电控斜轴柱塞式液压变压器的理论分析与实验研究

论文摘要

液压变压器是在液压传动中能够实现压力转换的一种液压元件。它相当于压力转换器,通过液压变压器可以使液压执行元件(定量液压马达、液压缸)从压力耦联的液压恒压网络系统中无节流损失地获取能量。液压变压器的出现扩大了二次调节静液传动系统的应用领域。二次调节静液传动系统的工作原理决定了其负载端应该是变量执行元件。在驱动直线负载工况下,由于液压缸的活塞面积难以变化,所以在工程上常采用液压阀来进行控制,这种控制方法引入了节流损失且系统效率低,这使传统型液压变压器的应用受到了限制。对于解决该问题比较合适的方案是采用新型液压变压器来进行控制,即没有理论上的节流损失,又能够进行能量的回收与利用,为提高液压系统的效率提供了一条非常有效的途径,因此开展对新型液压变压器的研究具有十分重要的意义。在查阅大量国内外有关文献的基础上,综述了国内外液压变压器的研究现状及发展趋势,分析了液压变压器的特点,阐述了液压变压器的关键技术及研究现状,对液压变压器的应用范围作了介绍,针对目前手动型液压变压器变压频率低以及变压精度的局限性,研制出电控斜轴柱塞式液压变压器。依据液压变压器的工作原理,对液压变压器的特性进行了分析,建立了液压变压器流量、转矩和变压比的公式,为液压变压器的结构设计及仿真分析提供了理论依据。电控斜轴柱塞式液压变压器驱动的直线负载系统由三大子系统组成,即计算机控制系统、交流同步电机伺服调速系统以及液压变压器控制液压缸动力机构,分别建立了三大子系统的数学模型。为便于分析液压变压器的工作原理,提出了液压变压器平衡角的定义,并建立了液压变压器平衡角的公式。结合三大子系统的数学模型,建立了液压变压器控制角的数学模型以及液压变压器驱动直线负载系统的数学模型。为满足新型伺服系统的需求,采用机械结构优化设计的方法,完成电控斜轴柱塞式液压变压器的设计以及装配和调试,研制出可实现变压比范围为[0,2]的电控斜轴柱塞式液压变压器原理样机。结合“负负载”的概念,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,液压变压器驱动直线负载系统中液压恒压网络系统压力、液压蓄能器流量、液压变压器控制角、能量回收和再利用效率进行了仿真和实验研究,结果表明液压变压器驱动直线负载系统具有回收和再利用负载重力势能的能力。针对液压变压器本身的复杂非线性特性,提出采用模糊自适应整定PID控制策略,并针对液压变压器驱动直线负载位置伺服系统进行仿真与实验研究。结果证明该策略能较好地补偿液压变压器的非线性特性,并可提高系统的抗负载干扰能力和系统响应的快速性。采用研制的电控斜轴柱塞式液压变压器,搭建液压变压器驱动直线负载系统的实验台,完成实验台硬件电路设计和控制软件的编程工作。在该实验台上对液压变压器的基本性能进行测试,以及分别采用PID、模糊自适应整定PID控制策略对液压变压器系统进行实验研究。实验结果表明所阐述理论正确,采用的控制策略合理可行,研制的液压变压器驱动直线负载系统实验样机是成功的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外液压变压器的发展现状
• 1.2.1 传统型液压变压器的发展历程
• 1.2.2 新型液压变压器的发展历程
• 1.3 新型液压变压器的应用
• 1.4 液压变压器的关键技术及研究现状
• 1.5 课题的来源及论文的主要研究内容
• 1.5.1 课题的来源
• 1.5.2 课题的主要研究内容
• 第2章 电控斜轴柱塞式液压变压器的结构方案
• 2.1 引言
• 2.2 液压变压器设计准则
• 2.3 液压变压器的总体结构
• 2.4 液压变压器缸体校核
• 2.4.1 缸体轴向力的分析计算
• 2.4.2 缸体压紧力矩的分析计算
• 2.5 配流盘与缸体之间剩余压紧力和力矩系数的分析
• 2.5.1 液压变压器配流盘与缸体间剩余压紧力系数
• 2.5.2 液压变压器配流盘与缸体间剩余压紧力矩系数
• 2.6 液压变压器配流盘结构的优化设计
• 2.6.1 液压变压器配流盘球面配流副结构优化
• 2.6.2 液压变压器配流盘的配流槽流速限制与许用圆周速度
• 2.6.3 液压变压器配流盘内、外密封带的尺寸
• 2.6.4 液压变压器配流盘的结构
• 2.7 液压变压器后端盖设计
• 2.7.1 后端盖设计原则及端口设计
• 2.7.2 后端盖端口的受力分析
• 2.7.3 后端盖与配流盘间的支撑力和支撑力矩分析
• 2.7.4 剩余压紧力系数和剩余压紧力矩系数
• 2.7.5 液压变压器后端盖结构
• 2.8 本章小结
• 第3章 液压变压器的特性分析和建模与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 液压变压器的特性分析
• 3.2.1 液压变压器的转矩
• 3.2.2 液压变压器的变压比
• 3.2.3 液压变压器的流量
• 3.3 液压变压器控制液压缸动力机构的数学模型
• 3.4 交流同步电机数学模型
• 3.5 液压变压器的数学模型
• 3.5.1 液压变压器平衡角的定义及其数学模型
• 3.5.2 液压变压器控制角的数学模型
• 3.6 仿真研究
• 3.7 本章小结
• 第4章 液压变压器与负载参数匹配及工况分析
• 4.1 引言
• 4.2 液压变压器四象限的工作原理
• 4.2.1 液压变压器驱动直线负载的动力学分析
• 4.2.2 液压变压器四象限工作的特性分析
• 4.2.3 实验系统中液压变压器四象限工作特性
• 4.3 液压变压器与负载参数匹配的概念
• 4.4 液压变压器与液压蓄能器子系统的数学模型
• 4.4.1 液压蓄能器的数学模型
• 4.4.2 液压变压器与液压蓄能器子系统流量连续性方程
• 4.4.3 液压蓄能器释放能量工况分析
• 4.4.4 液压蓄能器的选取
• 4.4.5 液压变压器驱动直线负载系统的能量回收效率
• 4.4.6 液压变压器四象限工作特性的仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 液压变压器驱动直线负载系统控制策略的研究
• 5.1 引言
• 5.2 模糊自适应整定PID（FAPID）控制策略
• 5.3 模糊自适应整定PID 控制器设计
• 5.3.1 隶属函数的确定
• 5.3.2 模糊控制量的精确化
• 5.3.3 模糊控制规则表
• 5.4 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 液压变压器的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 液压变压器的实验台设计
• 6.2.1 实验台性能要求
• 6.2.2 液压变压器性能测试实验台原理
• 6.2.3 液压变压器性能测试实验台元件选取
• 6.2.4 液压恒压网络系统测试系统设计
• 6.3 液压变压器基本性能测试
• 6.4 液压变压器压力、流量以及变压比实验
• 6.5 液压变压器伺服性能实验
• 6.6 液压变压器四象限工作特性的实验研究
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历