双斜盘串联式液压变压器流场特性分析.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#双斜盘串联式液压变压器流场特性分析*陈延礼，石陆军（吉林大学机械科学与工程学院）5摘要：本文提出一种双变量对称式液压变压器，为有效保持配流盘动态平衡和避免烧盘现象，对该变压器的系统结构和工作状态进行了详细分析。通过建立液压变压器的数学模型，重点分析了双变量机构处于不同状态下的流量特性，并通过有限元方法重点分析了液压变压器有无偏角状态下的流量特性，得出结论，有限元仿真数据与理论分析相吻合。10关键词：流体传动与控制；液压变压器；流量特性；仿真分析中图分类号：TH137Flowfieldcharacteristicsofdoubleswashplateserieshydraulictransformer15ChenYanli,ShiLujun(Schoolofmechanicalscienceandengineering,JilinUniversity,Changchun130025)Abstract:Inthispaper,abivariatesymmetricalhydraulictransformerisproposed.Inordertoeffectivelymaintainthedynamicbalanceofthedistributionplateandavoidtheburningplate,thesystemstructureandworkingconditionofthetransformerareanalyzedindetail.Throughthe20establishmentofthemathematicalmodelofthehydraulictransformer,theflowcharacteristicsofthebivariatemechanismindifferentstatesareanalyzedemphatically,andtheflowcharacteristicsofthehydraulictransformerwithorwithoutthedeclinationareanalyzedbyfiniteelementmethflowfieldcharacteristicsofdoubleswashplateserieshydraulicod..Theconclusionisthatthefiniteelementsimulationdataconsistentwiththetheoreticalanalysis.25Keywords:Fluidpowertransmissionandcontrol；Hydraulictransformer；Flowcharacteristic；Simulationanalysis0引言30随着恒压网络技术和二次调节静液传动技术的发展，液驱混合动力设计方案取得了巨大的进展，尤其是荷兰Innas和Noax公司于1997年提出新型液压变压器(HydraulicTransformer[1,2][3]HT)，该元件在液驱混合动力车辆系统中即可无节流损失的高效调节流体压力，也可避[4,5]免整车系统中压力、流量耦联现象的产生。目前，国内外均已开展此项研究，如2005年，浙江大学的毕业博士欧阳小平设计制造了中国第一台集成式液压变压器样机并对配流机构[5-6]35进行了相关的优化设计；2008年，哈尔滨工业大学的毕业博士卢红影针对手动式液压变压器变压频率低和变压精度的局限性，研制出了电控斜轴柱塞式液压变压器[7-8];2009年吉林大学的刘顺安、陈延礼等人申请了一种名为“内开路式液压变压器及变压方法”的发明专利[9-10]并对液压驱动混合动力车辆系统进行理论;2013年，哈尔滨工业大学的博士刘成强设计了电液伺服斜盘柱塞式液压变压器，主轴上设置有配流油路，通过电液伺服摆动液压马达实40现变压比的调节，对配流结构进行了优化，配流盘上的缓冲槽采用三角锥结构并进行了建模[11]仿真分析，对液压变压器瞬时流量、瞬时扭矩等特性进行了仿真分析研究。综上所述，国内外对新型液压变压器的开发与研究并不深入，为此，本文提出采用一种双变量对称式液基金项目：教育部博士点基金（20130061120038）作者简介：陈延礼(1983-)，男，副教授，硕导，流体传动与控制.E-mail:chenyanli@jlu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn压变压器，并对其内部流场运动特性进行理论分析。1双变量对称式液压变压器系统构成45为了解决现有技术存在的轴向力和径向力分布不均匀影响配流盘平衡的问题以及烧盘现象，降低噪声、提高使用寿命，特此设计出双变量对称式液压变压器如图1所示。1、主轴，2、前端盖Ⅰ，3、螺栓Ⅰ，4、唇形密封圈，5、O型密封圈Ⅰ，6、轴承Ⅰ，7、前端盖Ⅱ，8、螺栓Ⅱ，9、机构壳体，10、斜盘，11、变量机构，12、O型密封圈Ⅱ，13、O型密封圈Ⅲ，14、50缸体，15、O型密封圈Ⅳ，16、螺栓Ⅲ，17、上端盖Ⅰ，18、异面配流盘，19、上端盖Ⅱ，20、上端盖Ⅲ，21、定位销，22、柱塞，23、轴承Ⅱ，24、螺栓Ⅳ，25、齿轮，26、步进电机，27、电机壳体，28、回程盘，29、滑靴图1双变量对称式液压变压器整体结构示意图Fig.1Schematicofdoubleswash-plateserieshydraulictransformer552数学模型从图2中可以得出，柱塞平行于主轴的位移s与柱塞的角位移φ之间的对应关系为：s=R⋅tgβ⋅()1−cosφ(1)对式1微分可得柱塞平行于主轴方向的运动速度为dsν==R⋅ω⋅tgβ⋅sinφ(2)dt60式中，R为HT柱塞连杆球头分布圆半径(m)；ω为缸体旋转速度(rad/s)；β为缸体轴倾角(º)。由式2可得，对于单个柱塞来说，柱塞随缸体旋转时柱塞的角位移φ从φ运动到φ时，12柱塞腔体积变化也即是柱塞腔内油液的体积变化为22πdπdΔV=⋅Δs=⋅R⋅tgβ⋅()cosφ−cosφ(3)1244-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn65图2柱塞运动分析图Fig.2Plungermotionanalysis因此，两侧的斜盘倾角相同时，柱塞泵和马达元件的流量与排量的关系式q=Vn，液压变压器的平均流量表达式为2αAq=V⋅n=πd⋅n⋅R⋅z⋅tgβ⋅sinδ⋅sinAgA22αA70qB=VgB⋅n=−πd⋅n⋅R⋅z⋅tgβ⋅sinδ+⋅sinαA(4)2α2()Aq=V⋅n=πd⋅n⋅R⋅z⋅tgβ⋅sinδ+α⋅sinTgTA2同理，两侧的斜盘倾角不同时，此时的槽口平均流量为2πdαAq=⋅n⋅R⋅z⋅()tgβ+tgβ⋅sinδ⋅sinA12222πdαAqB=−⋅n⋅R⋅z⋅()tgβ1+tgβ2⋅sinδ+⋅sinαA(5)22πd2α()()Aq=⋅n⋅R⋅z⋅tgβ+tgβ⋅sinδ+α⋅sinT12A22式中，n——液压变压器的转速（rpm）；β1和β2分别为双变量对称式液压变压器左右两侧斜盘的不同倾角。753仿真特性分析3.1有限元流体计算域网格划分根据双变量对称式液压变压器系统构成，建立其物理仿真模型如图3所示，此模型含有主轴、配流盘、缸体、柱塞组件、滑靴组和斜盘。其中，双变量对称式液压变压器在某一时刻的内部流体区域，也就是后面仿真时所需的计算域模型，其包括柱塞腔区域和配流盘区80域，如图4所示。图3液压变压器仿真物理模型图4流体计算区域网格Fig.3SimulationphysicalmodelsofhydraulictransformerFig.4Calculationareagrid-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn3.2特性分析相同斜盘倾角下也即是不考虑两侧斜盘倾角不同时的影响，此时可以把斜盘倾角设定为定值（例如本小节分析中设置为20度），再对是否考虑偏角及不同配流盘转角下缸体转过不同转角的情况进行分析，下面就分别对无偏角的情况和有偏角的情况下配流盘转角和缸85体转动的不同状态进行考虑。3.2.1无偏角情况时特性分析综上所述，图5—图7为配流盘转角为60度缸体转角分别为10、25和40度时的仿真结果，由上述所示压力和流速的仿真图形可以看出在不同时刻压力和速度的值是发生变化的，此时各个时刻相当于连续变化时的某些不同状态下的瞬时值，其变化请况与前面对流量90的瞬时变化情况的分析相对应，柱塞腔内速度的变化是随着柱塞在不同的位置时发生周期性变化的，其变化规律符合前面的推导，柱塞腔内的流动是随着柱塞所在不同位置以及它与配流盘的槽口配合情况发生变化的，可能出现有序流动或者无序的漩涡流动；而槽口处的压力并不是我们想象中的理想值，而是相应发生变化，因为我们理想中的值是平均压力，而仿真分析的是其不同时刻的瞬时值；槽口处的云图和矢量图都是发生急剧的变化，这与槽口的设95置有关。（a）压力云图（b）速度矢量图图5δ=60°、φ=10°时压力、速度仿真图Fig.5Pressure,speedmapatδ=60°、φ=10°100（a）压力云图（b）速度矢量图图6δ=60°、φ=25°时压力、速度仿真图Fig.6Pressure,speedmapatδ=60°、φ=25°-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn105（a）压力云图（b）速度矢量图图7δ=60°、φ=40°时压力、速度仿真图Fig.7Pressure,speedmapatδ=60°、φ=40°由图8的δ=60°时瞬时流量仿真数据分析图可以看出，根据仿真所得数据在图中进行110散点图的绘制，然后与前面章节建立的数学模型进行对比，仿真所得数据与所建立的数学模型拟合程度很高，仿真所得数据点几乎完全分布在数学仿真曲线图上。图8δ=60°时瞬时流量仿真数据分析图Fig.8Instantaneousflowsimulationcurveatδ=60°1153.2.2有偏角情况时的特性分析综上所述，图9、图10和图11分别是此种情况下缸体转角为10、25和40度时的仿真结果的压力云图和速度矢量图，由压力、速度仿真图可以看出，在不同时刻液压变压器内部流体的压力和速度是在瞬态的，此时的分析相当于连续运动的某一时刻的瞬时值，这与上节的分析是一致的，其流体压力和速度的变化情况也有类似的规律，不同时刻的瞬时压力是不120同的，在柱塞腔内可能会形成一定的压差，严重时将会出现汽蚀现象，在配流腔与柱塞腔的接触面积小时容易在接触面处形成速度突变，两边速度无序的变化等，在这就不一一叙述了。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（a）压力云图（b）速度矢量图125图9δ=60°、φ=10°时压力、速度仿真图Fig.9Pressure,speedmapatδ=60°、φ=10°（a）压力云图（b）速度矢量图图10δ=60°、φ=25°时压力、速度仿真图130Fig.10Pressure,speedmapatδ=60°、φ=25°（a）压力云图（b）速度矢量图图11δ=60°、φ=40°时压力、速度仿真图Fig.11Pressure,speedmapatδ=60°、φ=40°135图12是此时的瞬时流量仿真数据分析图，由图可以看出它们的拟合程度很高，通过仿真得到的数据几乎完全符合前面建立的数学模型，因此，此时我们也完全可以用所得数学模型进行后续的相应工作；同时，可以看出其各个槽口的瞬时流量波动幅值有所变化，瞬时流-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn量跳跃次数增多，但各个阶段的瞬时流量跳跃量有所减少，这样相应的改善了其脉动性能。140图12δ=60°时瞬时流量仿真数据分析图Fig.12Instantaneousflowsimulationcurveatδ=60°4结论本文结合理论分析和数字仿真的基础上，得出结论如下：(1)提出一种新型双变量对称式液压变压器，并对其系统构成及其工作特性进行了详细145分析；(2)建立了双变量对称式液压变压器的数学模型，重点分析了变压器两侧斜盘倾角不同状态下的槽口平均流量方程；(3)建立了双变量对称式液压变压器的仿真模型，并对其倾角δ=60°时瞬时流量进行了仿真分析，得出有限元仿真数据与理论分析完全吻合。150[参考文献](References)[1]PeterAJAchten,ZhaoF,VaelGeorgesEM,etal.Transformingfuturehydraulics:anewdesignofahydraulictransformer[J].linkÖping,sweden:ThefifthScandinavianInternationalConferenceonFluidPower,1997[2]PeterAJAchten.Hydraulictransformer[P].WO97/31185,1997155[3]WerndinR，etal.EfficiencyperformanceandcontrolaspectsofahydraulicTransformer[C].Tampere，Finland:TheSixthScandinavianInternationalConferenceonFluidPower,1999，395-407[4]VaelGeorgesEM,AchtenPAJ,FuZhao.TheInnashydraulictransformer:theKeytothehydrostaticcommonpressurerail[J].SAE,2000-01-2561.[5]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.2004,40(9):28-32160[6]欧阳小平.液压变压器研究[D].杭州:浙江大学,2005[7]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：哈尔滨工业大学博士学位论文.2008.9[8]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:自然科学版,2006,36(5):869-874.165[9]陈延礼,刘顺安,尚涛,苗淼,姚永明,周旭辉.液驱混合动力车辆制动能回收效果研究[J].吉林大学学报(工学版)，2011，43(1)：110-116.[10]陈延礼.基于液压变压器的车辆节能系统研究[D].长春:吉林大学硕士学位论文，2009.6.[11]刘成强.姜继海.斜盘柱塞式液压变压器的流量特性[J].吉林大学学报（工学版），2012,42（1）：85-90-7-'