03129072.8，2005-02-02.

［4］姜继海，卢红影，等.电控斜轴柱塞式液压变压器［P］.中国:ZL200810137069.3，2011-03-30.

JIANG Ji-hai，LU Hong-ying，et al.Electric control bent axial piston hydraulic transformer［P］.China:ZL200810137069.3，2011-03-30.

［5］ACHTEN P A J，et al.Shuttle technology for noise reduction and efficiency improvement of hydrostatic machines［C］.The Seventh Scandinavian International Conference on Fluid Power，SICFP′01，Linköping，Sweden，2011.

［6］欧阳小平.液压变压器研究［D］.杭州:浙江大学，2005.

OUYANG Xiao-ping.Research on the hydraulic transformer［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2005.

［7］翟培祥.斜盘式轴向柱塞泵设计［M］.北京:煤炭工业出版社，1987.

ZHAI Pei-xiang.Design of swash plate axial piston pump［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，1987 .

［8］GEORGES E M，PETER A J，ZHAO F.The innas hydraulic transformer:the key to the hydrostatic common pressure rail［J］.SAE，2000-01-2561.

［9］ENDSLEY J C，HALE D C，RAAB F J.Hydraulic Pressure Transformer［P］.US:6092455，2000-07-25.

［10］MARK A.Hydro transformer［P］.US:20050166751，2005-08-04.

［11］周瑞艳，卢红影，刘宇辉，等.液压变压器变压原理的理论分析与仿真研究［J］.机床与液压，2007，35(1):103-105.

ZHOU Rui-yan，LU Hong-ying，LIU Yu-hui，et al.Theory analysis and simulation research on the principle of hydraulic transformer［J］.Machine Tool ＆ Hydraulics，2007，35(1):103-105.

［12］刘贻欧，黄亚农，于俊，等.一种摆动油缸控制的斜盘柱塞式液压变压器［P］.中国专利:ZL201220395705.4，2012-08-13.

LIU Yi-ou，HUANG Ya-nong，YU Jun，et al.A axial piston type hydraulic transformer with swash plate controlled by rotary cylinder［P］.China:ZL201220395705.4，2012-8-13.